基于贝雷级配法的聚氨酯胶结料机场道面修复性能研究

徐华冠

(中国人民解放军陆军工程大学 南京 210001)

机场道面是机场飞行区的重要基础设施,直接承担民航运营与空军作战的各项任务。道面在服役中会遭受高低温、太阳辐射、水分侵蚀,进而产生老化问题[1]。在长期荷载作用下,道面会出现龟裂、坑槽、轮辙等病害[2]。此外,空军机场会面临敌方的突袭,使跑道等关键部位产生弹坑[3-4]。这些问题严重影响着飞行安全与战时状态下战斗力。因此,如何有效地快速修复机场道面是民航与空军部队需要解决的重要问题。

聚氨酯(PU)作为一种胶结材料,近年来广泛应用于各类修复工程领域。相比于其他聚合物,PU具有轻质、早强、高膨胀性、密封性与耐久性。目前,已经开展了聚氨酯应用于修复工程中的研究。彭全敏等[5]通过对PU发泡填补基层的研究,分析PU可用于基层稳定碎石的填充,但是难以控制发泡速度和时间。吴小龙等[6]将预聚法制备的PU应用在雨天下路面快速养护。马昭等[7]将单组分湿固化型PU与SMA-13级配结合,分析其固化后力学性能与应用在面层的可行性。此外,已有研究者开展了PU在桥梁伸缩缝、隧道工程中论证性研究[8-9]。目前,针对PU应用在机场道面修复的研究较少。不同于路桥隧道面,机场道面修复还会面临不停航施工与早期开放问题,其涉及的抢修工程较为复杂。许多研究关注PU混凝土在养护后期性能,而忽略养护初期中强度问题,这是也直接关联到开放交通时间。现有研究表明通过贝雷法可以设计有效骨架结构,其可以赋予道面更高的早期强度以快速开放交通[10]。因而,如何选择适宜的PU及骨架结构,关系到道面修复质量及开放交通快慢。

因此,针对机场道面快速修补的需求,本文选定不同软硬段含量的PU,分析其成膜特性、力学性能及固化机制。不同于常规级配设计,贝雷级配设计法关注混凝土结构中骨架嵌挤形态;因而,基于贝雷法设计不同骨料分布的聚氨酯玛蹄脂碎石混凝土结构(PU-SMA),考察其路用性能以确定适用的骨架结构,为后续同类工程应用累积经验。

1 试验原材料及试验方法

1.1 原材料

原材料包括聚氨酯胶结料(PU)、矿料、聚酯纤维。PU主要由二异氰酸酯(MDI)、多元醇、扩链剂组成,通过预聚法将MDI与多元醇合成-NCO端聚氨酯聚合体,其为无色液体。将扩链剂加入聚合体中交联固化。其中二异氰酸酯与扩链剂形成微相结构中的硬段,而多元醇形成软段。通过改变软硬段组分比例,形成4种硬段含量的聚氨酯胶结料,分别为43%,50%,57%,64%。不同硬段含量下PU体系组成见表1。

表1 不同硬段含量下PU体系组成 %

矿料为玄武岩,通过筛分得到9档矿料粒径:>13.2～16 mm,>9.5～13.2 mm,>4.75～9.5 mm,>2.36～4.75 mm,>1.18～2.36 mm,>0.6～1.18 mm,>0.3～0.6 mm,>0.15～0.3 mm,>0.075～0.15 mm,相应为1～9号。

纤维稳定剂为聚酯纤维,纤维长度为5.8 mm,聚氨酯混合料中聚酯纤维的掺加含量为0.35%。

1.2 贝雷级配设计法

在贝雷法中,将2.36 mm筛孔作为粗细集料的分界点,通常采用最小的骨架空隙体积来确定粗、细集料的最佳掺配比[10]。根据最小间隙率,确定粗集料各档的最佳掺配比为1号∶2号∶3号∶4号=12∶28∶40∶20,细集料各档的最佳掺配比为:5号∶6号∶7号∶8号∶9号=33.99∶24.36∶18.37∶13.46∶9.82。按照粗集料的干捣密度,本文选定粗集料设计密度为105%,110%,115%,120%。根据式(1),计算设计密度对应下2.36 mm关键控制筛孔的通过率。

(1)

式中:PPCS为PCS筛孔下的通过率,%;PCS为基本控制筛孔,为2.36 mm;P0.075为0.075 mm筛孔下的通过率,%;ρ1为细集料干捣密度,g/cm3;ρ2为粗集料毛体积密度,g/cm3;ρ3为粗集料设计密度,g/cm3。

