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基于贯入阻力测试系统的聚氨酯混凝土压实时机确定方法

发布于：2023-04-17 09:23:17 来自：道路桥梁/道路工程 [复制转发]

【摘要】 为了解决实际工程中聚氨酯混凝土因强度形成影响因素多而导致压实时机难以确定的问题，提出一种便捷直观的压实时机确定方法。首先针对自主研发的聚氨酯混凝土设计了一种贯入阻力测试系统，将容许空隙率(1.5%~4.0%)作为压实效果评价标准，通过重复性试验确定可压实贯入阻力范围值，提出以聚氨酯混凝土贯入阻力量化其固化反应程度的方法，进一步建立以催化剂用量为唯一可控因素的施工可压实时间预测模型。试验结果表明：在温度、湿度及催化剂用量代表性组合的试验条件下，当聚氨酯混凝土的贯入阻力在可压实贯入阻力值范围(0.20kN±0.03kN)内时，其马歇尔试件空隙率可满足容许空隙率(1.5%~4.0%)范围要求，相应的可压实时间预测模型相关系数高(R^2＝0.89)且差异性极显著。工程实例验证了该方法的可行性及可靠性。

引言

截至2018年底，中国公路桥梁已达85.15万座[1]。桥面铺装作为桥梁建设的关键技术之一，起到分散交通荷载、保护桥面板的重要作用。但是，由于传统沥青类铺装材料本身具有高温软化、低温脆裂的特点，桥面铺装层十分容易出现坑槽、裂缝、推移、脱层等严重的早期病害，这严重影响桥面铺装层的使用寿命[2-5]。

近年来，耐久性良好的高分子聚合物材料受到越来越多学者的关注。国内外对聚合物混凝土的研究主要集中于建筑材料及道路材料等领域[6-11]，如Agavriloaie等[12]研发了一种可充当建筑材料的高性能环氧聚氨酯丙烯酸酯聚合物混凝土，仝玎朔[13]采用聚氨酯胶黏剂研发了一种可有效抑冰除冰的聚氨酯弹性材料，Lin等[14-15]研发了一种透水透气的多孔隙聚氨酯碎石混合料(PPM)以替代耐久性差的大孔隙开级配排水式沥青摩耗层(OGFC)材料。以上研究成果表明，聚氨酯混凝土具有优异的性能及耐久性，但尚未应用于桥面铺装材料，因此研发一种聚氨酯混凝土桥面铺装材料具有重大意义。

徐世法课题组选用反应活性适宜的多异氰酸酯及不结晶的聚醚多元醇软段，通过调控聚氨酯树脂分子量，开发了一种以高分子聚氨酯全面替代沥青作为胶结料的新型冷拌冷铺桥面铺装材料。该材料节能减排且路用性能优异，是一种全新的热固性材料，与水泥混凝土和沥青混凝土的材料特性均不相同。聚氨酯混凝土高温稳定性相比于环氧沥青混凝土可提高6倍左右，低温性能相比于浇筑式沥青混凝土可提高5倍左右，疲劳寿命相比于疲劳性能较好的环氧沥青混凝土可提高10倍左右[16-19]；但是，与传统沥青类铺装材料不同的是其强度形成受温度、湿度、催化剂用量等诸多因素的影响很大。聚氨酯混凝土固化反应过程中会产生CO2气体，如果材料在拌和完成后过早压实，会因产生的CO2难以释放导致铺装层成型后膨胀，如果过晚压实，则会因固化程度较高导致压实度差，因此聚氨酯混凝土的压实成型时机至关重要。

热态沥青混凝土压实时机采用黏-温曲线确定，热固性的环氧沥青混凝土则是结合马歇尔稳定度、空隙率等性质，建立环氧沥青胶结料黏度与容留时间的关系方程确定可压实时机，但施工环境的不确定性会导致此类关系方程与实际施工产生较大误差[20-23]。聚氨酯混凝土作为一种新型冷拌冷铺桥面铺装材料，无法用黏-温曲线确定压实时机，虽然与环氧沥青混凝土同为热固性材料，但聚氨酯混凝土的强度形成机理与之完全不同，不能效仿环氧沥青混凝土确定压实时机。目前，徐世法课题组尚未发表聚氨酯混凝土压实时机确定方法的相关研究，因此，结合聚氨酯混凝土的特点提出一种适宜的压实时机确定方法十分必要。

本研究旨在提出一种便捷直观的聚氨酯混凝土压实时机确定方法，以贯入阻力量化固化反应程度进而确定压实时机，并根据压实时机建立催化剂用量预测模型。最后，结合工程实例验证贯入阻力测试系统及催化剂用量预测模型的可行性及可靠性，以期为聚氨酯混凝土施工提供指南。

