具有防水功能的水泥混凝土路面填缝料的研制

寿崇琦, 尚盼, 宋南京, 康杰分, 娄嵩, 徐文超
( 济南大学化学化工学院, 山东济南250022)

0 前言
改革开放以来, 我国大力发展基础设施建设, 公路建设飞速发展。由于水泥混凝土路面具有承载能力大、性能稳定、使用寿命长、日常养护费用低等优点, 同时我国水泥产量大、分布广, 因此水泥混凝土路面被广泛用于公路和城市道路的主次干道上[1]。但由于施工和技术要求不够完善, 工程质量难以达到预期的效果, 致使水泥混凝土路面板断裂、错台等危害长期存在, 严重影响了水泥混凝土路面的承载能力和使用寿命。混凝土路面板横向断裂、错台等现象的产生与接缝的破坏有很大关系, 而接缝的破坏又与所采用的填缝料有关[2]。水泥混凝土路面填缝料的主要功能: 一是防止杂物进入板间缝隙而使板块不能自由伸缩; 二是防止路面水渗入路基。路面水一旦渗入路基, 混凝土板底在交通荷载作用下就会脱空, 造成地基承载力降低和强度不均匀, 致使水泥混凝土板底的基础强度降低, 从而引起面板的开裂[3]。可见, 填缝料密封性的好坏直接影响了水泥混凝土路面的使用寿命。

聚氨酯的化学结构使其具有耐水解性和憎水性好的优点, 同时—NCO 具有良好的粘结性能[4], 非常适宜作水泥混凝土路面填缝料。但是, 传统的非焦油聚氨酯填缝料耐老化性能差, 使用寿命不及水泥混凝土路面, 严重影响了水泥混凝土路面的使用寿命[5- 6]。本实验合成了一种改性的双组分聚氨酯密封材料, 可用作具有防水功能的水泥混凝土路面填缝料。测试结果表明, 其耐水性和耐老化性均优于非焦油聚氨酯填缝料。

1 实验部分
1.1 实验原料
聚醚多元醇, 工业级; 二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI) , 工业级( 纯度≥98%) ; 有机硅, 化学纯; 二月桂酸二丁基锡, 化学纯; 其他助剂, 工业级。

1.2 填缝料的制备
1.2.1 甲组分的制备
将计量好的聚醚多元醇和有机硅加入250 mL干燥的四口瓶中, 于110～120 ℃的油浴中加热, 脱水1.5～2 h, 然后将体系温度降至反应温度, 缓慢滴加化学计量的MDI, 0.5 h 滴加完毕, 反应2 h, 在- 0.086MPa 左右的真空度和( 80±2) ℃下加热2～3 h 除去未反应的小分子。降温后密封储存备用。

1.2.2 乙组分的制备
按配方称取聚醚多元醇、催化剂以及其他助剂,充分搅拌, 混合均匀后在三辊研磨机上研磨至颗粒合格, 在- 0.086 MPa 左右的真空度和80 ℃下减压脱水3 h, 关闭真空装置, 降温后密封储存备用。

1.3 试样制备
1.3.1 粘结性能试样的制备
1) 根据JC/T 976—2005《道桥嵌缝用密封胶》对试验基材的要求标准, 将42.5 普通硅酸盐水泥、标准砂、水按一定比例混合制成砂浆, 然后制成测试所需要的半“8”字形水泥模块, 用水养护7 d 后, 烘干备用。
2) 将改性聚氨酯填缝料的甲、乙组分按1∶1.5 的质量比混合, 充分搅拌至无气泡生成, 粘结水泥模块,制成如图1 所示的粘结测试试样, 在标准固化条件[温度为( 23±2) ℃, 相对湿度为( 55±5)%]下固化7 d后测试其性能。

1.3.2 拉伸性能试样的制备
将改性聚氨酯填缝料的甲、乙组分按1∶1.5 的质量比混合, 充分搅拌至无气泡生成, 制成2 mm 厚的薄膜, 在标准固化条件下固化7 d, 裁成如图2 所示的标准哑铃型试样, 测试其拉伸性能。

1.4 测试标准及方法
1.4.1 力学性能测试

定伸粘结性: 按GB/T 13477《建筑密封材料试验方法》第10 部分进行测试;
拉伸模量: 按GB/T 13477《建筑密封材料试验方法》第8 部分进行测试。

1.4.2 耐水性能测试
1) 浸水后定伸粘结性: 按GB/T 13477《建筑密封材料试验方法》第11 部分进行测试;
2) 浸水后拉伸模量: 室温下将裁好的标准哑铃型试样浸泡于密封的盛满水的玻璃容器中, 浸泡7 d 后按GB/T 13477《建筑密封材料试验方法》第8 部分进行测试。