依据粗细集料最佳掺配比,确定设计级配曲线,见图1。

图1 不同设计密度下级配曲线

1.3 聚氨酯胶结料性能表征

按照GB/T 13477.5与GB/T 531.1,采用B法测定25 ℃下PU成膜状态与成膜后硬度。按照GB/T 2794,采用NDJ-1C旋转黏度计测定25 ℃下PU的黏度变化。按照GB/T 528,测定PU拉伸强度与断裂延伸率。通过衰减全反射法(ART-FTIR)测定PU红外光谱,分析其固化机制。

1.4 聚氨酯混合料性能表征

按照JTG E20,测定不同骨架结构下PU混合料的路用性能指标。其中,测定60 ℃下PU-SMA混合料的马歇尔稳定度、动稳定度,评定高温下强度及稳定性。通过三点弯曲试验测定-10 ℃下PU-SMA的弯曲应变,评定低温抗变形能力。采用残留稳定度与劈裂强度比表征PU-SMA的水稳定性。

2 结果与讨论

2.1 聚氨酯胶结料力学性能与固化机理研究

2.1.1成膜性能

PU材料的成膜参数结果见表2。

表2 PU的成膜试验结果

由表2可知,硬段含量的增加会缩短表干时间与实干时间,表明聚氨酯的成膜时间有所减少。此外,当体系中硬段含量从43%增加到64%时,聚氨酯的硬度也从53上涨至69,上涨幅度约为30.19%。这些趋势表明硬段含量影响着PU的固化进程。

2.1.2黏度

PU材料的黏度参数见表3。

表3 PU的黏度试验结果

由表3可见,随着硬段含量增加,PU初始黏度略微下降。较低的黏度有利于PU胶结料浸润骨料的表面,促进与骨料的充分拌和。对于聚合物胶结料,美国战略公路研究计划(SHRP)将3 000 mPa·s以内作为施工可允许时间。硬段含量增加导致可允许施工时间缩短,说明异氰酸酯与扩链剂在PU中比例增高会加快固化速度。

2.1.3拉伸力学性能

PU的拉伸力学结果见图2。

图2 PU的拉伸强度与断裂延伸率结果

如图2所示,硬段含量增加导致PU拉伸强度的上升与断链延伸率的下降。硬段比例的上升导致硬段微相区逐渐丰富,进而引起强度增高。此外,当硬段含量从50%增加到57%时,拉伸强度与延伸率分别变化了+13.61%与-11.72%。而当硬段含量从57%增加到64%时,这2种指标的变化率分别为5.65%与-6.64%。这意味着当硬段含量超过57%后,PU的强度提升有限。

2.1.4化学结构与固化机制

不同硬段含量下PU的红外光谱结果见图3。

图3 PU的红外光谱结果

由图3可见,4种PU具有相似的特征官能团吸收峰,主要为─NH、─CO、─CN、─C─O─C基团。在3 540 cm-1与2 270 cm-1附近未观察到明显的吸收峰,这说明封端异氰酸酯基团与扩链剂中羟基完全反应。这些结果表明,生成的PU是具有典型聚氨酯结构与交联体系。本文对羰基中重叠吸收峰进行高斯函数曲线拟合,并计算相应子峰的面积,拟合结果见图4。

图4 羰基区域内的高斯子峰拟合谱

其中1 732 cm-1子峰、1 713 cm-1子峰、1 690 cm-1子峰分别表征游离、无序氢键化、有序氢键化羰基。将游离、无序氢、有序氢面积与羰基总面积的比率作为游离、无序、有序相对含量,其中,无序与有序相对含量可表征总氢键化程度。游离态与氢键态羰基的相对含量结果见表4。由表4可知,随着硬段含量的增加,游离与无序羰基的相对含量出现下降趋势,而有序羰基与氢键化程度增加。这表明硬软段之间的CO无序氢键化程度减弱,硬段之间的CO有序氢键化程度增强。相比于43%硬段含量,57%与64%硬段含量的氢键化相对含量分别上涨了10.90%,14.04%。

PU缔合氢键化程度越高,分子间相互作用增强,进而解释了硬段增多会促进强度、硬度与成膜速率的上升现象。

表4 游离态与氢键态羰基的相对含量结果 %

2.2 聚氨酯混合料路用性能研究

2.2.1强度增长规律

PU-SMA在常温固化下马歇尔稳定度结果见图5。

图5 PU-SMA的马歇尔稳定度增长规律

由图5可见,PU-SMA强度随着时间的延长而增长,并在24 h后达到最高值。硬段含量的增加导致强度的增加。在0.5 h固化后,硬段含量为55%与64%下强度高于MH/T5010《民用机场沥青道面设计规范》中要求的6 kN。在养护24 h后PU-SMA强度高于20 kN。此外,在0～4 h早期内,设计密度从105%增长到120%,马歇尔强度基本先增长后下降。强度增长与更稳定的骨架密实有关;达到某个阈值后,骨架占比过高导致压实度不足而削弱强度。24 h后,设计密度的提高会导致强度的下降。在规范基础上设置1.5富余系数作为开放交通的约束条件,即强度应≥9 kN。基于此,43%,50%,57%,64%硬段含量下开放时间分别为>4,4,2,2 h。

