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期刊专利论文

聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

来源:聚氨酯科学前沿2024年07月29日

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   范钟亓 1 *,单浩睿 ,王子晗 ,吕欣芃 2

1. 北京建筑大学 土木与交通工程学院,北京 1000442. 中公高科养护科技股份有限公司,北京 100095

 

                  

                  来源:市政技术

              2024年5月第42卷第5期

 

摘要
 
聚氨酯混合料桥面铺装材料具有优异的综合路用性能,有望解决传统沥青类钢桥面铺装材料在钢桥严苛使用环境下耐久性差、使用寿命短等问题,但目前对与之相匹配的防水粘结层材料的研究还很少。因此,针对 种防水粘结层材料(聚氨酯、环氧树脂)进行剪切疲劳试验,以分析温度和应力对防水粘结层剪切疲劳寿命的影响。研究结果表明:在 -1070 的温度区间内,种防水粘结层的剪切疲劳寿命均呈现缓慢—快速—缓慢下降的趋势。在相同应力比和温度下,聚氨酯防水粘结层的剪切疲劳寿命是环氧树脂防水粘结层的 1.021.40 倍,表明聚氨酯防水粘结层抗剪切破坏能力更强,更适宜作为聚氨酯钢桥面铺装结构的防水粘结层。在不同温度下,种防水粘结层的剪切疲劳寿命均随着应力比的增加而下降,且中温区(1025 )和高温区5070 )剪切疲劳寿命对应力作用的敏感性要显著高于低温区(-10)。

 

关键词

 

聚氨酯;钢桥面铺装;防水粘结层;剪切疲劳寿命                               
 

 

引言
 
在交通基础设施建设中钢桥因具有造型优美自重轻易于装配化施工和便于回收利用等优点世界各国桥梁中得到了广泛应用1] 。钢桥铺装结构的质量与桥面行车的安全性和舒适性密切相关时还影响桥梁体系的使用寿命
 
沥青混合料常被用作传统桥面铺装材料但由于其具有高温易软化低温脆裂等特点在高温重载耦合作用下极易出现开裂推移等早期病害便是性能较优的环氧沥青混凝土铺装层使用寿命也仅 10 年左右远低于桥梁结构设计使用寿命。 醚型聚氨酯混凝土是一种由聚氨酯胶粘剂替代沥青与矿料拌和而成的冷拌冷铺桥面铺装材料其高温稳定性抗滑性能明显优于环氧沥青混凝土低温抗裂性能和疲劳寿命优于浇筑式沥青混凝土抗热氧老化和抗紫外老化能力也远优于 SBS 改性沥青混合料2-3] 。
 
防水粘结层作为桥面铺装结构的重要组成部一旦粘结失效铺装层容易产生推移开裂等病进而严重影响桥梁主体结构的安全。 通过大量调查分析发现铺装层未发生破坏或仅出现轻微病害其与钢板之间的粘结力就已经丧失了极大地缩短了钢桥面铺装结构的使用寿命4-5] 。 聚氨酯混合料作为一种新型铺装材料虽然具有优异的高温稳定低温抗裂性抗热氧老化和抗紫外老化能力2-3] ,但对与其相匹配的防水粘结层材料的研究较少。 有必要选择性能优异的桥面铺装防水粘结层材料与之相匹配以更大程度地延长钢桥面铺装结构的使用寿命
 
此外严峻的外部环境是导致钢桥面铺装结构在使用初期就出现病害的主要原因。 同时现阶段在进行钢桥面铺装设计时往往关注材料的极限强度忽略铺装结构可能产生的疲劳损伤这也是导致钢桥面铺装结构易出现裂缝车辙病害的原因之一6-7] 。因此亟需研究温度应力等外部因素对钢桥面铺装防水粘结层疲劳寿命的影响
 
基于此笔者对聚氨酯类钢桥面铺装结构中的防水粘结层最为关键的剪切疲劳性能进行研究比聚氨酯和环氧树脂 种防水粘结层材料性能析温度应力等外部因素对防水粘结层剪切疲劳寿命的影响规律以选择最适配聚氨酯类钢桥面铺装结构的防水粘结层材料从而延长聚氨酯类桥面铺装结构的使用寿命                                                        
 
1.实验材料

 

进行剪切试验的复合试件由钢板防水粘结层碎石和聚氨酯铺装层组成详细结构见图 1
 

聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

 
1. 1 聚氨酯铺装层
聚氨酯混合料铺装层由聚氨酯胶粘剂集料与填料组成级配为 AC-13 型聚氨酯混合料
 
1. 1. 1 聚氨酯胶粘剂
聚氨酯铺装层选用单组分聚醚型聚氨酯胶粘根据 DB 13/T 28522018聚合物混合料桥面铺装施工技术规范》[8] 对聚氨酯胶粘剂进行检测试验结果见表 1
 

聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

 
1. 1. 2 集料与填料
粗细集料均选用石灰岩矿粉也选用石灰岩制。 根据 JTG F402004公路沥青路面施工技术规范》[9] 对集料和填料进行检测试验结果见表 24试验材料均满足规范要求
 

聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

 
1. 1. 3 矿料级配和配合比设计
选用 AC-13 型聚氨酯混合料作为铺装层进行研究级配曲线见图 2根据JTG/T 3364-022019公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》[10] 和聚氨酯混合料的性能优势选用课题组前期研究的基于性能平衡的配合比设计方法11-12] ,确定胶石比为 6.9%根据 DB 11/T 20082022聚醚型聚氨酯混凝土路面铺装设计与施工技术规范》[13] 验证聚氨酯混合料的路用性能结果见表 5
 

聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

 
1. 2 防水粘结层
为了增加聚氨酯钢桥面铺装结构的剪切疲劳寿命应选用与之适配的防水粘结层材料。 笔者选用聚氨酯和环氧树脂 种材料进行分析
 
1. 2. 1 聚氨酯
该研究中聚氨酯防水粘结层选用与聚氨酯铺装层相同的聚氨酯胶粘剂
 
1. 2. 2 环氧树脂
该研究中第 种防水粘结层选用双组分环氧树脂粘结剂 由 组分与 组分组成两组分质量比为 AB=11。 根据 JTG/T 3364-022019公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》[10] 对其进行检测结果见表 6
 

聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

 
1. 3 层间撒布碎石
为了防止铺装层的施工车辆在防水粘结层上行驶时发生粘轮现象施工时通常在钢桥面防水粘结层上撒布碎石。 该研究中撒布的碎石选用石灰岩粒径为 2.364.75 mm
2.实验方法

 

2. 1 剪切疲劳试验
从已有研究14-17] 中可知常用的层间剪切疲劳性能试验方法有 4分别是直剪疲劳四点剪切疲劳斜剪疲劳和双剪切疲劳试验。 目前研究钢桥面防水粘结层剪切疲劳性能使用最多的是直剪疲劳试验其优点是操作简单可以只让防水粘结层受力进而确保试验结果的精准性。 因此笔者选用直剪疲劳试验进行研究
 
选用 AC-13 型聚氨酯混合料作为铺装层钢板选用直径为 100 mm高度为 40 mm 的 Q235 型圆柱形钢板以剪切强度试验中抗剪强度最大时的因素组合来设计防水粘结层的涂覆量碎石撒布量和养生时间旋转压实成型后的试件直径为 100 mm高度为 90 mm其中聚氨酯混合料铺装层的厚度为 50 mm选用万能材料试验机 UTM-25 中的 Material FatigueTest 程序以频率为 10 Hz 的正弦波和应力控制模式进行剪切疲劳试验
 
2. 2 疲劳试验参数分析
根据课题组前期研究发现聚氨酯防水粘结层涂覆量为 0.6 kg/m2 碎石撒布量为试件面积的 50%生时间为 60 min 其抗剪强度最大为 6.419 MPa环氧树脂防水粘结层涂覆量为 0.5 kg/m2 碎石撒布量为 50%养生时间为 90 min 其抗剪强度最大3.679 MPa。 笔者研究中的防水粘结层涂覆量碎石撒布量和养生时间均按上述条件设置将 种防水粘结层的最大抗剪强度作为加载应力值具体参数见表 7
 

聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

 
3.实验结果分析

3. 1 温度的影响见图 3

由图 可知-1070 的温度区间内种防水粘结层的温度-剪切疲劳寿命曲线变化趋势相同随着温度的增加剪切疲劳寿命均逐渐下降。 -10的温度区间内剪切疲劳寿命下降趋势较缓在 050 的温度区间内剪切疲劳寿命显著下降在 5070 的温度区间内剪切疲劳寿命下降趋势变缓。 其原因可能是高聚物在发生玻璃化转变时模量形变和黏度等物理和力学性质均发生显著变化18-19] ,且聚氨酯在-548.5 的温度区间内发生玻璃化转变当温度大于 8.5 时聚氨酯表现为高弹态此时力学性能下降20] ,所以在 050 的温度区间内聚氨酯防水粘结层剪切疲劳寿命显著下降

 

将该研究结果与文献21进行对比发现剪切疲劳寿命随温度变化的趋势不仅受防水粘结层材料的影响还与铺装层材料有关。 有研究者22-23] 发现对于沥青铺装层环氧树脂防水粘结层的剪切疲劳

