1、聚氨酯裂缝修补材料 Pucs 路用性能研 究 伍杰 李汝凯 陈飞 徐周聪 招商局重庆交通科研设计院有限公司 山区道路工程 与防灾减灾技术国家地方联合工程实验室 摘 要： 介绍一种新型双组份发泡型聚氨酯材料 Pucs, 其主要用于路面裂缝修补。将该 材料与2种常用裂缝修补材料进行对比, 研究其粘结性能、抗水损害性能、高温 性能和耐老化性能等路用性能。结果表明:Pucs 材料具有比常规裂缝修补材料更 好的路用性能, 是一种性能优异的路面裂缝修补新材料, 值得在裂缝修补领域 广泛应用和推广。 关键词： 裂缝修补; 聚氨酯; 发泡材料; 路用性能; 作者简介：伍杰 (1987-) , 男, 重庆市人,
2、 博士, 工程师。 基金：重庆市社会民生科技创新专项项目 (cstc2015shmszx30010) Study on Road Performance of Polyurethane Crack Repair Material Pucs WU Jie LI Rukai CHEN Fei XU Zhoucong Abstract： This paper introduces a new type of two-component polyurethane foam material, Pucs, which is mainly used for pavement crack repair.Th
3、is material is compared with two commonly used crack repair materials to study the bonding properties, water damage resistance, high temperature performance and aging performance and other road performance.The results show that: Pucs material has better road performance than conventional crack repai
4、r materials, it is a good performance pavement crack repair materials worthy of widespread application and promotion in the field of crack repair. Keyword： Crack repair; polyurethane; foam material; pavement performance; 裂缝是沥青路面最常见的病害之一, 若不尽早防治, 则路面雨水、固体颗粒、有 害杂质等污染物会沿着裂缝进入面层和基层, 在行车荷载的反复作用下, 其可 能会进一
5、步延伸、扩大并导致其他危害, 比如可能引起唧泥、脱空等现象, 严重 的还会导致沥青路面出现破碎、 坑槽等病害, 严重影响行车舒适性和道路使用寿 命1-3。 美国SHRP 计划指出, 若能及时修补路面裂缝, 则可将沥青路面寿命延 长1020 年, 并节约 50%以上的维修养护费用。因此, 为了提升路面质量, 延长 道路寿命, 路面裂缝必须得到及时处治。 目前, 对于裂缝的处治, 主要是通过灌缝和表面填缝工艺进行修补, 裂缝修补 材料主要有普通沥青、改性沥青、纤维沥青、乳化沥青、橡胶沥青密封胶、有机 硅嵌缝胶、 砂粒式热拌沥青混合料等, 但这些材料普遍存在与原路面裂缝粘结强 度不足的缺点, 或因弹
6、韧性较差, 与原路面协调变形不一致, 从而导致修补后 容易发生再次开裂而失效4。由此可知, 传统裂缝修补材料并不能从根本上解 决现有的路面裂缝问题, 高性能新型裂缝修补材料亟待开发。 近年来, 以聚合物 注浆技术为代表的高分子材料作为一种新兴的裂缝修补材料正逐渐引起大家的 关注, 如环氧树脂类胶粘剂、改性聚氨酯材料、聚氨酯/环氧树脂互穿网络聚合 物等5-7, 研究显示这些材料都具有较好的路面裂缝修补功效。鉴于笔者团队 在聚氨酯路用材料研究方面的经验积累8-9, 以及在聚合物裂缝修补材料方面 的研究基础10, 本文选择一种双组份发泡型聚氨酯材料 Pucs作为裂缝修补材 料, 并将其与常规沥青路面
