凍融循環(huán)對(duì)非水反應(yīng)高聚物注漿材料抗壓性能的影響研究

趙含，鐘燕輝，高大鵬，胡鄭壕

（1.吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

非水反應(yīng)高聚物注漿材料具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其抗?jié)B性能良好、粘結(jié)性較強(qiáng)且環(huán)保，廣泛應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)基層松散、強(qiáng)度不足、板底脫空等病害處置工程中[1-3]。對(duì)于季凍區(qū)道路，采用高聚物注漿技術(shù)修復(fù)后，非水反應(yīng)高聚物注漿材料注入無(wú)機(jī)結(jié)合料結(jié)構(gòu)體后不僅承受靜、動(dòng)荷載作用，還會(huì)遭受頻繁的凍融循環(huán)作用，對(duì)注漿材料的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響，這直接關(guān)系到高聚物注漿材料在道路維修中的使用效果。

不同材料在凍融循環(huán)作用下，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的力學(xué)性能變化[4-10]。張眾[11]研究了凍融循環(huán)作用對(duì)材料的影響，對(duì)混凝土材料進(jìn)行了靜、動(dòng)三軸試驗(yàn)；覃麗坤、宋玉普等[12]為研究混凝土材料的破壞準(zhǔn)則進(jìn)行了大量的混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)；邢凱[13]結(jié)合混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)和細(xì)觀CT 掃描，研究了混凝土材料在凍融循環(huán)下的損壞機(jī)理；范玉輝[14]對(duì)再生混凝土結(jié)構(gòu)在凍融環(huán)境下的力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著凍融次數(shù)的增加，試件損壞情況加重；何天欽[15]研究了季凍區(qū)水泥混凝土路面在荷載交通與凍融環(huán)境條件作用下的損傷情況，得出隨著疲勞荷載與凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加，混凝土路面的使用壽命也會(huì)受到較大程度影響。同樣，非水反應(yīng)高聚物注漿材料在季凍區(qū)實(shí)際工程應(yīng)用中的力學(xué)性能不可避免的也會(huì)受到凍融循環(huán)作用影響。本文開(kāi)展了不同密度高聚物注漿材料凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析凍融次數(shù)和材料密度對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果可為高聚物注漿材料在季凍區(qū)的維修應(yīng)用提供參考。

2 非水反應(yīng)高聚物注漿材料凍融循環(huán)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材料為高聚物注漿材料，是一種非水反應(yīng)類(lèi)高分子聚合物，屬于自膨脹聚氨酯類(lèi)，由A、B兩種原材料組成，A 料主要成分為異氰酸酯，B 料主要成分為多元醇、催化劑和發(fā)泡劑等助劑。兩種原材料按1:1混合后發(fā)生化學(xué)聚合反應(yīng)，迅速發(fā)泡固化，其反應(yīng)生成物為硬質(zhì)的發(fā)泡體固體材料。

2.2 試驗(yàn)方案

依據(jù)《硬質(zhì)泡沫塑料 壓縮性能的測(cè)定》（GB/T 8813-2008/ISO844:2004）、《硬質(zhì)泡沫塑料凍融循環(huán)試驗(yàn)方法》（QB/T 5168-2017/ISO 20394:2007）試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將非水反應(yīng)高聚物注漿材料注射成型Φ150mm×150mm 的圓柱試件，共計(jì)60個(gè)，如圖1所示。其中每組包含5 種不同密度的試件，每種密度試件制作3 個(gè)，試件密度分別為0.1g/cm3、0.2g/cm3、0.3g/cm3、0.4g/cm3、0.5g/cm3。其中1組試驗(yàn)條件設(shè)置為自然狀態(tài)，其余3組按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用低溫試驗(yàn)箱和水浴箱進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)（圖2），試件先在室溫（25℃±3℃）環(huán)境中放置6h，然后置于低溫試驗(yàn)箱中，在-20℃的恒溫箱中保持4h，取出試件并移至20℃水浴箱中，繼續(xù)恒溫4h，完成一次凍融循環(huán)周期，按照上述要求進(jìn)行5 次、10 次、15次凍融循環(huán)試驗(yàn)，最后對(duì)4組試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)試其0 次、5 次、10 次、15 次凍融循環(huán)后未干燥試件的抗壓強(qiáng)度。

圖1 試件的制備

圖2 水浴養(yǎng)護(hù)試件

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律

按試驗(yàn)方案對(duì)試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，將3次測(cè)試結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出不同密度試件在不同凍融次數(shù)后的抗壓強(qiáng)度，試件密度、凍融循環(huán)次數(shù)、抗壓強(qiáng)度三者關(guān)系如表1和圖3所示。

