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为避免这些缺陷,砼路面不得不在纵横两个方向建造许多接缝,把整个路面分割成为许多板块。
接缝处板体是不连续的,水分和杂物很容易从这里浸入,影响板的自由伸缩,危害基层强度。
可见,接缝是水泥砼路面的薄弱环节,必须以适宜的材料来填充,以保证路面的整体强度。
2.2接缝填充材料应起到的作用
2.2.1良好的弹性,保证嵌入后路面板能自由伸缩,并防止杂物进入板间缝隙;
2.2.2必须为防水材料,防止路面水进入路基,避免板底因水浸而使基础强度降低,引起板的开裂和损坏;
2.2.3与板的粘接能力高,防止水分从缝的侧壁渗入及杂物的挤入;
2.2.4高温不流淌、低温不脆裂,具有较强的温度稳定性。
2.3 我国水泥砼路面填缝材料研究的发展历程
在我国水泥砼路面刚刚兴起之时,接缝处的填充材料多为沥青材料。
而沥青材料是由一些极其复杂的高分子的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属的衍生物组成的混合物,其化学组成结构非常复杂,用“色谱分析法”对其进行研究,则可将沥青材料分为五个组分,即沥青质、饱和分、芳香分、胶质分和蜡。
但这些化学组份并非是绝对稳定的物质,它在各种因素的影响下将发生变化。
过去,我们在用沥青材料作嵌缝材料时,通常需要将沥青材料高温加热,将其变为流动状态,再利用细孔容器将沥青灌入接缝内。
但在加热过程中,沥青材料内部正发生氧化、缩合和聚合反应,使沥青的化学组分发生转移。
有研究表明:
在较低的沥青分子的组分中,除已饱和的饱和分变化较少外,不饱和的芳香分会转化为较高分子组分的胶质。
由于氧化作用结果,胶质分子又会聚合成较复杂的沥青质分子,在此过程中氢原子成为水而失去。
水泥砼中含有铝、铁等盐类,此种盐类如催化剂一样,使沥青中的沥青酸类产生有机酸铝盐及铁盐,加速沥青的老化。
随着老化进程的进行,饱和分的变化甚少、芳香分的减少、特别是胶质分的明显减少、高分子化合物沥青质的大量增加,则使沥青塑性逐渐消失,而脆性增加,沥青变硬,失去弹性及粘性,与接缝处板的两侧壁脱离,进而失去嵌缝的功效。
随着交通运输业的迅速发展、公路建设标准的提高及工程质量的规范化管理,使得筑路技术不断更新,新材料、新工艺不断涌现。
路面板接缝填充材料,这种以往常常被忽视的问题,越来越引起工程技术人员的关注。
在沥青质材料用作嵌缝材料之后,又相继出现了改性沥青、沥青橡胶类、沥青玛蹄脂、聚氯乙烯胶泥、氯丁橡胶类、环氧树脂等高分子胶结材料,并在路面工程中进行了应用。
与最初的沥青质材料相比,后者确实具有许多优点,但根据我们实地调查研究的结果,我们认为它们普遍存在的一些不足之处,归纳起来有以下几点:
2.3.1填缝材料在使用时需高温加热,这样不仅会造成环境污染,而且还会促使嵌缝材料的加速老化;
2.3.2填缝材料在使用时需现场配制,这样会由于衡器的误差及操作人员自身的技术素质差异,而造成不同程度的质量偏差;
2.3.3常用的嵌缝材料多为黑色,在施工时很容易污染路面;
2.3.4其耐低温性能最大限度能达到零下二十余度,与我省的冬季负温相差较大,不能满足我省冬季不脆裂的质量要求。
2.4选材
为改变现有嵌缝材料存在的不足,我们查阅了国内外有关资料,又根据我们从气象部门了解到的情况:
近5年内,我省冬季的最低平均气温在-37℃,结合我省的气候特点,同时参考了其它行业标准,课题组先后对SBS改性沥青、双组份聚胺酯、丙烯酸酯、硅酮密封胶、环氧树脂和异氰酸酯进行了性能对比与分析。
2.4.1SBS改性沥青
SBS是复合材料,由苯乙烯、丁二烯、苯乙烯嵌段式共聚而成。
优 点:
经济造价低,5000元/吨
缺点:
A、不便于施工(施工温度150℃~180℃)
B、最低的脆点温度仅为-28℃
改性沥青材料性能对比表
表1
项目
改性材料
拉伸粘接强度(Mpa)
断裂拉伸强度(Mpa)
延伸率
(%)
脆点温度
(℃)
SBS
0.3
0.5
100
-28
再生胶
0.1
0.4
40
-20
氯丁胶
0.7
80
氯化聚乙烯
0.8
70
硅橡胶
0.6
120
-45
备 注
测定标准:
JG/T3049–1998中的5.10
2.4.2双组份聚胺酯
优点:
A、低温性能好,脆点温度为-30℃
B、与水泥砼的粘接力强,为0.1~0.4Mpa
缺点:
现场配制,施工质量不易保证。
2.4.3丙烯酸酯
在建筑上,通常被用于塑钢窗的周边密封。
粘接性能好
A、固化后的体积收缩比例大,密封效果不好
B、成本高, 2万元/吨
2.4.4硅酮密封胶
A、施工方便,不需加热