1.4.3 耐老化性能测试
老化试验在ATLAS 人工气候加速老化试验仪中进行, 辐照波长为300～400 nm, 老化时间定为180 h,黑板温度计温度为( 65±3) ℃, 喷水时间为( 18±0.5)min, 两次喷水之间的干燥间隔为( 102±0.5) min。试样老化后, 按GB/T 13477《建筑密封材料试验方法》第10 部分和第8 部分进行测试。

2 结果与讨论
2.1 力学性能测试
由于水泥混凝土路面板块会随温度的升降发生膨胀和收缩, 用作填缝料的材料必须有良好的拉伸性能, 同时与水泥混凝土有优良的粘结性能, 否则填缝料很容易与水泥混凝土剥离, 使填缝料失去密封功能。表1 是改性聚氨酯填缝料和非焦油聚氨酯填缝料的性能比较。

由表1 测试结果看出, 改性聚氨酯填缝料的大伸长率比非焦油聚氨酯填缝料的大伸长率大, 说明其延展性要优于非焦油聚氨酯填缝料。这是由于分子链中引入了含有硅氧键( Si—O) 的柔性链段, Si—O键比C—C 键和C—O 键的键长大, 键角也大, 内旋转更为容易, 高分子链柔顺性好[7]。改性聚氨酯填缝料的拉伸强度较非焦油聚氨酯填缝料有所降低, 这是由于有机硅柔性链段的引入使得高分子链易于旋转, 聚合物的软化点和二级转变点下降, 机械强度降低[8]。改性聚氨酯填缝料的粘结强度比焦油聚氨酯填缝料的粘结强度有所提高, 说明其密封效果要优于非焦油聚氨酯填缝料。这是由于聚氨酯填缝料除通过分子扩散产生物理吸附的方式[9]同水泥混凝土产生粘结外, 还通过—NCO 基团同水泥混凝土表面的羟基形成化学键合产生粘结[10]; 改性聚氨酯填缝料由于在分子链中引入的Si—O 键, 还能同水泥混凝土表面的羟基形成大量的氢键, 这就提高了其与水泥混凝土之间的粘结强度。

2.2 耐水性能测试
用作水泥混凝土路面填缝料的材料必须具有优异的防水功能, 否则路面水会经接缝渗入路基而影响其强度, 路基长期受水浸泡, 会导致软化、强度降低或不足, 在行车荷载作用下水泥混凝土路面板将产生裂缝、唧泥、错台等病害。水对聚氨酯填缝料的作用有两种[12]。一是填缝料吸收的水对其产生增塑作用, 即水与聚氨酯中的极性基团形成氢键, 使聚合物分子间的氢键减弱, 物理性能降低, 但此过程是可逆的, 干燥后物理性能可以恢复; 二是填缝料所吸收的水使聚氨酯发生水解, 此过程不可逆。由于酯基易水解, 耐水性能差, 对防水要求高的领域多采用聚醚型聚氨酯。本实验采用有机硅进行改性, 在聚氨酯主链上引入Si—O 键, Si—O键键能大, 对水很稳定, 而且有机硅链段有很强的憎水性, 浸水后材料的性能保持率达到95%以上。表2是传统和改性聚氨酯填缝料耐水性能测试结果比较。


2.3 耐老化性能测试
雨、雪、阳光、气温变化会加速密封材料的老化,使粘结力下降导致脱落, 丧失密封防水性能。硅氧键键能大, 高达422.5 kJ/mol, 键角较宽, 较易旋转, 这就意味着有机硅能采取一种无规线圈构型, 有高度抗紫外线和臭氧等性能, 其在受到自然界紫外线的长期照射时, 不易发生自然断链、降解等现象[12]。可见在填缝料中引入有机硅材料, 能有效地解决聚氨酯填缝料耐老化性、耐候性差的缺点, 延长填缝料的使用寿命, 从而提高水泥混凝土路面的质量和使用寿命。表3 是传统和改性聚氨酯填缝料的耐老化性能测试结果。


3 结语
本实验合成了有机硅改性的聚氨酯预聚体, 并用其制备了双组分聚氨酯填缝料。通过性能测试可知,改性后聚氨酯填缝料的防水性、抗老化均得到有效的提高, 尤其是其浸水后的性能保持率达到了95%以上, 是一种防水性能优良的水泥混凝土路面填缝料。

参考文献
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