 

聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

 

寿命均在-1030 的温度区间内缓慢下降在 3070 的温度区间内急剧下降这与上述研究的变化趋势不同。 其原因是在 3070 的温度区间内温度达到甚至超过沥青铺装层中沥青的软化点导致铺装层与环氧树脂防水粘结层之间的粘结力显著下降因此层间剪切疲劳寿命急剧下降而笔者研究的是聚氨酯混合料铺装层在高温区段5070 ),聚氨酯混合料的高温性能并不会产生太大的变化因此尽管防水粘结层同为环氧树脂但剪切疲劳寿命的变化趋势并不相同

 

3. 2 防水粘结层材料的影响

相同应力比和温度下聚氨酯防水粘结层剪切疲劳寿命与环氧树脂防水粘结层剪切疲劳寿命之比见表 8

 

由表 可知当应力比和温度相同时聚氨酯防水粘结层显著优于环氧树脂防水粘结层其剪切疲劳寿命是环氧树脂防水粘结层的 1.021.40。 其原因是聚氨酯的剪切强度显著高于环氧树脂在相同应力比下聚氨酯的加载剪切疲劳应力要显著高

 

聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

 

于环氧树脂因此加载相同的剪切疲劳应力聚氨酯的剪切疲劳寿命比环氧树脂更高。 由此可见对于聚氨酯混合料钢桥面铺装结构而言聚氨酯更适宜作为其防水粘结层材料

 

3. 3 应力的影响见图 4

 

聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

 

由图 可知不同温度下随着应力比的增加种防水粘结层的剪切疲劳寿命均逐渐下降

 

不同温度下种防水粘结层剪切疲劳寿命下降百分比见图 5

 

聚氨酯钢桥面铺装防水粘结层剪切疲劳性能研究

 

由图 可知-1010 的温度区间内种防水粘结层的剪切疲劳寿命下降百分比均在 6.4%在 2570 的温度区间内种防水粘结层的剪切疲劳寿命下降百分比均在 40%以上该现象说明在中温区1025 和高温区5070 ),种防水粘结层的剪切疲劳寿命对应力作用的敏感性显著高于低温区-10)。 在 1025 的温度区间种防水粘结层的剪切疲劳寿命对应力作用的敏感性均产生了显著变化原因可能是 种材料的玻璃化转变温度处于该温度区间附近但还须进行微观研究给予验证

 

由图 还可知在低温区和中温区环氧树脂防水粘结层的剪切疲劳寿命下降百分比均略高于聚氨酯防水粘结层在高温区聚氨酯防水粘结层的剪切疲劳寿命下降百分比显著高于环氧树脂防水粘结层但其剪切疲劳寿命仍显著高于环氧树脂防水粘结层

4. 结论

 

选用 AC-13 型聚氨酯混合料作为铺装层聚氨酯胶粘剂和环氧树脂粘结剂作为防水粘结层成型钢桥面聚氨酯混合料铺装结构参考沥青混合料的设计要求采用新的设计方法确定了聚氨酯混合料的胶石比研究了温度应力等外部因素对聚氨酯钢桥面铺装结构中防水粘结层的剪切疲劳寿命的影得出以下结论
 
1随着温度的升高种防水粘结层的剪切疲劳寿命均呈现缓慢快速缓慢下降的趋势。 在各个温度区间下聚氨酯防水粘结层的剪切疲劳寿命均是环氧树脂防水粘结层的 倍以上说明聚氨酯不易受温度影响具有更高的剪切疲劳寿命
 
2在相同应力比和温度下聚氨酯防水粘结层剪切疲劳寿命显著高于环氧树脂防水粘结层其剪切疲劳寿命是环氧树脂防水粘结层的 1.021.40由此可见对于聚氨酯混合料钢桥面铺装结构而言聚氨酯更适宜作为其防水粘结层材料
 
3不同温度下种防水粘结层剪切疲劳寿命均随应力比的增加而下降且中温区1025 高温区5070 剪切疲劳寿命对应力作用的敏感性显著高于低温区-10)。对比 种防水粘结层在低温区和中温区环氧树脂防水粘结层的剪切疲劳寿命下降百分比均略高于聚氨酯防水粘结层在高温区聚氨酯防水粘结层的剪切疲劳寿命下降百分比显著高于环氧树脂防水粘结层但其剪切疲劳寿命仍显著高于环氧树脂防水粘结层
 
 
 
为方便阅读,本文移除了脚注。如有需要,请参市政技术2024年5月第42卷第5期 END

 

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