环氧改性聚氨酯裂缝修复材料性能研究

徐彦峰

内乡县公路事业发展中心,河南 南阳 456300

0 引言

填缝、抗裂贴封缝是目前我国半刚性基层沥青路面裂缝最常用的修补方法[1],经长期实践发现,此类修补方法耐久性不足,且具有较高的失效率,为此,开展沥青路面裂缝修补性能研究具有重要意义。本文针对工程实例,提出了使用环氧改性聚氨酯修补裂缝,旨在通过试验测试路面的水稳定性和低温抗裂性能,以期修复裂缝病害,改善路面的路用性能。

1 试验分析

本文以某公路工程为例,原路面面层结构为“改性AC-13(5 cm)+改性AC-20(6 cm)+沥青AC-25(7 cm)”,为了保证路面面层裂缝经环氧改性聚氨酯材料修补基本上和原路面结构保持一致,在该试验研究中,均采用AC-13C型沥青混合料为全部沥青混凝土试件。表1为集料合成级配组成。

表1 集料合成级配组成

经马歇尔试验可知,沥青混合料的最佳油石比和密度分别为5.1%、2.487 g/cm3。根据试验相关规定,结合路面裂缝实际统计情况,基于适用性考虑,以5 mm宽裂缝为马歇尔试件进行分析,并同时进行无裂缝完好标准马歇尔试件的制备。

2 水稳定性分析

2.1 浸水马歇尔试验及结果分析

为评价裂缝修补组合结构体系的水稳定性,本文采用了浸水马歇尔稳定度试验,并利用平行对比试验法,对修补后的组合结构体系和原状混凝土试件进行对比分析。

试验中采用自动马歇尔试验仪,加载速度为50 mm/min。马歇尔试验浸水时,应完全浸没在60 ℃恒温水箱内[2]。按公式(1)计算试件的浸水残留稳定度。

(1)

式中：试件的浸水残留稳定度由MS0表示;浸水48 h后的稳定度由MS1表示;试件的稳定度由MS表示。

以5.1%为油石比,经测试可得标准试件浸水马歇尔试验结果,如表2所示。

表2 浸水马歇尔试验结果(标准试件)

根据现行规定,改性沥青混合料残留稳定度大于等于85%,表明在标准试件,即无裂缝试件当中,马歇尔试件的残留稳定度可满足规定。

为了解环氧改性聚氨酯材料修补裂缝的效果,进行5 mm宽裂缝试件浸水马歇尔试验,其试验结果如表3所示。

表3 浸水马歇尔试验结果(5 mm宽裂缝试件)

由此可见,5 mm宽裂缝试件在通过浸水马歇尔试验后,其残留稳定度为85.6%,仍可满足规定要求,表明修补效果良好。

相比标准试件,修补后的试件残留稳定度为其95.4%,表明环氧改性聚氨酯材料的水稳定性良好,同样也说明,裂缝经修补后,具有良好的耐水损坏性能。

2.2 冻融劈裂试验及结果分析

为了检验混合料是否能够经受住冻融循环后的影响,本文进行了冻融劈裂试验,以此对混合料的综合水稳定性进行评价[3]。

按公式(2)～(3)计算劈裂抗拉强度,具体如下。

RT1=0.006 287PT1/h1

(2)

RT2=0.006 287PT2/h2

(3)

式中：未进行冻融循环的每一个试件的劈裂抗拉强度由RT1表示;未经冻融循环的每一个试件的试验荷载值由PT1表示;未经冻融循环的每一个试件的高度由h1表示。冻融循环后的每一个试件的劈裂抗拉强度由RT2表示;冻融循环后的每一个试件的试验荷载值由PT2表示;冻融循环后的每一个试件的高度由h2表示。

按公式(4)计算冻融劈裂抗拉强度比(TSR),具体如下。

(4)

根据试验可知,表4为标准试件的冻融劈裂试验结果,表5为5 mm宽裂缝试件的冻融劈裂试验结果。

表4 冻融劈裂试验结果(标准试件)

表5 冻融劈裂试验结果(5 mm宽裂缝试件)

按照现行规定,冻融劈裂抗拉强度比应满足大于等于80%,2种试件的冻融劈裂抗拉强度比均可满足规定要求。

为了更好地掌握2种不同试件在未经冻融劈裂和经过冻融劈裂的抗拉强度情况,对两者进行了对比分析,图1为2种试件未经与经过冻融劈裂的劈裂抗拉强度对比图。

图1 不同试验条件下2种试件劈裂抗拉强度图

由图1可见,相比标准试件,无论是在未经冻融劈裂前,亦或是经过冻融劈裂后,5 mm宽裂缝试件的劈裂抗拉强度均较小。究其原因在于,通过切割机切割后的标准马歇尔试件,其原有整体结构已被破坏,这种情况下,切割界面拉毛程度很难媲美自然开裂状态的程度,因此,降低了裂缝修补材料和切割界面之间的粘结效果。通过冻融劈裂试验分析,可得出裂缝采用环氧改性聚氨酯材料修补后,其抗水损坏能力较强。

3 低温抗裂性能分析

混合料的低温抗裂性能可通过弯曲拉伸试验检测,采用小梁弯曲拉伸试验法[4],可按公式(5)～(7)计算相关试验指标。即试件破坏时的抗弯拉强度(RB)、最大弯拉应变(εB)、弯曲劲度模量(SB)。

(5)

(6)

(7)

式中：试件跨中断面宽度由b表示;跨中断面高度由h表示;跨径由L表示;试件破坏时最大荷载由PB表示;试件破坏时跨中挠度由d表示。

在试验中,针对标准试件和5 mm宽裂缝试件2种试件,提出测试0、5、15、20、25 ℃不同温度下,小梁试件的弯拉强度、弯拉应变(ε×10-3)及弯拉劲度模量,试验结果如表6所示。

表6 弯曲拉伸试验结果

根据表6可得出以下结果。

3.1 抗弯拉强度方面

裂缝修补后,随着温度的升高,试件的抗弯拉强度仍有所下降,表明即便修补裂缝,但小梁结果内部存在的损坏,仍旧无法完全修复,一定程度上,其抗弯拉强度下降。但对比分析不同温度条件下,修补后的小梁试件和标准试件之间的弯拉强度比,下降幅度较小,整体上来讲,通过环氧改性聚氨酯材料修补后,路面结构的低温抗裂性能仍较好。

3.2 弯拉应变方面

随着温度的升高,2种试件的最大弯拉应变均有所增大。当温度小于5 ℃时,修补后的小梁试件最大弯拉应变具有很小的变化,其原因主要在于低温条件下,沥青混合料和裂缝修补材料的弹性模量基本一致,压力影响下,两者协调变形,说明低温条件下,环氧改性聚氨酯材料修补之后,试件仍具有良好的抗变形能力。

3.3 弯曲劲度模量方面

随着温度的升高,2种试件的弯曲劲度模量均有所下降,但相比标准试件,修补后的5 mm宽裂缝试件弯曲劲度模量均在同温度条件下的标准试件以下,与相关要求相符,即抗弯拉强度与破坏时弯拉应变相关数据,说明在低温状态下,修补后的试件具有良好的抗弯曲开裂性能。

4 结束语

经浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验及弯曲拉伸试验评价分析,沥青路面层裂缝经环氧改性聚氨酯材料修补后,其水稳定性、低温抗裂性能良好,具有良好的施工应用效果,可满足工程施工要求。