表1 凍融循環(huán)次數(shù)及密度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

從圖3、表1 可以看出，當(dāng)試件密度為0.1g/cm3、0.2g/cm3時(shí)，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但降低程度較小。當(dāng)密度從0.3g/cm3增大到0.5g/cm3時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨之增大，增幅為2MPa～9MPa。但經(jīng)過(guò)15 次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度下降了1.8MPa～5.2MPa。整體上，非水反應(yīng)高聚物材料抗壓強(qiáng)度隨密度的增大而增大，但經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用后，抗壓強(qiáng)度都有所下降。原因在于高聚物固結(jié)體內(nèi)部泡孔在凍脹力與孔隙水壓力的作用下會(huì)產(chǎn)生微小裂紋，并在反復(fù)凍融循環(huán)下進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，不同密度的高聚物注漿材料的力學(xué)性能均有所下降。

圖3 凍融循環(huán)作用下不同密度高聚物注漿材料抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)

對(duì)高聚物注漿材料抗壓強(qiáng)度、凍融循環(huán)次數(shù)、試件密度進(jìn)行非線(xiàn)性曲面擬合分析，分析其變化規(guī)律，得到抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)、密度的變化關(guān)系如公式（1），擬合曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 凍融循環(huán)作用下不同密度高聚物注漿材料抗壓強(qiáng)度擬合曲面

式中，fcu為凍融循環(huán)N次后的立方體試塊抗壓強(qiáng)度，MPa;

N為凍融循環(huán)次數(shù)，次；

ρN為凍融循環(huán)N次時(shí)試件的密度，g·cm-3。

材料凍融循環(huán)下的抗壓強(qiáng)度擬合方程式為二次多項(xiàng)式，均方根誤差為0.3067，殘差平方和為4.294，擬合度R2為0.988。

3.2 抗壓損傷度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

材料抗壓強(qiáng)度在凍融循環(huán)次數(shù)不斷增加的情況下，強(qiáng)度值發(fā)生改變，其凍融損傷強(qiáng)度變化也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，根據(jù)公式（2）可計(jì)算試件抗壓損傷度。

式中，Kcu，N為凍融循環(huán)N 次后的試件抗壓強(qiáng)度損傷度;

fcu，N為凍融循環(huán)N次后的試件抗壓強(qiáng)度，MPa;

fcu，0為未經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)的試件抗壓強(qiáng)度，MPa。

高聚物注漿材料試件的抗壓損傷度與密度、凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系分別如圖5和圖6所示?？傮w來(lái)看，抗壓強(qiáng)度損傷度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多而增大。對(duì)比5次、10 次、15 次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度損失變化可知，當(dāng)密度不斷增大時(shí)，抗壓強(qiáng)度損傷度先增大后減小而后又增大，10 次、15次凍融循環(huán)后材料的強(qiáng)度損失較5 次凍融循環(huán)作用更為嚴(yán)重，且低密度高聚物材料的強(qiáng)度損傷程度更大。其中0.3g/cm3密度高聚物材料在凍融循環(huán)為5 次、10 次、15 次時(shí)的損傷度分別為27.4%、29.9%、56.5%，為不同密度試驗(yàn)組試件損傷度變化最大一組，0.4g/cm3密度高聚物材料的凍融循環(huán)為5 次、10次、15 次的損傷度分別為0.80%、10.77%、22.00%，為不同密度試驗(yàn)組試件損傷度最小一組。

圖5 抗壓損傷度與密度的變化關(guān)系

圖6 抗壓損傷度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

總體上看，當(dāng)高聚物注漿材料密度較低時(shí)，其抗壓強(qiáng)度較小，凍融作用對(duì)材料的抗壓特性影響較明顯，材料性能下降，抗壓強(qiáng)度降低。這主要是由于材料本身強(qiáng)度相對(duì)較小，而內(nèi)部泡孔較大，氣泡數(shù)量較多，在凍融循環(huán)的條件下，材料受凍脹力與孔隙水壓力影響產(chǎn)生損傷劣化，凍融循環(huán)次數(shù)增加，破壞程度積累也會(huì)隨之加劇。密度為0.3g/cm3的高聚物注漿材料在15 次凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失超過(guò)50%。相比低密度高聚物材料，凍融循環(huán)作用對(duì)高密度試件的影響降低。這是由于在自然狀態(tài)下，密度增大，固結(jié)體內(nèi)泡孔數(shù)量減少，泡壁變厚，強(qiáng)度較大，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，材料的凍脹力以及孔隙水壓力對(duì)材料的影響有所下降。密度為0.4g/cm3的高聚物材料受凍融循環(huán)作用影響最小。

4 結(jié)語(yǔ)

①非水反應(yīng)高聚物注漿材料抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)和密度呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式回歸關(guān)系。

②非水反應(yīng)高聚物注漿材料抗壓強(qiáng)度隨密度的增大而增大；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，不同密度的高聚物注漿材料抗壓性能均有所下降。

③抗壓強(qiáng)度損傷度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多而升高，隨密度的增長(zhǎng)先增大后減小而后又增大，且低密度高聚物材料的強(qiáng)度損傷程度更大。

④密度為0.4g/cm3的高聚物材料抗壓強(qiáng)度受凍融循環(huán)作用影響最小。