刘 攀 刘 洋 张 征 肖 丽

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司 重庆 401336； 2.重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

桥梁伸缩缝是桥梁的重要附属构件，主要作用是为了满足桥面变形，并保证桥面平顺、行车舒适[1-2]。然而，由于桥梁伸缩缝长期暴露在大气中，使用环境比较恶劣，是桥梁结构中最易遭到破坏而又难以修补的部位，降低了整个桥梁的使用寿命。并且由于其数量大、破坏周期短、不容易更换，更换时需要中断交通等特点，已成为高速公路管理部门最为头痛的桥梁养护工作内容[3]。

针对小位移量桥梁，一般采用型钢伸缩缝，但其安装工艺复杂，行车舒适性差，会引起跳车等安全隐患，且耐久性差。为解决以上问题，市场上出现了无缝伸缩缝[4-6]。用于无缝伸缩缝的材料必须具备优良的变形能力、高低温性能、耐久性、施工可操作性等。当前，无缝伸缩缝主要采用弹塑体改性沥青作为胶结料，然而这种伸缩缝的高温性能、疲劳性能及回弹性均难以令人满意，在使用过程中容易出现车辙、开裂、剥离等病害，耐久性差，使用寿命短。因此，迫切需要开发一种新型伸缩缝材料，以更好满足高温重载、极端气候对伸缩缝材料路用性能提出的要求。

聚氨酯弹性混凝土不同于普通的弹性混凝土，它是由双组份反应性聚氨酯弹性体配以适量的集料在常温下搅拌而成[7]。完全固化前具有良好的流动性，能自流平成型，无需碾压即能达到规定的密实度、平整度及最终强度，不会出现因为压实不足而产生的缺陷和病害。聚氨酯弹性混凝土空隙率接近零，具有良好的防水、耐化学腐蚀性能，变形能力强，抗冲击性能、耐久性、抗低温开裂能力优异[8-10]。在此，本文针对自主研发的高性能聚氨酯弹性混凝土，对其使用性能进行分析，并同步对比同类聚氨酯弹性混凝土。

1 试验部分

1.1 聚氨酯胶结料

聚氨酯弹性混凝土的关键材料是聚氨酯胶结料[11-12]。为了保证混凝土顺利施工。聚氨酯胶结料两组分混合后即发生交联反应，当超过凝胶时间后，聚氨酯胶结料会失去流动性。考察温度对聚氨酯胶结料凝胶时间的影响，试验结果见表1。

表1 聚氨酯胶结料的凝胶时间

由表1可见，随着温度升高，聚氨酯胶结料的凝胶时间逐渐变短。同一温度下，高性能聚氨酯胶结料比进口聚氨酯胶结料和国产聚氨酯胶结料的凝胶时间更长，具有更长的施工可操作时间。在常温条件下，高性能聚氨酯胶结料的凝胶时间可达30 min以上，完全能满足施工的需要。

3种聚氨酯胶结料主要性能指标见表2。

由表2可见，高性能聚氨酯弹性体具有较为优异的综合性能，基本达到进口材料的技术标准。

1.2 集料

聚氨酯弹性混凝土所用集料为0～3 mm玄武岩集料和石灰岩矿粉，其基本技术指标检测结果见表3和表4。水分对聚氨酯弹性混凝土的性能影响很大，因此必须保证矿料干燥。在确定聚氨酯弹性混凝土的矿料级配和油石比时，采用高性能聚氨酯胶结料作为研究对象。

表3 0～3 mm玄武岩集料的基本技术指标

表4 矿粉的基本技术指标

1.3 级配确定

在油石比为23%的条件下，常温拌和5 min，考察0～3 mm集料与矿粉的质量比对聚氨酯弹性混凝土性能的影响，试验结果见表5。

表5 矿料级配对聚氨酯弹性混凝土性能的影响

由表5可见，矿料级配能影响聚氨酯弹性混凝土的施工和易性和抗压强度。当矿粉含量较低时，混凝土容易离析，且骨料之间的空隙率较大，影响混凝土的耐久性；而当矿粉含量较高时，混凝土施工和易性降低，同时骨料不能形成有效的嵌挤结构，影响混凝土的力学性能。综合考虑，确定矿料级配为0～3 mm集料∶矿粉=70∶30。

1.4 油石比确定

在0～3 mm集料∶矿粉=70∶30的条件下，常温拌和5 min，考察不同油石比对聚氨酯弹性混凝土性能的影响，试验结果见表6。

表6 油石比对聚氨酯弹性混凝土性能的影响

由表6可见，随着油石比的增加，聚氨酯弹性混凝土的施工和易性逐渐变好，抗压强度则是先增大后减小。当油石比低于20%时，混凝土成型较为困难，施工和易性较差，且抗压强度较低；当油石比高于23%时，混凝土施工和易性良好，但抗压强度有所降低；当油石比进一步增加时，混凝土可能发生离析。同时考虑到经济性，确定聚氨酯弹性混凝土的油石比为23%。

2 结果讨论与应用

2.1 力学性能

参照水泥混凝土评价方法，成型聚氨酯弹性混凝土抗压强度试件，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，对比3种聚氨酯弹性混凝土的力学性能，试验结果见表7。

表7 聚氨酯弹性混凝土抗压强度试验结果 MPa

由表7可见，3种聚氨酯弹性混凝土的抗压强度均大于15 MPa。聚氨酯弹性混凝土的热固特性，使其具有优异的力学性能。

2.2 弹性恢复能力

参照ASTM评价方法，测试聚氨酯弹性混凝土的拉伸弹性恢复率(试件尺寸为200 mm×20 mm×20 mm)和压缩弹性恢复率(试件尺寸为40 mm×40 mm×40 mm)，对比3种聚氨酯弹性混凝土的弹性恢复能力，试验结果见表8。