贯入阻力测试系统

工作原理

聚氨酯混凝土是由聚氨酯胶结料和集料颗粒混合而成的颗粒型材料，具有一定的“流变”特性，即聚氨酯混凝土在拌和完成初期拥有较好的流动性，随着固化程度的不断增加，其流动性逐步降低，强度逐步增大。

在土工试验中，贯入阻力通常用于模拟土体材料受剪切破坏，以评价其力学性质。而聚氨酯混凝土的压实成型阶段也是不断抵抗剪切变形的过程，与粗颗粒的土体受剪切破坏具有相似的工作机理。因此，可通过贯入阻力测定聚氨酯混凝土的力学性能，进而评价其固化反应程度。

根据以上原理，为测定聚氨酯混凝土强度随固化时间的变化规律，进而确定最佳压实时机，特开发贯入阻力测试系统，该系统由UTM-25沥青混合料多功能试验机及贯入阻力测试装置组成。

测试系统

采用的加载装置为最大加载能力25kN、精度0.1Ｎ的UTM-25沥青混合料多功能试验机，通过内置软件进行参数调整，可输出力-位移关系曲线，并能设定贯入速率和贯入深度。贯入阻力测试装置包括贯入箱和贯入板两部分，将贯入板与UTM-25连接后，即可测定贯入箱中聚氨酯混合料的贯入阻力。Resistance Testing System测试系统见图1。

贯入箱设计

在研究松散材料方面，马凤雪[24]提出容器尺寸应至少应为材料最大颗粒尺寸的6~7倍。本研究采用的聚氨酯混凝土最大粒径为13~16mm，容器尺寸最小应为78~112mm，故试验容器尺寸设计为直径115mm、高度115mm是可行的。为了使材料受力均匀，贯入箱采用圆柱体，箱体由5mm厚钢材制成，可承受较大荷载且不易变形。箱体内壁上部对称设置四处卡槽以防贯入板在加载过程中发生错动而损坏设备，间隙设置为10mm以避免正常试验下卡槽与贯入板产生接触而影响试验结果，卡槽长20mm、宽5mm、高10mm，详见图2。

贯入板设计

为保证贯入板的受力均匀且不产生偏心，本研究开发了以不锈钢为材料的十字形对称式贯入板，其宽度为8mm，径向长度为113mm，与贯入箱内壁间隙为1mm，高度为80mm；贯入板表面刻制间隔为2mm、深度为2mm、斜45°的花纹以增大摩擦力；上部螺纹式连接头直径15mm，高度为30mm，详见图3。

贯入阻力试验流程

本试验采用控制应变的加载方式，主要步骤为：

(1)准备工作

开启试验设备UTM-25沥青混合料多功能试验机，打开测试软件，设定贯入深度终止值为40mm及贯入速率为20mm·min^-1，将贯入板安装于设备试验工作室内，并调整贯入板高度及平台高度，完成测试前的调试工作。

(2)拌和

按照试验用量和配比准备矿料和聚氨酯胶结料，然后将搅拌锅调整到所测聚氨酯混凝土的设定温度，先将集料搅拌90s，再倒入聚氨酯胶结料及催化剂搅拌90s，最后加入矿粉再次搅拌90s，从而完成搅拌。

(3)装料

将1600g聚氨酯混凝土材料装入贯入箱中，并对其表面进行整平。

(4)试验测试

将装好料的贯入箱放置于贯入板的正下方并对中，贯入板底部降至临近混凝土表面但不接触，点击操作软件的“开始”键进行试验，达到设定贯入深度后仪器自动停止。

试验材料与配合比设计

为了确保所开发贯入阻力测试系统的合理性，并实现对聚氨酯混凝土施工质量的准确控制，特对贯入阻力测试系统进行试验验证。

试验原材料

本文选用最大粒径13mm的聚氨酯混凝土(PC-13)进行研究。PC-13聚氨酯混凝土由粗集料、细集料、矿粉以及聚氨酯胶结料与催化剂组成。

(1)聚氨酯胶结料

本研究中聚氨酯混凝土所使用的胶结料为一种自主研发的新型聚氨酯胶结料，属热固性材料，呈黑色，常温拌和施工，主要由聚醚多元醇和多异氰酸酯通过加成聚合形成，设计中采用多官能度噁唑烷类潜伏固化剂，使聚氨酯优先与水反应生成氨基(-NH2)、羟基(-OH)，再与异氰酸酯(-NCO)发生交联固化形成具有网络结构的弹性体，可有效减少气泡产生，从而提高聚氨酯弹性体的强度。目前中国尚未颁布相关的国家标准及行业标准，笔者结合前期大量试验研究提出该聚氨酯材料的技术要求，并编写河北省《聚合物混合料桥面铺装施工技术规范》(DB13/T2852-2018)[25]，据此对本研究采用的聚氨酯胶结料进行试验，结果见表1。

