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影响聚氨酯填缝料耐久性的外界因素研究
寿崇琦, 娄嵩, 尚盼, 刘冰, 刘生元
(济南大学化学化工学院, 山东济南 250022)
聚氨酯填缝料是以聚氨基甲酸酯为主要成分的非定型密封材料。由含有异氰酸酯基的基料和含有活泼氢化合物的硫化剂,以及催化剂、增塑剂、稳定剂、发泡抑制剂和填充料等组成[ 1～3 ] ,属常温硫化型弹性密封胶。其优点是价格具有竞争力,具有高延伸率、高弹性、耐磨、抗撕裂,而且耐油性良好。聚氨酯填缝料最大好处在于可常温施工,不需加热,施工方便。因为分子体积较小,很容易透入水泥混凝土这种多孔性材料中,而且能与吸附在被胶结材料表面上的水分及含水氧化物等发生化学反应,或者在碱性的被粘接物表面上自行聚合,从而提高粘接强度。但由于工作人员对填缝料的施工和养护不当,造成聚氨酯填缝料的性能下降,使用寿命缩短,填缝料破坏后得不到及时处理,切割缝得不到密封保护,地面水渗入混凝土板下的基层中,造成地基承载力降低和强度不均匀,在交通荷载作用下会使混凝土板底脱空;小粒径石块嵌入切割缝,使切割缝失去胀缩性能,造成板面产生拱胀和断裂[ 4, 5 ] 。
1 实验部分
1. 1 实验药品
聚醚多元醇: N220, N330,烟台市伟利达贸易有限公司,工业级;
甲苯二异氰酸酯: TD I – 80,青岛市圣宇化学公司,工业级;
催化剂: 国药集团化学试剂有限公司,化学纯;
交联剂: 国药集团化学试剂有限公司,化学纯;
水解稳定剂: 天津华泰化工有限公司经销,工业级;
增塑剂: 山东齐鲁石化有限公司,工业级;
填料: 山东泰安矿物公司,工业级;
1. 2 实验操作
1. 2. 1 聚醚多元醇的干燥
在装有搅拌器、真空泵、加热装置和温度计的3个烧瓶中,加入一定量的N220,开动搅拌器和真空泵,并将温度升至110 ℃,在- 0. 086MPa左右的真空度下脱水3 h左右,降至室温后贮存备用。用相
同的操作对N330进行干燥。
1. 2. 2 聚氨酯预聚体的合成
在装有搅拌器、回流冷凝管、恒压滴液漏斗和氮气进口的500 mL 4 个瓶中,加入计量好的N220、N330,通入氮气排除反应装置中的空气及水分(采用静氮法) ,加热至所需温度,滴加计量好的和TD I—80, 0. 5 h 滴加完毕,反应0. 5 h 后每隔一定时间(015～1 h)测一次异氰酸基含量,待达到异氰酸基理论含量时停止加热,降温后储存备用。
1. 2. 3 乙组分的制备
将聚醚多元醇、催化剂、交联剂、水解稳定剂、增塑剂、填料等在一定的温度条件下混合,然后用高速搅拌机充分的搅拌分散,再用三辊研磨机反复研磨。将分散好的乙组分倒入带有搅拌装置的3个瓶中,升温至90 ℃左右,在- 0. 086MPa左右的真空度下脱水2～3 h,然后倒入塑料容器或铁制容器中密闭储存。
1. 3 性能测试
1. 3. 1 测试试样的制备
①粘结性能测试试样的制备[ 6 ] 。
用符合GB 175 规定的42. 5 号普通硅酸盐水泥、砂和蒸馏水按重量比1∶2∶0. 4配成砂浆,灌入标准的“8”字型金属模具中,捣实抹平, 24 h后脱模。将“8”字砂浆块一分为二,在水中养护28 d,烘干备用。清除水泥砂浆块上的浮砂;每两个半“8”字砂浆块为一组,对接两个半“8”字砂浆块,使中间留有8 mm的空隙,用挡板密封两侧,中间空隙处灌装填缝料,分多次填充,每次填充相隔12 h,注意排除气泡,最后一次用刮刀刮平,制成如图1所示的粘接性能测试试件,在标准状态下养护28 d。