2.2.2高温稳定性能

PU-SMA动稳定度结果见图6。

图6 PU-SMA的动稳定度结果

根据图6,在2 h后,除43%含量外,PU-SMA动稳定度均超过5 000次/mm,确保在开放交通后满足重交通的通行要求。24 h后,PU-SMA的动稳定大于30 000次/mm,远超规范要求值,说明了PU-SMA具有优异的抗高温变形能力,极大降低轮辙产生的风险。设计密度的增长带来早期动稳定度的短暂提升,却造成固化后动稳定度的明显下降。从长远角度,PU-SMA中设计密度不应低于120%。

2.2.3低温抗变形能力

PU-SMA弯曲应变结果见图7。

图7 PU-SMA的弯曲应变结果

由图7可知,随着硬段含量增长,PU-SMA的弯曲应变下降。这主要是因为更多硬段结晶限制了分子链的移动。设计密度略微提高PU-SMA低温变形能力。此外,在-10 ℃下PU-SMA的弯曲应变基本维持在10 000×10-6,远高于规范要求2 500×10-6。这也说明了即使在不同的硬段含量下,PU-SMA仍然具有优异的抗低温开裂能力。

2.2.4抗水损性能

PU-SMA的残留稳定度结果见图8。图8显示PU-SMA的残留稳定度均高于规范中要求的85%。随着硬段含量的增加,PU-SMA残留稳定度上涨。这种提升与更高PU交联网络与氢键化程度有关。当设计密度从105%增长到120%,PU-SMA的残留稳定度先增加后下降。这种残留稳定度的下降主要与骨架结构中细集料填充较低有关。较低细集料填充的松排骨架结构会诱导更多的水分侵入混凝土内部,加大PU与水分的接触概率。

图8 PU-SMA的残留稳定度结果

经历冻融循环后PU-SMA劈裂强度比结果见图9。

图9 PU-SMA的劈裂强度比结果

由图9可知,冻融循环比水浴浸入更易引起PU-SMA性能的损失。其中,在设计密度为120%下,64%硬段含量下的劈裂强度比含量43%时下降了17.33%。这可能是由于硬度含量的增高降低了PU胶结料的柔韧性;在冻融破坏条件下,这种较低柔韧的PU胶结料无法有效吸收由水冻结引起的体积膨胀力,从而造成不同程度的损伤;而后续高温水浴的侵蚀加剧了这种负面影响。由于劈裂强度比低于规范中所要求的最低值(80%),在长期运营工况下,64%硬段含量下PU-SMA不建议作为抢修道面材料。

不同时期抢修工作具有不同的特点,其中,紧急战备时期抢修工程侧重于时效性与作战临时性;常规日常抢修工程则需要在允许的时间内尽可能提高长期工程质量。综合上述,基于胶结料与混凝土性能,在日常抢修时期中,建议采用硬段含量为57%、设计密度为115%的PU-SMA混凝土作为抢修混凝土,可施工时间宜控制在32 min以内;此时,修复后的PU-SMA道面路用性能指标均符合原有道面要求,可实现永久性抢修。而紧急战备时期中,建议采用硬段含量为64%、设计密度为115%的PU-SMA作为抢修混凝土材料,可实现2 h 内的快速修复,达到快速恢复战备与保障能力的目的,其中,可施工时间宜控制在26 min以内。

3 结论

1) 当硬段含量从43%增加到64%时,PU胶结料的有序化羰基与氢键化程度逐渐增大,拉伸强度与硬度逐渐增高,而相应的初始黏度、成膜固化时间与可允许施工时间有所减少。

2) 在相同设计密度下,随着硬段含量的增加,PU-SMA的马歇尔稳定度与动稳定度增大,0～4 h早期养护期内的强度增长速度变快,固化后残留稳定度上涨,固化后低温弯曲应变与劈裂强度比却下降。

3) 在相同硬段含量下,当设计密度从105%增长到120%时,早期阶段下马歇尔稳定度与动稳定度基本先增长后下降。在常温养护24 h后,设计密度的提高会导致PU-SMA相应强度、动稳定度、低温弯曲应变的下降,而残留稳定度与劈裂强度比呈现先增加后下降趋势。

4) 在日常抢修时期中,建议采用硬段含量为57%、设计密度为115%的PU-SMA混凝土;紧急战备时期中,建议采用硬段含量为64%、设计密度为115%的PU-SMA作为抢修混凝土材料,可实现2 h 内的快速修复。