基于貝雷級配法的聚氨酯膠結料機場道面修復性能研究

徐華冠

(中國人民解放軍陸軍工程大學 南京 210001)

機場道面是機場飛行區的重要基礎設施,直接承擔民航運營與空軍作戰的各項任務。道面在服役中會遭受高低溫、太陽輻射、水分侵蝕,進而產生老化問題[1]。在長期荷載作用下,道面會出現龜裂、坑槽、輪轍等病害[2]。此外,空軍機場會面臨敵方的突襲,使跑道等關鍵部位產生彈坑[3-4]。這些問題嚴重影響著飛行安全與戰時狀態下戰斗力。因此,如何有效地快速修復機場道面是民航與空軍部隊需要解決的重要問題。

聚氨酯(PU)作為一種膠結材料,近年來廣泛應用于各類修復工程領域。相比于其他聚合物,PU具有輕質、早強、高膨脹性、密封性與耐久性。目前,已經開展了聚氨酯應用于修復工程中的研究。彭全敏等[5]通過對PU發泡填補基層的研究,分析PU可用于基層穩定碎石的填充,但是難以控制發泡速度和時間。吳小龍等[6]將預聚法制備的PU應用在雨天下路面快速養護。馬昭等[7]將單組分濕固化型PU與SMA-13級配結合,分析其固化后力學性能與應用在面層的可行性。此外,已有研究者開展了PU在橋梁伸縮縫、隧道工程中論證性研究[8-9]。目前,針對PU應用在機場道面修復的研究較少。不同于路橋隧道面,機場道面修復還會面臨不停航施工與早期開放問題,其涉及的搶修工程較為復雜。許多研究關注PU混凝土在養護后期性能,而忽略養護初期中強度問題,這是也直接關聯到開放交通時間?，F有研究表明通過貝雷法可以設計有效骨架結構,其可以賦予道面更高的早期強度以快速開放交通[10]。因而,如何選擇適宜的PU及骨架結構,關系到道面修復質量及開放交通快慢。

因此,針對機場道面快速修補的需求,本文選定不同軟硬段含量的PU,分析其成膜特性、力學性能及固化機制。不同于常規級配設計,貝雷級配設計法關注混凝土結構中骨架嵌擠形態;因而,基于貝雷法設計不同骨料分布的聚氨酯瑪蹄脂碎石混凝土結構(PU-SMA),考察其路用性能以確定適用的骨架結構,為后續同類工程應用累積經驗。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 原材料

原材料包括聚氨酯膠結料(PU)、礦料、聚酯纖維。PU主要由二異氰酸酯(MDI)、多元醇、擴鏈劑組成,通過預聚法將MDI與多元醇合成-NCO端聚氨酯聚合體,其為無色液體。將擴鏈劑加入聚合體中交聯固化。其中二異氰酸酯與擴鏈劑形成微相結構中的硬段,而多元醇形成軟段。通過改變軟硬段組分比例,形成4種硬段含量的聚氨酯膠結料,分別為43%,50%,57%,64%。不同硬段含量下PU體系組成見表1。

表1 不同硬段含量下PU體系組成 %

礦料為玄武巖,通過篩分得到9檔礦料粒徑:>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,相應為1～9號。

纖維穩定劑為聚酯纖維,纖維長度為5.8 mm,聚氨酯混合料中聚酯纖維的摻加含量為0.35%。

1.2 貝雷級配設計法

在貝雷法中,將2.36 mm篩孔作為粗細集料的分界點,通常采用最小的骨架空隙體積來確定粗、細集料的最佳摻配比[10]。根據最小間隙率,確定粗集料各檔的最佳摻配比為1號∶2號∶3號∶4號=12∶28∶40∶20,細集料各檔的最佳摻配比為:5號∶6號∶7號∶8號∶9號=33.99∶24.36∶18.37∶13.46∶9.82。按照粗集料的干搗密度,本文選定粗集料設計密度為105%,110%,115%,120%。根據式(1),計算設計密度對應下2.36 mm關鍵控制篩孔的通過率。

(1)

式中:PPCS為PCS篩孔下的通過率,%;PCS為基本控制篩孔,為2.36 mm;P0.075為0.075 mm篩孔下的通過率,%;ρ1為細集料干搗密度,g/cm3;ρ2為粗集料毛體積密度,g/cm3;ρ3為粗集料設計密度,g/cm3。

依據粗細集料最佳摻配比,確定設計級配曲線,見圖1。

圖1 不同設計密度下級配曲線

1.3 聚氨酯膠結料性能表征

按照GB/T 13477.5與GB/T 531.1,采用B法測定25 ℃下PU成膜狀態與成膜后硬度。按照GB/T 2794,采用NDJ-1C旋轉黏度計測定25 ℃下PU的黏度變化。按照GB/T 528,測定PU拉伸強度與斷裂延伸率。通過衰減全反射法(ART-FTIR)測定PU紅外光譜,分析其固化機制。