②剪切性能测试试样的制备。
用符合GB 175 规定的42. 5 号普通硅酸盐水泥、砂和蒸馏水按重量比1∶2∶0. 4配成砂浆,灌入标准的长条“8”字型金属模具中,捣实抹平, 24 h后脱模。将“长条”字砂浆块一分为二, 在水中养护28 d,烘干备用。清除水泥砂浆块上的浮砂,每两个半“长条8”字砂浆块为一组,反向重叠两个半“长条8”字砂浆块,使中间留有8 mm的空隙,用挡板密封两侧,中间空隙处灌装填缝料,分多次填充,每次填充相隔12 h,注意排除气泡,最后一次用刮刀刮平, 24 h后脱模,在标准状态下养护28 d,得到如图2所示的测试模块。
1. 3. 2 试验操作
用游标卡尺测出填缝料3个不同点的厚度及长度,分别取其算术平均值,试验前先将两个“8”字形金属模具置于拉伸试验机的夹具中,然后将测试试件保持原状置于“8”字形金属模具中,然后启动拉
伸试验机以5 mm /min 的速度拉伸至试件拉断为止,记下实验数据。
2 实验结果与分析
2. 1 界面状况及含水量对填缝料性能的影响
由于缩缝在施工完成几小时内切缝,每天铺筑路段远小于填缝料的施工进度,在灌缝之前缝内有较多沙子等杂物、浮尘,如果不对切割缝进行清理将影响聚氨酯填缝料的粘结性[ 7 ] 。对不同表面状态
的水泥砂浆块进行灌封处理,制备测试试样,考察界面状态对填缝料性能的影响。测试结果见表1。
由表1可见,填缝料对未作表面处理的基材的粘接性能和剪切性很差,这是由于未作表面处理的基材表面附有灰尘,影响了填缝料和基材之间的接触;经过打磨处理后,基材表面的不平整度增大,增大了填缝料与基材之间的接触,粘接性能和剪切性能得到了提高;表面涂底涂剂后,底涂剂起到了有效的桥接效果,填缝料的粘接性能和剪切性能均得到了提高。如果不对切割缝进行及时的密封处理,公路开放后车辆行驶会给切割缝、路面造成破坏,所以在路面施工过程中就应对铺筑好的路段进行灌缝处理,但如果路面没有得到充分的干燥,在界面处会含有一定的水分,影响聚氨酯填缝料的粘结效果。将养护好的水泥粘结块放在25 ℃的蒸馏水中浸泡24 h后取出,在室温下凉置不同时间进行灌缝,制备测试试样,测试结果见图3、图4。
由图3、图4可见,随着含水量的增大,聚氨酯填缝料的粘结性能和剪切性能逐渐降低,这是因为聚氨酯填缝料中的异氰酸基与界面上的水发生反应放出气体,由于填缝料的粘度较大,气体不易挥发,
在粘结界面产生大量的气泡(见图5) ,导致填缝料受应力时界面处产生应力集中而容易破坏。可见界面含有水分将使聚氨酯填缝料的性能降低,所以切割缝必须在界面得到充分干燥后进行灌缝施工,否则会造成聚氨酯填缝料测性能下降,粘结降低,缩短填缝料的使用寿命。
2. 2 形状系数对填缝料性能的影响
填缝料深宽比是决定其在路面面板低温产生收缩时受力状态的主要参数,窄而深的填缝料较宽而浅的填缝料受力更不利。如图6所示,当填缝料受力拉伸时表面的变形量大于中部的变形量。
而且深
宽比愈大,两者之间的差距愈大。根据弹性力学理论,与接缝宽度相比,板长可视为无限,填缝料的拉伸可处理为平面应变问题,接缝槽壁的混凝土弹性模量远大于填缝料的有限模量。将槽壁视为刚性体,填缝料与槽壁接触角点处总有应力集中现象,填缝料的结构应力采用大应变有限元法计算。最大应力σ1 由公式(1)确定:
由式(1)可见ε和μ确定后, 系数f (H /L, ε,μ)与深宽比有密切的关系。试验制备了不同深宽比的测试试件,并对试件进行性能测试,测试数据见图7、图8。由图7、图8可见,随着深宽比的增大,填缝料
的粘结强度和剪切强度先增大后减小;最大伸长率逐渐减小。这是由于随着深宽比的增大,填缝料与槽壁接触角点处的应力增大,但由于填缝料对基材有良好的粘接,随着粘接面积的增大填缝料的粘接更加牢固,粘接强度和剪切强度增大;随着深宽比的进一步增大,填缝料与槽壁接触角点处的应力集中加剧,使粘接强度和剪切强度降低。综合分析,聚氨酯填缝料的深宽比应控制在2～3之间,此时填缝料的粘结性能和剪切性能均较佳。
2. 3 温度对填缝料性能的影响
我国地域广阔,南北气温差别很大,同时季节的变化也造成温度的变化,填缝料对温度差异的适应性也是评价填缝料性能的一个重要因素。试验制备了不同实验温度的测试试件,并对试件进行性能测
试,测试数据见图9、图10。由图9、图10可见,几种填缝料的拉伸强度均随着温度的升高而降低,最大拉伸率均随着温度的升高而升高,而几种填缝料的剪切强度均降低,最大拉伸率均增大,这是由于: 温度升高,分子热运动能量增加,聚合物分子间作用力降低,内聚能减小,填缝料与基材表面所形成的范德华力减小,同时破坏粘接所需的能量减小,所以剪切强度减小,拉伸强度降低;而分子热运动能量增加,内旋转变易,柔顺性增加,拉伸时的最大拉伸率增大。
2. 4 施工建议
以往人们忽视了水泥路面接缝施工的重要性,致使由于接缝达不到设计年限,水泥混凝土路面时常出现面板横向裂缝、错台等病害,因此,水泥路面填缝料的施工是路面建设的重要环节,道路工作者
应加强对填缝料施工的重视。根据美国SHRP研究的成果( SHRP— H— 3491)推出的美国联邦公路署( FHWA— RD— 99— 146)《水泥混凝土路面填缝材料的施工手册》规范了水泥混凝
土路面缝的几个部分构造名称,明确了路面施工的结构。水泥混凝土路面接缝的横断面见图11。
背衬垫条,也称嵌缝材料,它是先于填缝料置于水泥混凝土路面接缝中的,它用来防止填缝料沉于缝底,一是可以节省材料,二是避免填缝料随意流动,能更好地与缝壁粘接。如果背衬垫条选择和安装合适,它还可以保持填缝料的厚度。因此嵌缝材料必须柔软、可压缩、不收缩、不易反应和不吸水。而水泥路面接缝的界面状态是影响填缝料耐久性的另一个重要因素。施工时界面必须清理干净,可以通过********将接缝中的尘土、沙粒去除,或是通过高压水枪冲洗再利用鼓风机将其吹干,然后在接缝处界面涂一层底涂剂,例如: 硅烷偶联剂、环氧胶粘剂等。之后在对路面进行填缝料的灌缝施工,这样可以充分发挥填缝料自身的性能,达到填缝料保护及延长路面使用寿命的作用。
3 结论
①界面状态对聚氨酯填缝料的性能有很大影响。如果界面上有灰尘等杂质会降低填缝料的粘结性,必须对界面进行清缝处理,在界面上涂一层底涂剂能进一步提高填缝料的粘结性;
②界面含水将使聚氨酯填缝料的性能有较大降低,所以灌缝施工必须待界面充分干燥后;
③形状系数是影响填缝料性能的重要因素,深宽比愈大,填缝料与槽壁接触角点出的应力集中越明显,填缝料受应力伸长时越易破坏,聚氨酯填缝料的深宽比应控制在2～3之间。
④环境温度对填缝料的耐久性有很大影响。随着温度的降低,填缝料拉伸强度和剪切强度均增大,但拉伸率下降,填缝料的形变能力变差,容易损坏。