由表1可知，聚氨酯胶结料性能符合技术要求。

(2)矿料

本研究中所使用的矿料为石灰岩，其性能满足JTG F40规范的要求。

(3)催化剂

本研究中所使用的催化剂为液态乙酸苯汞，该材料可加速聚氨酯胶结料的固化反应，但不改变聚氨酯胶结料的性质。

配合比设计

本研究采用PC-13聚氨酯混凝土，级配设计曲线如图4所示。目前中国尚未颁布聚氨酯混凝土配合比设计的国家标准及行业标准，前期大量试验表明，该材料可大致参考马歇尔试验方法，与之不同的是需将空隙率作为关键指标，当空隙率达到1.5%~4.0%时，聚氨酯混凝土的性能满足DB13/T2852-2018规范要求。结合笔者课题组前期试验[16]，本研究确定聚氨酯胶结料与矿料的质量比(胶石比)为7%。PC-13聚氨酯混凝土性能见表2。

可重复性研究及最佳贯入深度确定

可重复性试验研究

重复性试验可以直接有效地验证仪器和试验方法的可靠性。为此，本研究对PC-13聚氨酯混凝土(胶石比为7%)在所用材料和试验条件完全相同的情况下进行了3组重复贯入阻力试验，贯入深度与贯入阻力的关系曲线见图5。

图5表明：PC-13聚氨酯混凝土的3次重复贯入阻力试验的曲线基本重合，且曲线斜率越来越大，这是由于贯入板在以一定速率下降的过程中会和贯入箱内壁集料发生摩擦，且使容器内混凝土不断被压实，集料颗粒间相互嵌挤，逐层传递，造成贯入阻力不断增大，且增大的速率越来越快。

由于聚氨酯混凝土的组成成分大部分为矿料颗粒，即使聚氨酯胶结料起到一定的黏结作用，但本质仍是一种典型的颗粒型松散材料，因而试验结果具有一定的离散性。结合试验数据计算得到3次试验的变异系数，变异系数指3组数据的标准差与平均数的比值，如图6所示。

由图6可知：贯入阻力检测结果在贯入深度为5mm时变异系数趋于稳定，变异系数最大不超过10%，以此可以判断在贯入深度不小于5mm时，此贯入阻力测试系统及其对应试验方法的试验结果变异程度较小，具有良好的重复性。

最佳贯入深度确定

由图5知，随贯入深度的增加，贯入阻力呈现指数型增长趋势，在贯入深度较大时，试验得到的可压实贯入阻力范围值将被指数倍扩大，因此贯入深度越小，此范围值越精确。结合图6变异系数的变化规律，本研究采用5mm作为最佳贯入深度。

压实时机及可压实贯入阻力确定

影响聚氨酯混凝土固化程度的因素有温度、空气湿度、催化剂用量和固化时间，为了确定容许空隙率(1.5%~4.0%)范围所对应的贯入阻力范围，即可压实贯入阻力，本研究以聚氨酯混凝土的容许空隙率范围作为评价标准，达到该范围所对应的压实时间即为可压实时间，相应的贯入阻力范围即可以作为评价聚氨酯混凝土固化程度的指标。

试验条件确定

聚氨酯混凝土的固化反应作为一种化学反应，不同的试验条件只会影响反应速率，而不会影响达到最佳固化程度时的贯入阻力。大量的前期试验表明，试验温度越高、湿度越大、催化剂用量(质量分数，下文同)越多，则固化反应速率越快。因此，本研究首先对最易控制的试验条件(温度25℃、湿度30%、催化剂用量0.6%)进行重复性试验，提出可压实贯入阻力范围值，然后利用其他代表性试验条件对结论进行验证。代表性试验条件如表3所示，其中：温度是指矿料温度，5℃代表低温施工温度，25℃代表常温，45℃代表高温；湿度30%代表干燥，55%代表中湿，80%代表潮湿；催化剂用量则通过前期试验经验及气温条件进行调整。