1.4 聚氨酯混合料性能表征

按照JTG E20,測定不同骨架結構下PU混合料的路用性能指標。其中,測定60 ℃下PU-SMA混合料的馬歇爾穩定度、動穩定度,評定高溫下強度及穩定性。通過三點彎曲試驗測定-10 ℃下PU-SMA的彎曲應變,評定低溫抗變形能力。采用殘留穩定度與劈裂強度比表征PU-SMA的水穩定性。

2 結果與討論

2.1 聚氨酯膠結料力學性能與固化機理研究

2.1.1成膜性能

PU材料的成膜參數結果見表2。

表2 PU的成膜試驗結果

由表2可知,硬段含量的增加會縮短表干時間與實干時間,表明聚氨酯的成膜時間有所減少。此外,當體系中硬段含量從43%增加到64%時,聚氨酯的硬度也從53上漲至69,上漲幅度約為30.19%。這些趨勢表明硬段含量影響著PU的固化進程。

2.1.2黏度

PU材料的黏度參數見表3。

表3 PU的黏度試驗結果

由表3可見,隨著硬段含量增加,PU初始黏度略微下降。較低的黏度有利于PU膠結料浸潤骨料的表面,促進與骨料的充分拌和。對于聚合物膠結料,美國戰略公路研究計劃(SHRP)將3 000 mPa·s以內作為施工可允許時間。硬段含量增加導致可允許施工時間縮短,說明異氰酸酯與擴鏈劑在PU中比例增高會加快固化速度。

2.1.3拉伸力學性能

PU的拉伸力學結果見圖2。

圖2 PU的拉伸強度與斷裂延伸率結果

如圖2所示,硬段含量增加導致PU拉伸強度的上升與斷鏈延伸率的下降。硬段比例的上升導致硬段微相區逐漸豐富,進而引起強度增高。此外,當硬段含量從50%增加到57%時,拉伸強度與延伸率分別變化了+13.61%與-11.72%。而當硬段含量從57%增加到64%時,這2種指標的變化率分別為5.65%與-6.64%。這意味著當硬段含量超過57%后,PU的強度提升有限。

2.1.4化學結構與固化機制

不同硬段含量下PU的紅外光譜結果見圖3。

圖3 PU的紅外光譜結果

由圖3可見,4種PU具有相似的特征官能團吸收峰,主要為─NH、─CO、─CN、─C─O─C基團。在3 540 cm-1與2 270 cm-1附近未觀察到明顯的吸收峰,這說明封端異氰酸酯基團與擴鏈劑中羥基完全反應。這些結果表明,生成的PU是具有典型聚氨酯結構與交聯體系。本文對羰基中重疊吸收峰進行高斯函數曲線擬合,并計算相應子峰的面積,擬合結果見圖4。

圖4 羰基區域內的高斯子峰擬合譜

其中1 732 cm-1子峰、1 713 cm-1子峰、1 690 cm-1子峰分別表征游離、無序氫鍵化、有序氫鍵化羰基。將游離、無序氫、有序氫面積與羰基總面積的比率作為游離、無序、有序相對含量,其中,無序與有序相對含量可表征總氫鍵化程度。游離態與氫鍵態羰基的相對含量結果見表4。由表4可知,隨著硬段含量的增加,游離與無序羰基的相對含量出現下降趨勢,而有序羰基與氫鍵化程度增加。這表明硬軟段之間的CO無序氫鍵化程度減弱,硬段之間的CO有序氫鍵化程度增強。相比于43%硬段含量,57%與64%硬段含量的氫鍵化相對含量分別上漲了10.90%,14.04%。

PU締合氫鍵化程度越高,分子間相互作用增強,進而解釋了硬段增多會促進強度、硬度與成膜速率的上升現象。

表4 游離態與氫鍵態羰基的相對含量結果 %

2.2 聚氨酯混合料路用性能研究

2.2.1強度增長規律

PU-SMA在常溫固化下馬歇爾穩定度結果見圖5。

圖5 PU-SMA的馬歇爾穩定度增長規律

由圖5可見,PU-SMA強度隨著時間的延長而增長,并在24 h后達到最高值。硬段含量的增加導致強度的增加。在0.5 h固化后,硬段含量為55%與64%下強度高于MH/T5010《民用機場瀝青道面設計規范》中要求的6 kN。在養護24 h后PU-SMA強度高于20 kN。此外,在0～4 h早期內,設計密度從105%增長到120%,馬歇爾強度基本先增長后下降。強度增長與更穩定的骨架密實有關;達到某個閾值后,骨架占比過高導致壓實度不足而削弱強度。24 h后,設計密度的提高會導致強度的下降。在規范基礎上設置1.5富余系數作為開放交通的約束條件,即強度應≥9 kN?；诖?43%,50%,57%,64%硬段含量下開放時間分別為>4,4,2,2 h。

