徐華冠

(中國人民解放軍陸軍工程大學(xué) 南京 210001)

機(jī)場道面是機(jī)場飛行區(qū)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,直接承擔(dān)民航運(yùn)營與空軍作戰(zhàn)的各項(xiàng)任務(wù)。道面在服役中會遭受高低溫、太陽輻射、水分侵蝕,進(jìn)而產(chǎn)生老化問題[1]。在長期荷載作用下,道面會出現(xiàn)龜裂、坑槽、輪轍等病害[2]。此外,空軍機(jī)場會面臨敵方的突襲,使跑道等關(guān)鍵部位產(chǎn)生彈坑[3-4]。這些問題嚴(yán)重影響著飛行安全與戰(zhàn)時(shí)狀態(tài)下戰(zhàn)斗力。因此,如何有效地快速修復(fù)機(jī)場道面是民航與空軍部隊(duì)需要解決的重要問題。

聚氨酯(PU)作為一種膠結(jié)材料,近年來廣泛應(yīng)用于各類修復(fù)工程領(lǐng)域。相比于其他聚合物,PU具有輕質(zhì)、早強(qiáng)、高膨脹性、密封性與耐久性。目前,已經(jīng)開展了聚氨酯應(yīng)用于修復(fù)工程中的研究。彭全敏等[5]通過對PU發(fā)泡填補(bǔ)基層的研究,分析PU可用于基層穩(wěn)定碎石的填充,但是難以控制發(fā)泡速度和時(shí)間。吳小龍等[6]將預(yù)聚法制備的PU應(yīng)用在雨天下路面快速養(yǎng)護(hù)。馬昭等[7]將單組分濕固化型PU與SMA-13級配結(jié)合,分析其固化后力學(xué)性能與應(yīng)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(yīng)用在機(jī)場道面修復(fù)的研究較少。不同于路橋隧道面,機(jī)場道面修復(fù)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(fù)雜。許多研究關(guān)注PU混凝土在養(yǎng)護(hù)后期性能,而忽略養(yǎng)護(hù)初期中強(qiáng)度問題,這是也直接關(guān)聯(lián)到開放交通時(shí)間。現(xiàn)有研究表明通過貝雷法可以設(shè)計(jì)有效骨架結(jié)構(gòu),其可以賦予道面更高的早期強(qiáng)度以快速開放交通[10]。因而,如何選擇適宜的PU及骨架結(jié)構(gòu),關(guān)系到道面修復(fù)質(zhì)量及開放交通快慢。

因此,針對機(jī)場道面快速修補(bǔ)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(xué)性能及固化機(jī)制。不同于常規(guī)級配設(shè)計(jì),貝雷級配設(shè)計(jì)法關(guān)注混凝土結(jié)構(gòu)中骨架嵌擠形態(tài);因而,基于貝雷法設(shè)計(jì)不同骨料分布的聚氨酯瑪蹄脂碎石混凝土結(jié)構(gòu)(PU-SMA),考察其路用性能以確定適用的骨架結(jié)構(gòu),為后續(xù)同類工程應(yīng)用累積經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

原材料包括聚氨酯膠結(jié)料(PU)、礦料、聚酯纖維。PU主要由二異氰酸酯(MDI)、多元醇、擴(kuò)鏈劑組成,通過預(yù)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(kuò)鏈劑加入聚合體中交聯(lián)固化。其中二異氰酸酯與擴(kuò)鏈劑形成微相結(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)為1～9號。

纖維穩(wěn)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(shè)計(jì)法

在貝雷法中,將2.36 mm篩孔作為粗細(xì)集料的分界點(diǎn),通常采用最小的骨架空隙體積來確定粗、細(xì)集料的最佳摻配比[10]。根據(jù)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(xì)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(shè)計(jì)密度為105%,110%,115%,120%。根據(jù)式(1),計(jì)算設(shè)計(jì)密度對應(yīng)下2.36 mm關(guān)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(xì)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(shè)計(jì)密度,g/cm3。

依據(jù)粗細(xì)集料最佳摻配比,確定設(shè)計(jì)級配曲線,見圖1。

圖1 不同設(shè)計(jì)密度下級配曲線

1.3 聚氨酯膠結(jié)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(tài)與成膜后硬度。按照GB/T 2794,采用NDJ-1C旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定25 ℃下PU的黏度變化。按照GB/T 528,測定PU拉伸強(qiáng)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(jī)制。

1.4 聚氨酯混合料性能表征

按照J(rèn)TG E20,測定不同骨架結(jié)構(gòu)下PU混合料的路用性能指標(biāo)。其中,測定60 ℃下PU-SMA混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度,評定高溫下強(qiáng)度及穩(wěn)定性。通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測定-10 ℃下PU-SMA的彎曲應(yīng)變,評定低溫抗變形能力。采用殘留穩(wěn)定度與劈裂強(qiáng)度比表征PU-SMA的水穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚氨酯膠結(jié)料力學(xué)性能與固化機(jī)理研究