B、低温性能好,脆点温度为-45℃以上
A、抗拉强度小,与水泥砼的粘接力弱,仅为0.03~0.6Mpa,较适宜于静态的粘接,不适于路面板缝的动态变化环境。
B、成本高, 2.2万元/吨~6.0万元/吨
2.4.5环氧树脂
A、低温性能好,脆点温度-20℃~-35℃
B、与砼板的粘接强度高,0.02~1.2Mpa
缺 点:
A、伸长率低,材料脆性大。
B、施工时现场配料,材料质量不均匀,
2.4.6异氰酸酯
在国外主要用于汽车风档玻璃和车身等部件的粘接和密封,七十年代由德国Bell公司和日本SIRA公司研制开发。
A、低温性能好,脆点温度在-40℃以下
B、粘接能力强,与水泥砼的粘强度≥1.2Mpa
C、施工方便,不需加热。
A、低温延伸率小,在230%以下
B、成本高,10万元以上/吨
经过对上述六种材料的对比与分析,课题组首选异氰酸酯为基料,结合我省的经济发展状况和气候特点以及路面板所处的实际动态环境,展开了对异氰酸酯的改性研究。
2.5 研究思路
通过对路面板接缝和裂缝扩展规律的调查,确定可降低成本的内在因素,初拟产品配方,经过路用性能的试验分析,对产品配方进行改进,同时,对研制的产品提供施工工艺说明及配套的施工机具,增强新材料、新工艺的可操作性。
2.6 研制过程
2.6.1对路面板实际状态的分析
课题组对哈大高速公路和哈同公路,进行了连续两年的裂缝跟踪调查,结果显示:
在基层稳定的路段,裂缝宽度年扩展范围在10%~30%之间;
在基层不稳定的路段,裂缝年宽度扩展范围在40%~350%之间;
处于稳定路段的接缝,冬夏宽度变化范围在30%左右。
由此可得出结论,我们研制的填缝材料,它首先必须具备足够的低温延伸率,即至少在-37℃时,其伸长率应达到350%,这是最低指标;
其次,应与水泥砼粘接紧密,起到阻止水分和杂物嵌入的作用;
第三,应具有较好的耐久性;
第四,从施工角度考虑,应制成单组份,不需现场配制,不需加热使用的产品。
2.6.2产品配方的初步拟定
国外异氰酸酯的主料配方中,选用了高品质的树脂,结果是获得了很高的断裂拉伸强度,其数值可达到3.0Mpa,大大高于水泥砼的抗折强度。
也就是说,如果以这种材料作为路面的填缝材料,它的低拉伸率和很高的强度,极易将水泥砼界面拉坏,而材料自身却保持完整,同时由于树脂的高价位带来了材料的高成本,这显然对我们的实际情况是不适宜的。
课题组依据道路的实际需求,对异氰酸酯进行改性设计。
2.6.2.1基本满足道路需求,去除过剩质量,拟定低成本配方
接缝(裂缝)扩展宽度调查表明:
路用填缝材料的延伸率,宜在300%以上,此时,为适应路面板冬夏或昼夜间的自由伸缩,填缝料本身的强度不宜过大,应小于或接近路面板的抗拉强度,初步拟定填缝料,在延伸率为300%时的拉伸强度为0.2Mpa~0.3Mpa左右,采用低档树脂和高性能交联剂,对异氰酸酯进行改性设计。
共完成了十三种材料配方组合设计,(见表2)
材 料 配 方 设 计
表2
配方编号
材 料 配 方
1
A:
B:
C:
D=5.0:
95:
0.1:
1.0
2
D=10:
90:
0.3:
1.2
3
D=20:
80:
4
D=30:
70:
0.5:
1.3
5
D=95:
5.0:
1.0:
6
D=90:
10:
7
D=84:
16:
0.95:
8
D=77.4:
20.1:
0.9:
1.5
9
D=70:
26.1:
0.8:
2.9
10
D=63:
37:
11
D=55:
45:
0.7:
3.0
12
D=50:
50:
0.85:
13
D=40:
60:
3.5
说明:
A、B为主料,C为快固剂,D为交联剂,设计的材料为反应型的单组份物质,反应机理是:
利用空气中微量的水分进行反应而固化,其反应化学方程式如下:
NCO-R-NCO+H20 NH2-R-NH2+CO2
NCO-R-NCO+NH2-R-NH2
NH2-[R-NH–C – NH -]NR-NH2
‖
0
从此方程式可以看出,在整个固化过程中,无有害、有毒物质或气体生成,只产生二氧化碳,因而不会对周围环境造成污染,对人体亦无侵害。
2.6.2.2 材料性能测定
依照JT/T203-95《公路水泥砼路面接缝材料》和JG/T3049-1998中的相关规定,对以上十三种材料进行了性能测定。
结果见表3
各种配方材料性能对照表
表3
固化物含量(%)
表干时间
(h)
延伸率(%)
与板的粘结强度(Mpa)
低温脆裂点(℃)
5%NaOH、24h
碱浸强度
50
115
1.05
0.2
-5℃
60
0.95
-5
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