7、裂缝修补材料进行对比研究, 以评价其粘结性能、 抗 水损害性能、 高温性能和耐老化性能等路用性能, 并考察其作为裂缝修补材料的 应用前景。 1 Pucs 原材料 为了研究Pucs材料的性能, 进行了拉拔试验、冻融劈裂试验等。本次试验采用 无溶剂双组份聚氨酯作为裂缝修补材料, 其是一种化学反应型发泡聚氨酯材料 10, 其反应前后的各项技术指标如表 1和表 2所示。A组份为聚醚多元醇混合 体, 是一种淡黄色透明液体;B组份为异氰酸酯混合体, 是一种棕色液体, 需保 存在避光的干燥环境中。该材料具有环境友好、无毒无害的特点, 且操作简单, 使用时只需将A、B 两组份以11的体积比混合, 同时加入A组
8、份体积比 2%的 水作为泡沫引发剂, 充分搅拌混和后便可自然固化成形, 且整个施工过程都在 常温条件下进行, 无需加热, 因此十分低碳节能。 为了进行对比研究, 本文还选取了常用的SBS改性沥青和70号基质沥青作为对照组裂缝修补材料来评价Pucs 材料的路用性能。 表1 双组份聚氨酯胶凝材料物理指标 下载原表 表2 发泡聚氨酯化学反应参数及主要性能指标 下载原表 2 试验方法 2.1 试验准备 本文主要通过裂缝修补试件的路用性能评价来考察 Pucs材料的性能, 所用试件 均为沥青混合料试件, 试件采用的级配为AC-13型级配。将车辙板分别切割成 5 cm5 cm5 cm的正方体试件和 5 cm
9、5cm10 cm 的长方体试件来进行拉拔试 验, 粘结面积 S以较小的正方体试件为准进行计算 (S=25cm) 。 制备好的拉拔试 验试件如图1所示。此外, 将马歇尔试件表面切割成深约 15 mm, 宽约 5 mm的 裂缝进行路面裂缝模拟, 在裂缝中填充各种修补料后便可进行相关性能测试。 切 割后的试件如图2所示。 图1 拉拔试验试件 下载原图 图2 路面裂缝模拟 下载原图 2.2 材料性能 目前市面上使用较多的裂缝修补料是聚合物改性沥青, 在低温地区也有使用基 质沥青作为路面裂缝修补材料的案例, 因此本文选取 SBS改性沥青和 70号基质 沥青作为对照组, 以对比研究 Pucs材料的性能。本
10、文主要开展了如下几个方面 的试验:1) 通过拉拔试验研究 Pucs材料与裂缝界面的粘结能力, 考察其是否具 备用作裂缝修补材料的性能;2) 通过冻融劈裂试验研究 Pucs材料的抗水损害性 能;3) 通过高温拉拔试验研究 Pucs材料的高温稳定性;4) 通过紫外线老化试验 研究Pucs 材料的抗老化能力, 并通过测试试件老化前后的马歇尔稳定度来评价 Pucs材料的耐候性。每组试验测试 3个平行数据, 取平均值进行结果分析。 2.2.1 粘结性能 按照交通部颁发的公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南附录 E中描述的 粘结强度试验方法对 Pucs材料的粘结性能进行测试, 粘结强度试验装置如图 3 所
11、示。 图3 粘结强度试验装置 下载原图 2.2.2 抗水损害性能 根据JTG E202011公路工程沥青及沥青混合料试验规程中 T07292000沥 青混合料冻融劈裂试验方法进行试验, 但冻融循环条件改变为:先在-18冷冻 室保持12 h, 然后在 60恒温水槽中保温12 h, 且每个试件冻融循环 2次, 其 余操作参照T07292000进行, 最后通过试件的冻融劈裂抗拉强度比来评价材 料的抗水损害性能。 2.2.3 高温性能 主要通过测试高温条件下试件的粘结性能来评价材料的高温性能, 因此试验方 法和本文2.2.1节中的粘结强度试验方法基本相同, 只是将测试温度提升为 60。 2.2.4 耐
