聚氨酯材料在桥面铺装层的应用及其耐久性研究进展*

李天 彭嘉华 陈露一 龙勇 彭旭民

(1.桥梁智能与绿色建造全国重点实验室 湖北武汉430034)(2.中铁桥研科技有限公司 湖北武汉430034)

近年来，钢桥面铺装因其使用寿命短、质量缺陷引发病害频发而备受关注[1]。 目前，最常用的铺装材料包括浇注式沥青、苯乙烯类(SBS)改性沥青等热塑性材料、环氧沥青类和聚氨酯类等热固性材料以及超高性能混凝土(UHPC)等无机水硬性材料。整体呈现出材料种类丰富、结构形式多样等特点。其中，聚氨酯以异氰酸酯、低聚物多元醇及扩链/交联剂为主要原料反应而成，具有强度可设计、性能可调节、环保污染少以及应用简单施工方便等优点，逐步成为钢桥面铺装的新型材料。

在桥面铺装领域，材料的耐老化性能决定桥面的服役寿命长短，是工程应用一直关注的重点。 针对目前聚氨酯混凝土老化性能指标不明确、耐久性研究少等问题，本综述对聚氨酯材料在桥面铺装领域的应用进行了介绍，并重点分析了热氧、紫外等老化处理后聚氨酯材料的性能变化规律，总结了聚氨酯材料服役寿命预测思路，旨在为耐久型、高性能聚氨酯混凝土在钢桥面上的研发与应用提供参考。

1 聚氨酯材料在桥面铺装领域的应用

1.1 聚氨酯改性沥青

聚氨酯作为改性剂可部分替代沥青用于制备桥面铺装的聚氨酯改性沥青，以提高沥青的高低温性能。 Cuadri 等[2]用蓖麻油代替常规的低聚物多元醇先制得蓖麻油基聚氨酯，并以此制备了蓖麻油基聚氨酯改性沥青。 张昊等[3]发现聚氨酯改性剂能够改善沥青的胶体结构、提高基质沥青的耐热性及温度敏感性。 祁冰[4]研究发现聚醚型聚氨酯改性沥青混凝土具有较高的抗弯拉强度、良好的高温稳定性、低温抗裂性、耐疲劳开裂及耐老化性能。 房明等[5]采用热塑性聚氨酯为改性剂对基质沥青改性，其掺量为12%时沥青混凝土的动稳定度、抗弯拉强度、浸水马歇尔稳定度和残留稳定度均得到提高。

1.2 聚氨酯胶结料

聚氨酯可以完全替代沥青作为胶结料，与一定级配的集料拌合形成聚氨酯混凝土，用于桥面铺装，实现性能优良、环保“去沥青”化。 王火明等[6]研发了多孔聚氨酯碎石混凝土，相比较传统沥青路面，聚氨酯粘结作用和空隙骨架嵌挤结构使路面具有较好的抗变形、抗滑、抗疲劳、抗腐蚀及耐光热老化性能。孙铭鑫[7]设计制作了聚氨酯空隙弹性路面，表明聚氨酯混凝土具有良好的马歇尔稳定度和抗车辙性能。 徐世法等[8]发现聚氨酯混凝土的高温、低温、变形协调和抗疲劳性能远远优于浇注式沥青与环氧沥青。 徐斌等[9]采用环氧蓖麻油(ECO)改性聚氨酯作为胶结料研发了ECO 改性聚氨酯混凝土，并广泛应用于桥面铺装工程。

聚氨酯混凝土作为桥面铺装材料已经应用于武汉杨泗港青菱大桥、温州瓯江北口大桥等大型桥梁上。 结合钢桥面实际使用环境和性能需求，宁波路宝科技实业有限公司及中国公路协会提出了用于钢桥面铺装用聚氨酯胶结料及混凝土的性能指标要求，具体数据见表1。

表1 聚氨酯胶结料及其混凝土的性能指标要求

2 聚氨酯铺装材料耐老化性能

聚氨酯的老化是长期在热、紫外线、水和化学介质等因素作用下聚氨酯分子结构发生解聚、断链以及取代基脱除等化学变化，从而在宏观上表现为物理性能下降的不利过程[10]。

研究聚氨酯材料老化性能通常采用自然暴露老化试验和人工加速老化试验。 因自然暴露老化试验存在周期长、试验环境复杂、环境条件可控性难和试验重现性差等问题，人工加速老化试验包括紫外老化、热氧老化等，通常被用来研究温度、湿度、光等因素对材料性能的影响。

2.1 聚氨酯胶结料的老化

2.1.1 热氧老化

聚氨酯的热氧老化是分子链中的化学键在温度较高条件下发生氧化反应，部分化学键断裂导致材料的各项性能发生不同程度的下降[11]。

田富竟等[12]发现在140、160 和180 ℃老化温度下处理144 h 后，聚氨酯的拉伸强度保持率随老化温度升高而下降明显；温度越高，氧化导致分子键断裂相对越容易，拉伸性能下降越明显；在160 ℃老化0、144 和288 h 后其拉伸强度保持率随着老化时间的增加而降低。

马荣尧[13]发现当140 ℃老化30 d，聚氨酯弹性体拉伸强度随老化时间的增长呈现先显著下降，其后较为平缓的趋势；老化672 h 后，聚醚型聚氨酯和聚酯型聚氨酯的拉伸强度保持率分别为70.7%和74.2%。 总体上，因聚酯软段中的酯基内聚能要大于聚醚软段中醚基的内聚能，聚酯型聚氨酯耐热老化和耐氧老化性能更强[14]。