进行贯入试验时，从拌和完成后开始计时，以30min为间隔，一直测试至拌和完成后180min。

压实时机确定

本研究在温度25℃、湿度30%、催化剂用量0.6%条件下进行3组重复试验，各组制备6个马歇尔试件，试件压实成型的时间从聚氨酯混凝土拌和完成后开始计时，并以30min为间隔测定。当试件养生完成后检测其空隙率，空隙率随成型时间变化的规律见图7。

上述试验结果表明空隙率随试件压实成型时间的延长呈先减小后增大的趋势。其原因是：聚氨酯胶结料作为一种聚氨酯类材料，在拌和成型初期黏结力较低，材料较松散，过早压实会使聚氨酯胶结料固化产生的CO2难以释放，因而造成早期压实试件的空隙率较大；随着固化时间的延长，其黏结力逐渐增大，可压实性提高，到接近最佳压实时机的固化时间时，压实度达到最大，空隙率最小；此后，随着固化时间的进一步延长，其黏结力过大，可压实性降低，空隙率逐渐增大。

聚氨酯混凝土可压实时间的有效性根据马歇尔试件的空隙率进行验证。由图7曲线可以看出，在温度25℃、湿度30%、催化剂用量0.6%的试验条件下，容许空隙率范围(1.5%~4.0%)所对应的可压实时间为90~120min。

可压实贯入阻力确定

在温度25℃、湿度30%、催化剂用量0.6%的试验条件下，已知可压实时间为90~120min，对该条件下的聚氨酯混凝土进行3组贯入阻力测试重复试验，测试时间从混凝土拌和完成后开始计时，以30min为间隔依次测定。最后将贯入深度为5mm时的3组试验数据取得平均值，贯入阻力测试结果见表4，绘制关系曲线见图8。

对图8所示的试验结果进行回归分析，结果表明，贯入阻力与固化时间之间具有良好的线性及指数方程关系，两者间关系方程为

由式(1)、(2)可知，线性方程相关系数更高，因此利用式(2)计算得到在温度25℃、湿度30%、催化剂用量0.6%的试验条件下，可压实贯入阻力范围值为0.20kN±0.03kN。

可压实贯入阻力可靠性验证

为了验证上述得到的可压实贯入阻力的可靠性，选用表3中另外26种代表性试验条件对结论进行试验验证。验证方法为：在各试验条件下，通过贯入阻力测试系统连续测定聚氨酯混凝土的贯入阻力，当其达到可压实贯入阻力范围值(0.20kN±0.03kN)时，将混合料制备成马歇尔试件，并通过验证空隙率是否处于容许空隙率(1.5%~4.0%)范围内验证可压实贯入阻力的可靠性。结果见表5~7。

上述结果表明，在不同的试验条件下，若贯入阻力达到可压实贯入阻力(0.20kN±0.03kN)范围值内，其空隙率均满足容许空隙率要求。因此，可压实贯入阻力的可靠性得以验证。

催化剂用量预测模型

上述研究表明，当聚氨酯混凝土达到可压实贯入阻力(0.20kN±0.03kN)范围进行压实时，其空隙率满足要求。定义该贯入阻力对应的固化时间为可压实时间，据此建立以温度、湿度及可压实时间为变量的催化剂用量预测模型。

对表3中的27种代表性试验条件进行可压实时间的确定，并取其中值作为最佳可压实时间，试验结果见图9。

通过数据回归分析，建立以温度、湿度及最佳可压实时间为变量的催化剂用量预测模型

对预测模型进行方差分析，显著性水平为α＝0.05，结果见表8。由表8可知，显著性p值小于0.01，表明催化剂用量预测模型差异极显著，即该模型有效。

工程验证

为确保催化剂用量预测模型以及可压实贯入阻力的准确性，进行了工程验证。

工程概况

房易路新街桥为水泥混凝土桥梁，作为北京市房山区西部的南北交通干线，交通量大，且大型车辆较多。由于原有半幅沥青混凝土铺装层病害严重，对其铣刨，铣刨厚度为6cm左右。

施工过程控制

采用PC-13聚氨酯混凝土，预估从拌和完成至最佳可压实状态时所用时间为120min，施工当天平均温度19℃、平均湿度30%，利用催化剂用量预测模型[式(3)]计算得到催化剂用量为0.84%。将拌和完成的PC-13聚氨酯混凝土装车运输至施工现场并进行摊铺，同时取样静置于室外(与施工现场温度、湿度相同)100min后进行贯入阻力试验，贯入阻力达到可压实贯入阻力0.17kN时，通知施工现场进行碾压，碾压时间控制在贯入阻力达到0.23kN前。根据大量室内试验研究，材料在该施工环境温度下7d后可以完成固化反应，且强度满足开放交通要求，因此碾压完成后常温养生7d开放交通。