12、老化性能 采用紫外老化箱来模拟自然光照射下材料的老化过程。老化条件如下:UVA-340 灯管连续光照90h, 辐照度为20 w/m, 试验温度为 50, 照射距离为 400 mm。 试验时, 根据JTG E202011公路工程沥青及沥青混合料试验规程中 T07092011沥青混合料马歇尔稳定度试验方法进行测试, 分别测试未老化和 老化后试件的马歇尔稳定度, 并通过分析试件老化前后的稳定度下降百分比来 评价材料的耐老化性。 3 试验结果与分析 3.1 粘结性能 考察一种材料能否用作裂缝修补材料, 首先需考察该材料能否与原裂缝界面牢 固粘结, 否则会因粘结界面的剥离而导致修补失效。 因此, 在进行
13、其他路用性能 验证试验前, 首先进行拉拔试验以测试材料粘结性能。 利用图 3所示装置进行室 内拉拔试验, 先在 5 cm5 cm5 cm的正方体试件底面均匀涂抹 Pucs 材料, 然 后将其与5 cm5 cm10 cm 的长方体试件中部粘结成形, 待室温固化 8 h后进行性能测试。对照组的沥青试件也按此方法成形, 所有试件的粘结剂用量均为 4 g。试验测得各组试件 25条件下的粘结强度结果如表 3和图4所示。 表3 25条件下各种修补材料的粘结强度试验结果 下载原表 图4 常温条件下粘结强度测试结果及拉拔断裂面 下载原图 分析表3和图4 (a) 的粘结强度试验结果可知, 3种裂缝修补材料中,
14、Pucs材 料的粘结强度最高, 其粘结强度比SBS沥青和 70号基质沥青2种常规裂缝修补 材料高2倍以上。从图 4 (b) 可以看出, 拉拔试验后, Pucs材料试件的断裂部 分发生在粘结材料自身而不是 Pucs材料与沥青混凝土接触界面的整体剥离, 从 而充分说明Pucs材料与沥青混凝土界面具有非常优异的粘结性能, 也证明了 Pucs材料完全具备用作沥青路面裂缝修补材料的能力。 3.2 抗水损害性能 水损害是引起沥青路面早期病害最常见也是最严重的一种病害, 因此, 一种材 料的抗水损害性能直接影响该材料的应用前景。本文通过冻融劈裂试验来评价 Pucs材料的抗水损害性能。将图 2的裂缝模拟试件分
15、别用不同的修补料填平后 再进行试验, 分别测试修补试件冻融循环前后的劈裂抗拉强度, 并计算其冻融 劈裂抗拉强度比。不同材料修补裂缝后的试件如图 5所示, 试验测试结果如表 4 和图6 所示。 图5 不同材料修补裂缝后的试件 下载原图 表4 冻融劈裂试验测试结果 下载原表 图6 冻融劈裂试验测试结果 下载原图 分析表4和图6的冻融劈裂试验测试结果可知, 3种裂缝修补试件冻融循环前后 的劈裂抗拉强度顺序均为Pucs材料SBS沥青70号沥青, 说明Pucs材料试件在 水损害前后都表现出了最好的结构强度。 结合冻融劈裂抗拉强度比 (TRS) 可知, 经2次冻融循环后, Pucs 材料修补试件的劈裂抗拉
16、强度几乎没有变化 (TRS=99%) , SBS改性沥青修补试件的劈裂抗拉强度略有下降 (TRS=95%) , 而 70号基质沥青修补试件则表现出明显的劈裂抗拉强度降低 (TRS=90%) , 说明 Pucs材料具有良好的抗水损害性能, 且比常规沥青类裂缝修补材料的抗水损害 性能更好。 3.3 高温性能 沥青是一种无定型非晶态聚合物, 其流动性会随着温度的升高而增大, 因此常 规沥青类裂缝修补材料在高温条件下容易因软化而导致材料粘结性能下降, 致 使修补失效。为验证 Pucs裂缝修补材料在高温条件下是否也存在这样的缺陷, 对Pucs 材料进行了高温拉拔试验以考察其高温性能。试件制作和测试装置与
17、常 温拉拔试验相同, 测试温度提升为 60, 然后通过高温条件下材料粘结强度下 降百分比来评价材料的高温性能。 60条件下不同修补材料的粘结强度试验结果 如表5 和图 7所示。 分析表5和图7的粘结强度试验结果可知, 在60高温条件下, Pucs 材料的粘 结强度仍然是3种裂缝修补材料中最高的。 对比分析表3和表5的数据可知, Pucs 材料在60条件下的粘结强度仍然比SBS沥青在常温条件下的粘结强度高, 表 现出良好的粘结性能和高温性能;随着温度升高, 3种裂缝修补料的粘结强度都 呈下降趋势, Pucs材料、SBS沥青、70号沥青的粘结强度分别下降了 30%、40%、 45%, 其中 Puc