2.1.1成膜性能

PU材料的成膜參數(shù)結(jié)果見表2。

表2 PU的成膜試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知,硬段含量的增加會縮短表干時(shí)間與實(shí)干時(shí)間,表明聚氨酯的成膜時(shí)間有所減少。此外,當(dāng)體系中硬段含量從43%增加到64%時(shí),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(jìn)程。

2.1.2黏度

PU材料的黏度參數(shù)見表3。

表3 PU的黏度試驗(yàn)結(jié)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(jié)料浸潤骨料的表面,促進(jìn)與骨料的充分拌和。對于聚合物膠結(jié)料,美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)將3 000 mPa·s以內(nèi)作為施工可允許時(shí)間。硬段含量增加導(dǎo)致可允許施工時(shí)間縮短,說明異氰酸酯與擴(kuò)鏈劑在PU中比例增高會加快固化速度。

2.1.3拉伸力學(xué)性能

PU的拉伸力學(xué)結(jié)果見圖2。

圖2 PU的拉伸強(qiáng)度與斷裂延伸率結(jié)果

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

2.1.4化學(xué)結(jié)構(gòu)與固化機(jī)制

不同硬段含量下PU的紅外光譜結(jié)果見圖3。

圖3 PU的紅外光譜結(jié)果

由圖3可見,4種PU具有相似的特征官能團(tuán)吸收峰,主要為─NH、─CO、─CN、─C─O─C基團(tuán)。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(tuán)與擴(kuò)鏈劑中羥基完全反應(yīng)。這些結(jié)果表明,生成的PU是具有典型聚氨酯結(jié)構(gòu)與交聯(lián)體系。本文對羰基中重疊吸收峰進(jìn)行高斯函數(shù)曲線擬合,并計(jì)算相應(yīng)子峰的面積,擬合結(jié)果見圖4。

圖4 羰基區(qū)域內(nèi)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(tài)與氫鍵態(tài)羰基的相對含量結(jié)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(xiàn)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(qiáng)。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(qiáng),進(jìn)而解釋了硬段增多會促進(jìn)強(qiáng)度、硬度與成膜速率的上升現(xiàn)象。

表4 游離態(tài)與氫鍵態(tài)羰基的相對含量結(jié)果 %

2.2 聚氨酯混合料路用性能研究

2.2.1強(qiáng)度增長規(guī)律

PU-SMA在常溫固化下馬歇爾穩(wěn)定度結(jié)果見圖5。

圖5 PU-SMA的馬歇爾穩(wěn)定度增長規(guī)律

由圖5可見,PU-SMA強(qiáng)度隨著時(shí)間的延長而增長,并在24 h后達(dá)到最高值。硬段含量的增加導(dǎo)致強(qiáng)度的增加。在0.5 h固化后,硬段含量為55%與64%下強(qiáng)度高于MH/T5010《民用機(jī)場瀝青道面設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求的6 kN。在養(yǎng)護(hù)24 h后PU-SMA強(qiáng)度高于20 kN。此外,在0～4 h早期內(nèi),設(shè)計(jì)密度從105%增長到120%,馬歇爾強(qiáng)度基本先增長后下降。強(qiáng)度增長與更穩(wěn)定的骨架密實(shí)有關(guān);達(dá)到某個(gè)閾值后,骨架占比過高導(dǎo)致壓實(shí)度不足而削弱強(qiáng)度。24 h后,設(shè)計(jì)密度的提高會導(dǎo)致強(qiáng)度的下降。在規(guī)范基礎(chǔ)上設(shè)置1.5富余系數(shù)作為開放交通的約束條件,即強(qiáng)度應(yīng)≥9 kN。基于此,43%,50%,57%,64%硬段含量下開放時(shí)間分別為>4,4,2,2 h。

2.2.2高溫穩(wěn)定性能

PU-SMA動穩(wěn)定度結(jié)果見圖6。

圖6 PU-SMA的動穩(wěn)定度結(jié)果

根據(jù)圖6,在2 h后,除43%含量外,PU-SMA動穩(wěn)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(wěn)定大于30 000次/mm,遠(yuǎn)超規(guī)范要求值,說明了PU-SMA具有優(yōu)異的抗高溫變形能力,極大降低輪轍產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)密度的增長帶來早期動穩(wěn)定度的短暫提升,卻造成固化后動穩(wěn)定度的明顯下降。從長遠(yuǎn)角度,PU-SMA中設(shè)計(jì)密度不應(yīng)低于120%。