2.1.2 紫外老化

聚氨酯具有很强的紫外线(UV)敏感性。 紫外线的辐射波长处于180～400 nm 范围之内，拥有314～419 kJ/mol 的高辐射能量，可以深入到弹性体材料的微观内部结构促使基团和化学键的断裂，进而改变其表观颜色，降低材料性能[15]。

Aglan 等[16]发现紫外老化后聚氨酯材料的微结构发生了非常明显的变化(见图1)，3 个月材料表面出现细微撕裂，5 个月后表面变得非常粗糙且撕裂性能降低了98%以上。 Jana 等[17]发现720 h 紫外线辐射使得聚氨酯中氨基甲酸酯基团断裂，会产生NN 等有色基团，宏观表现为颜色变深。

图1 紫外老化对聚氨酯表面微结构的影响

王苇[18]发现紫外老化处理30 d，材料的断裂伸长率没有显著影响，但拉伸强度比未老化的聚氨酯平均降低1.85 MPa。 洪斌等[19]发现，室温(25 ℃)固化的聚氨酯紫外老化处理过程中，拉伸性能变化规律可分为3 个阶段：(1)老化试验初期因后固化作用和残余内应力的消除使得聚氨酯拉伸性能上升，短期暂未产生真正的老化效果；(2)老化试验中期在水分子的塑化作用和分子链断裂的作用下性能迅速下降；(3)老化试验中后期在与物化交联的共同作用下保持相对稳定。

2.2 聚氨酯混凝土的耐久性

聚氨酯混凝土铺装材料的耐久性评价方法一般为加速老化处理后的高温稳定性、低温抗裂性等宏观性能评价，并与经过相同条件处理的沥青类铺装材料进行对比。

Li 等[20]进行了温度为60～70 ℃、辐射度为525 W/m2的紫外老化试验，发现聚氨酯混凝土在室内紫外线照射60、120 和180 h 后的抗压和弯曲强度与在自然环境中使用6、12 和18 个月后的抗压和弯曲强度相当。 与传统沥青混凝土、水泥混凝土相比，聚氨酯混凝土具有良好的抗冻性、耐磨性和抗弯曲疲劳性能。 郭虹良[21]研究发现，与SBS 改性沥青混凝土相比，老化后聚氨酯混凝土抗松散能力更好，低温抗裂性更优，其高温性能是SBS 改性沥青混凝土的5 倍以上。 Xu 等[22]设置了1 至6周老化周期、温度为90 ℃的热氧老化和辐照度为160 W/m2的紫外老化试验，研究发现聚氨酯混凝土的抗压强度损失率和最大弯曲应变均优于SBS 改性沥青混凝土。

3 聚氨酯混凝土服役寿命预测

人工加速老化试验和自然老化测定结果的相关性是预测聚氨酯混凝土服役寿命的关键。 但相关性研究不确定性大，影响因素多。 以紫外老化试验为例，照射光源、照射强度、连续照射时间以及循环周期等试验条件、现场荷载因素、环境因素的耦合均会影响两者间的转换关系。

目前，通常采用起关键性的作用条件等效或起控制性的作用效应等效来建立相关性研究。 以紫外老化为例，王金山[23]以材料1 年内受到的辐照总量为参照标准提出了转换因子K，见式(1)：

其中，I为加速试验紫外模拟设备的辐射强度，W/m2，Q0为该地区年太阳辐射总量，kJ/cm2。

Jana 等[17]提出以聚氨酯红外光谱1 610 cm-1处峰值强度为指标，发现720 h 室内紫外老化后峰值强度与自然老化4 320 h 相当，即加速因子为6。

Li 等[20]构建了聚氨酯混凝土室内紫外加速老化时间与室外自然暴露时间的关系，见式(2)：

其中，n为室外自然暴露时间，月；t为室内紫外加速老化模拟时间为室外紫外线年平均辐照量，kJ/cm2；A为根据当地年太阳辐射总量和加速试验紫外模拟设备辐射强度所确定的系数。

示例如下：模拟北京室外自然老化5 年情况，其室外紫外线年平均辐照量294.8 MJ/m2，室内紫外模拟辐照度为160 W/m2，A取0.00432，聚氨酯混凝土需在室内进行紫外线照射模拟时间为3.55 个月，即聚氨酯混凝土在室内进行紫外照射模拟三个半月，相当于在钢桥面上服役5 年。 聚氨酯混凝土服役寿命预测流程见图2。

图2 聚氨酯混凝土耐紫外线照射寿命预测思路

4 结语及展望

本文基于聚氨酯材料在桥面铺装层上的应用及其耐久性能研究进行了文献调研，聚氨酯混凝土的绿色环保、性能好在桥面铺装层的应用上具备优势，但还有两方面的问题有待研究：

(1)聚氨酯混凝土的服役寿命没有统一评价标准。 实验室老化试验并不能真实反映聚氨酯混凝土铺装在现场服役的具体表现，缺乏说服力；

(2)根据服役环境条件下调整的聚氨酯混凝土原料、配比设计方法不够完善。 聚氨酯混凝土合成原料种类繁多、合成工艺多样，原料比例、合成工艺、骨料类型、级配、胶骨比等没有统一的设计方法。