2.2.2高溫穩定性能

PU-SMA動穩定度結果見圖6。

圖6 PU-SMA的動穩定度結果

根據圖6,在2 h后,除43%含量外,PU-SMA動穩定度均超過5 000次/mm,確保在開放交通后滿足重交通的通行要求。24 h后,PU-SMA的動穩定大于30 000次/mm,遠超規范要求值,說明了PU-SMA具有優異的抗高溫變形能力,極大降低輪轍產生的風險。設計密度的增長帶來早期動穩定度的短暫提升,卻造成固化后動穩定度的明顯下降。從長遠角度,PU-SMA中設計密度不應低于120%。

2.2.3低溫抗變形能力

PU-SMA彎曲應變結果見圖7。

圖7 PU-SMA的彎曲應變結果

由圖7可知,隨著硬段含量增長,PU-SMA的彎曲應變下降。這主要是因為更多硬段結晶限制了分子鏈的移動。設計密度略微提高PU-SMA低溫變形能力。此外,在-10 ℃下PU-SMA的彎曲應變基本維持在10 000×10-6,遠高于規范要求2 500×10-6。這也說明了即使在不同的硬段含量下,PU-SMA仍然具有優異的抗低溫開裂能力。

2.2.4抗水損性能

PU-SMA的殘留穩定度結果見圖8。圖8顯示PU-SMA的殘留穩定度均高于規范中要求的85%。隨著硬段含量的增加,PU-SMA殘留穩定度上漲。這種提升與更高PU交聯網絡與氫鍵化程度有關。當設計密度從105%增長到120%,PU-SMA的殘留穩定度先增加后下降。這種殘留穩定度的下降主要與骨架結構中細集料填充較低有關。較低細集料填充的松排骨架結構會誘導更多的水分侵入混凝土內部,加大PU與水分的接觸概率。

圖8 PU-SMA的殘留穩定度結果

經歷凍融循環后PU-SMA劈裂強度比結果見圖9。

圖9 PU-SMA的劈裂強度比結果

由圖9可知,凍融循環比水浴浸入更易引起PU-SMA性能的損失。其中,在設計密度為120%下,64%硬段含量下的劈裂強度比含量43%時下降了17.33%。這可能是由于硬度含量的增高降低了PU膠結料的柔韌性;在凍融破壞條件下,這種較低柔韌的PU膠結料無法有效吸收由水凍結引起的體積膨脹力,從而造成不同程度的損傷;而后續高溫水浴的侵蝕加劇了這種負面影響。由于劈裂強度比低于規范中所要求的最低值(80%),在長期運營工況下,64%硬段含量下PU-SMA不建議作為搶修道面材料。

不同時期搶修工作具有不同的特點,其中,緊急戰備時期搶修工程側重于時效性與作戰臨時性;常規日常搶修工程則需要在允許的時間內盡可能提高長期工程質量。綜合上述,基于膠結料與混凝土性能,在日常搶修時期中,建議采用硬段含量為57%、設計密度為115%的PU-SMA混凝土作為搶修混凝土,可施工時間宜控制在32 min以內;此時,修復后的PU-SMA道面路用性能指標均符合原有道面要求,可實現永久性搶修。而緊急戰備時期中,建議采用硬段含量為64%、設計密度為115%的PU-SMA作為搶修混凝土材料,可實現2 h 內的快速修復,達到快速恢復戰備與保障能力的目的,其中,可施工時間宜控制在26 min以內。

3 結論

1) 當硬段含量從43%增加到64%時,PU膠結料的有序化羰基與氫鍵化程度逐漸增大,拉伸強度與硬度逐漸增高,而相應的初始黏度、成膜固化時間與可允許施工時間有所減少。

2) 在相同設計密度下,隨著硬段含量的增加,PU-SMA的馬歇爾穩定度與動穩定度增大,0～4 h早期養護期內的強度增長速度變快,固化后殘留穩定度上漲,固化后低溫彎曲應變與劈裂強度比卻下降。

3) 在相同硬段含量下,當設計密度從105%增長到120%時,早期階段下馬歇爾穩定度與動穩定度基本先增長后下降。在常溫養護24 h后,設計密度的提高會導致PU-SMA相應強度、動穩定度、低溫彎曲應變的下降,而殘留穩定度與劈裂強度比呈現先增加后下降趨勢。

4) 在日常搶修時期中,建議采用硬段含量為57%、設計密度為115%的PU-SMA混凝土;緊急戰備時期中,建議采用硬段含量為64%、設計密度為115%的PU-SMA作為搶修混凝土材料,可實現2 h 內的快速修復。