表8 聚氨酯弹性混凝土弹性恢复试验结果 %

由表8可见，3种聚氨酯弹性混凝土的拉伸弹性恢复率和压缩弹性恢复率高达99%以上，在实际使用过程中能够在发生应变后快速恢复原形，表现出优异的弹性恢复能力，能满足小位移伸缩缝的桥面变形。

2.3 高温抗车辙性能

参照沥青混凝土评价方法，采用自流平方式成型聚氨酯弹性混凝土车辙试件，试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，试验温度为70 ℃，对比评价3种聚氨酯弹性混凝土的高温性能，试验结果见表9。

表9 聚氨酯弹性混凝土车辙试验结果

由表9可见，3种聚氨酯弹性混凝土的车辙动稳定度均超过5 0000 次/mm，车轮迹不明显且车辙深度几乎为0，表现出极为优异的抗高温车辙变形能力，能承受高温及重载通车条件。相比于沥青类热塑性材料，聚氨酯弹性混凝土是热固性材料，在高温条件下不会轻易软化变形，显著提高了材料的高温稳定性。

2.4 低温抗裂性能

参照沥青混凝土评价方法，制作聚氨酯弹性混凝土车辙试件，试件尺寸为250 mm×35 mm×30 mm，试验温度为-10 ℃，对比3种聚氨酯弹性混凝土的低温抗裂性能，试验结果见表10。

表10 聚氨酯弹性混凝土低温弯曲试验结果

由表10可见，相同条件下，3种聚氨酯弹性混凝土的抗弯应变特别高，抗弯强度较小，劲度模量很小。其中，高性能聚氨酯弹性混凝土的低温抗弯应变达到了80 000×10-6，与进口聚氨酯弹性混凝土相当，略高于国产聚氨酯弹性混凝土。聚氨酯弹性混凝土均具有非常优异的低温抗裂性能，能承受极端低温的服役条件，这也是聚氨酯弹性混凝土的突出优势。

2.5 水稳定性能

参照沥青混凝土评价方法，采用自流平方式成型聚氨酯弹性混凝土马歇尔试件，试件尺寸为直径×高度=101.6 mm×63.5 mm，试验温度为60 ℃，对比评价3种聚氨酯弹性混凝土的水稳定性能，试验结果见表11。

表11 聚氨酯弹性混凝土浸水马歇尔试验结果

由表11可见，3种聚氨酯弹性混凝土的浸水马歇尔稳定度均大于95%，说明水分对混凝土的破坏作用较小，表现出优异的水稳定性能，基本不会出现水损害问题。这是由于聚氨酯弹性混凝土采用细级配及高油石比的缘故，因而其空隙率很低(<1%)，进而保证混凝土基本不渗水或完全不渗水，避免水损害。

2.6 界面黏结性能

参照防水材料评价方法，成型“水泥混凝土或改性沥青混合料SMA10+0.5 kg/m2聚氨酯黏结剂+聚氨酯弹性混凝土”组合试件。对比评价3种聚氨酯弹性混凝土与水泥混凝土及改性沥青混合料SMA10的界面黏结强度，试验温度为25 ℃和60 ℃，试验结果见表12。

表12 聚氨酯弹性混凝土与基面剪切试验结果

由表12可见，3种聚氨酯弹性混凝土与水泥混凝土黏结强度较高，而与改性沥青混合料SMA10的黏结强度较低。相同条件下，3种聚氨酯弹性混凝土与基面的黏结强度基本相当。温度会显著影响体系的黏结性能，随着温度升高，其黏结性能下降。高温对聚氨酯弹性混凝土与沥青混合料SMA10界面黏结性能的影响更为显著，这是因为沥青混合料自身强度较低且温感性较强，高温下破坏薄弱面主要出现在混合料内部。整体而言，高性能聚氨酯弹性混凝土与基面具有良好的黏结性能。

2.7 应用情况

2020年10月在某高速公路大修项目中，将高性能聚氨酯弹性混凝土用于桥梁连续缝修补，施工完后不需洒水，养护一定时间后，即可开放交通。气温越高，养护时间越短，常温养护时间为4～5 h。运营1年多以来，高性能聚氨酯弹性混凝土使用效果良好。

3 结论

1) 矿料级配对聚氨酯弹性混凝土施工和易性和抗压强度的影响较小，确定集料级配为0～3 mm玄武岩集料∶矿粉=70∶30。一定范围内，随着油石比的增加，聚氨酯弹性混凝土的施工和易性逐渐变好，抗压强度则是先增大后减小，综合考虑经济性，确定聚氨酯弹性混凝土的较佳油石比为23%。

2) 高性能聚氨酯弹性混凝土的抗压强度为16.5 MPa，拉伸弹性恢复率和压缩弹性恢复率高达99%以上，70 ℃动稳定度为57 273 次/mm，-10 ℃低温抗弯应变达到了81 477×10-6，残留稳定度大于95%，25 ℃与水泥板和改性沥青混合料SMA10的界面黏结强度均大于2 MPa。因此，高性能聚氨酯弹性混凝土具有良好的力学性能、高低温性能、弹性恢复能力、水稳定性能和界面黏结性能，其使用性能基本达到进口材料的技术标准，完全能满足桥梁无缝伸缩缝的使用要求。

3) 无缝伸缩缝高性能聚氨酯弹性混凝土不但提高了行车舒适性，而且使得桥梁连续美观，同时延长了桥梁伸缩缝的使用寿命。