18、s材料的下降幅度最小, 也就是说 Pucs材料的高温性能比常规的 沥青类裂缝修补材料要好。因为 Pucs材料是一种通过化学反应而形成的聚氨酯 类高分子材料, 材料内部通过化学共价键和氢键等超分子作用力的多重作用将 各个支链固定在一起, 材料自身的内聚力强, 因此在高温条件下不易因软化而 导致粘结强度快速下降, 从而表现出更好的高温性能。 表5 60条件下不同修补材料的粘结强度试验结果 下载原表 图7 高温条件下不同粘结材料的粘结强度试验结果 下载原图 3.4 耐老化性能 太阳光照射是引起沥青路面耐久性下降的重要因素之一, 其中紫外线对材料的 耐久性影响最大, 因此进行了紫外箱老化试验来模拟光照
19、老化过程, 以评价材 料的耐老化性能。 试验时, 先将不同材料修补后的马歇尔试件在设定条件下进行 紫外线照射老化, 然后测试其马歇尔稳定度, 试验测试结果如表6和图 8所示。 表6 不同修补材料的耐老化性能试验结果 下载原表 图8 不同修补材料的耐老化性能试验结果 下载原图 从表6和图8可知, 经紫外线照射老化后, 试件的马歇尔稳定度都有所下降, 在 一定程度上都被紫外线老化, 其中Pucs材料修补试件的马歇尔稳定度最高, 即 使是光照老化后的 Pucs试件也比未老化的沥青修补试件稳定度高。对比试件老 化前后的马歇尔稳定度数据可以发现, 在同样的老化条件下, 3种材料的稳定度 降低幅度顺序依次
20、是 Pucs材料SBS沥青70 号沥青。 这些结果表明 Pucs材料是 比沥青更好的裂缝修补材料, 具有更好的耐老化性能。由于 Pucs材料是一种人 工合成材料, 在Pucs 材料A组份原料中加入紫外线吸收剂, 可以有效吸收部分 紫外光, 从而起到延缓老化的作用。因此 Pucs 材料具有较好的耐老化性能, 这 些试验结果也体现了人工合成材料在性能方面的多变性和可调控性。 4 结论 本文介绍了一种基于发泡聚氨酯的新型Pucs 裂缝修补材料, 其是在室温条件下 由聚醚多元醇组份和异氰酸酯组份现场拌和反应形成。结合 SBS沥青和 70号基 质沥青2种常见的裂缝修补材料, 从粘结强度、抗水损害性能、高
21、温稳定性和耐 老化性能几个方面对 Pucs材料的路用性能进行了评价, 并得到如下结论: 1) 在规定的试验条件下, Pucs 材料比常规裂缝修补材料表现出更好的粘结性 能、抗水损害性能、高温稳定性和耐老化性能, 是一种综合性能优异的新型聚合 物裂缝快速修补材料。 2) Pucs材料通过化学反应固化成型, 其固化时间短, 可用于裂缝的快速修补, 且根据不同的环境温度, 26 h 内便可开放交通, 大大缩短了占道修复时间。 3) 与常规加热型沥青类裂缝修补材料相比, Pucs 材料具有安全环保、 低碳节能、 无毒无害等优点, 且制备简单、操作方便, 市场应用前景广阔。 4) 聚合物裂缝快速修补材料
22、是未来路面裂缝处治领域的一大研究趋势, 期待更 多、性能更好的裂缝修补材料得到发掘, 以从根本上解决路面裂缝病害。 参考文献 1杨冬韵.高聚物注浆在高速公路沥青路面内部病害快速修复中的应用研究D. 武汉:武汉工程大学, 2015. 2刘桦, 尹如军, 王国安.公路裂缝处理技术及设备J.建筑机械与施工机械 化, 2004 (3) :25-31. 3赖明利.高性能沥青路面灌缝材料的制备与性能研究D.长春:吉林大学, 2016. 4K L SMITH, A R ROMINE.Materials and Procedures for Sealing and Filling Cracks in Asph
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