2.2.3低溫抗變形能力

PU-SMA彎曲應(yīng)變結(jié)果見圖7。

圖7 PU-SMA的彎曲應(yīng)變結(jié)果

由圖7可知,隨著硬段含量增長,PU-SMA的彎曲應(yīng)變下降。這主要是因?yàn)楦嘤捕谓Y(jié)晶限制了分子鏈的移動。設(shè)計(jì)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(yīng)變基本維持在10 000×10-6,遠(yuǎn)高于規(guī)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(yōu)異的抗低溫開裂能力。

2.2.4抗水損性能

PU-SMA的殘留穩(wěn)定度結(jié)果見圖8。圖8顯示PU-SMA的殘留穩(wěn)定度均高于規(guī)范中要求的85%。隨著硬段含量的增加,PU-SMA殘留穩(wěn)定度上漲。這種提升與更高PU交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與氫鍵化程度有關(guān)。當(dāng)設(shè)計(jì)密度從105%增長到120%,PU-SMA的殘留穩(wěn)定度先增加后下降。這種殘留穩(wěn)定度的下降主要與骨架結(jié)構(gòu)中細(xì)集料填充較低有關(guān)。較低細(xì)集料填充的松排骨架結(jié)構(gòu)會誘導(dǎo)更多的水分侵入混凝土內(nèi)部,加大PU與水分的接觸概率。

圖8 PU-SMA的殘留穩(wěn)定度結(jié)果

經(jīng)歷凍融循環(huán)后PU-SMA劈裂強(qiáng)度比結(jié)果見圖9。

圖9 PU-SMA的劈裂強(qiáng)度比結(jié)果

由圖9可知,凍融循環(huán)比水浴浸入更易引起PU-SMA性能的損失。其中,在設(shè)計(jì)密度為120%下,64%硬段含量下的劈裂強(qiáng)度比含量43%時(shí)下降了17.33%。這可能是由于硬度含量的增高降低了PU膠結(jié)料的柔韌性;在凍融破壞條件下,這種較低柔韌的PU膠結(jié)料無法有效吸收由水凍結(jié)引起的體積膨脹力,從而造成不同程度的損傷;而后續(xù)高溫水浴的侵蝕加劇了這種負(fù)面影響。由于劈裂強(qiáng)度比低于規(guī)范中所要求的最低值(80%),在長期運(yùn)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(shí)期搶修工作具有不同的特點(diǎn),其中,緊急戰(zhàn)備時(shí)期搶修工程側(cè)重于時(shí)效性與作戰(zhàn)臨時(shí)性;常規(guī)日常搶修工程則需要在允許的時(shí)間內(nèi)盡可能提高長期工程質(zhì)量。綜合上述,基于膠結(jié)料與混凝土性能,在日常搶修時(shí)期中,建議采用硬段含量為57%、設(shè)計(jì)密度為115%的PU-SMA混凝土作為搶修混凝土,可施工時(shí)間宜控制在32 min以內(nèi);此時(shí),修復(fù)后的PU-SMA道面路用性能指標(biāo)均符合原有道面要求,可實(shí)現(xiàn)永久性搶修。而緊急戰(zhàn)備時(shí)期中,建議采用硬段含量為64%、設(shè)計(jì)密度為115%的PU-SMA作為搶修混凝土材料,可實(shí)現(xiàn)2 h 內(nèi)的快速修復(fù),達(dá)到快速恢復(fù)戰(zhàn)備與保障能力的目的,其中,可施工時(shí)間宜控制在26 min以內(nèi)。

3 結(jié)論

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

2) 在相同設(shè)計(jì)密度下,隨著硬段含量的增加,PU-SMA的馬歇爾穩(wěn)定度與動穩(wěn)定度增大,0～4 h早期養(yǎng)護(hù)期內(nèi)的強(qiáng)度增長速度變快,固化后殘留穩(wěn)定度上漲,固化后低溫彎曲應(yīng)變與劈裂強(qiáng)度比卻下降。

3) 在相同硬段含量下,當(dāng)設(shè)計(jì)密度從105%增長到120%時(shí),早期階段下馬歇爾穩(wěn)定度與動穩(wěn)定度基本先增長后下降。在常溫養(yǎng)護(hù)24 h后,設(shè)計(jì)密度的提高會導(dǎo)致PU-SMA相應(yīng)強(qiáng)度、動穩(wěn)定度、低溫彎曲應(yīng)變的下降,而殘留穩(wěn)定度與劈裂強(qiáng)度比呈現(xiàn)先增加后下降趨勢。

4) 在日常搶修時(shí)期中,建議采用硬段含量為57%、設(shè)計(jì)密度為115%的PU-SMA混凝土;緊急戰(zhàn)備時(shí)期中,建議采用硬段含量為64%、設(shè)計(jì)密度為115%的PU-SMA作為搶修混凝土材料,可實(shí)現(xiàn)2 h 內(nèi)的快速修復(fù)。