聚氨酯-脲灌缝胶的制备及其粘结研究.pdf

作 者 简 介：丁 聪（）男，江 西 南 昌 人，大 学 本 科，助 理 工 程 师，主 要 从 事 公 路 桥 梁 工 程 建 造 工 作。聚氨酯脲灌缝胶的制备及其粘结研究丁聪，陆超（江 西 省 公 路 桥 梁 工 程 有 限 公 司，江 西 南 昌）（江 西 省 交 通 投 资 集 团 有 限 责 任 公 司 项 目 建 设 管 理 公 司 二 公 司，江 西 南 昌）摘要：针 对 现 有 聚 氨 酯 灌 缝 胶 的 粘 结 力 和 耐 久 性 不 足 的 问 题，文 章 采 用 聚 氨 酯 和 聚 脲 粘 合 剂 制备 了 一 种 性 能 优 异 的 聚 氨 酯脲（）灌 缝 胶。研 究 了 不 同 聚 脲（）掺 量 的灌 缝 胶 的 初始 黏 度、凝 胶 时 间、玻 璃 化 转 变 温 度 以 及 拉 伸 性 能 等 灌 缝 胶 固 有 性 能，通 过 不 同 温 度 下 灌 缝 胶 界 面斜 剪 粘 结 强 度 研 究灌 缝 胶 的 粘 结 性 能。结 果 表 明，灌 缝 胶 初 始 粘 度 均 低 于，掺 量 的 增 加 会 降 低 灌 缝 胶 的 粘 度 和 凝 胶 时 间。掺 量 为时，最 低 为，掺 量为时，拉 伸 强 度 和 断 裂 伸 长 率 最 高 分 别 为 和。当含 量 为时 界 面 剪 切强 度 也 分 别 达 到 最 大 值，相 对 于 未 掺 加分 别 提 高 了、和。总 体 来 说，聚 氨酯脲 灌 缝 胶 性 能 优 异 且 粘 接 效 果 良 好。关 键 词：沥 青 路 面；灌 缝 胶；聚 氨 酯脲；界 面 剪 切 强 度前言路 面 常 用 灌 浆 材 料 主 要 有 固 粒 类 灌 浆 材 料 和化 学 类 灌 浆 材 料，化 学 类 灌 浆 材 料 具 有 浆 液 稳 定性 优、黏 度 低、流 动 性 好 等 优 点，还 可 避 免 固 粒 类 灌浆 材 料 中 大 颗 粒 无 法 灌 注 细 小 裂 缝 和 颗 粒 胶 浆 界面 薄 弱 等 问 题。此 外，化 学 类 灌 浆 材 料 还 可 依 据 实际 使 用 需 求 添 加 助 剂，调 整 配 方，以 满 足 黏 度、固 化时 间、固 化 强 度 等 需 求。其 中 化 学 类 灌 浆 材 料 主 要有 沥 青 类 灌 缝 胶、环 氧 树 脂 灌 缝 胶、甲 基 丙 烯 酸 甲酯 灌 缝 胶 以 及 聚 氨 酯 灌 缝 胶 等。沥 青 价 格 便 宜但 制 备 和 施 工 过 程 中 的 高 能 耗，且 灌 缝 胶 耐 久 性差，使 用 寿 命 短。环 氧 树 脂 灌 缝 胶 固 化 后 没 有 弹性，而 且 其 固 化 后 在 潮 湿 环 境 中 与 岩 石、沙 土 等 的粘 结 性 较 差。但 是，甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 灌 缝 胶 在 固 化过 程 中 收 缩 严 重。的 分 子 结 构 中，柔 性 链 段 的 比 例 约 为，刚 性 链 段 的 比 例 约 为。链 段 中 刚性 相 和 柔 性 相 的 热 不 相 容 性 使出 现 微 相 分 离 现象，即 硬 相 均 匀 分 布 在 软 相 中，这 种 结 构 特 征 使 聚氨 酯 具 有 优 异 的 力 学 和 化 学 性 能。且 聚 氨 酯 灌缝 胶 材 料 环 保，符 合 目 前 绿 色 交 通 主 旨，目 前 被 许多 学 者 和 从 业 人 员 关 注，广 泛 应 用 于 路 面 材 料 领域。然 而，现 有 研 究 表 明，粘 合 剂 也 存 在 一 些 缺点，如 粘 结 力 不 足 以 及 水 损 害 较 厉 害，浸 入 水 中 会逐 渐 降 解，导 致 其 力 学 性 能 下 降，因 此 需 要 对 其 进行 改 性 调 整 性 能。本 文 针 对 目 前 聚 氨 酯 灌 缝 胶 的 粘 结 力 和 耐 久性 不 足 的 问 题，采 用、粘 结 剂 制 备 了 一 种 性能 优 异 的灌 缝 胶。通 过 测 试 不 同掺 量的灌 缝 胶 的 初 始 黏 度、凝 胶 时 间、玻 璃 化 转 变温 度 以 及 拉 伸 性 能，研 究 了掺 量 对灌 缝胶 的 性 能 影 响。通 过 测 定 不 同 温 度 下 灌 缝 胶 界 面斜 剪 粘 结 强 度，研 究灌 缝 胶 的 粘 结 能 力。原 材 料 原 材 料本 文 用 双 组 分粘 结 剂 和粘 结 剂 制 备 聚氨 酯脲（）灌 缝 胶。其 中，粘 合 剂 由和组 分 质 量 比 为 配 制 而 成，组 分 为 过 量 多 异 氰酸 酯 与 聚 醚 多 元 醇 反 应 制 备 的 含 异 氰 酸 酯 端 基 的预 聚 物，组 分 为 聚 醚 多 元 醇、增 塑 剂、泡 沫 稳 定 剂、促 进 剂 等。粘 合 剂 由和组 分 质 量 比 为 配 制 而 成，组 分 为 聚 醚 多 元 醇 和 多 异 氰 酸 酯，组分 为 氨 基 聚 醚、胺 扩 链 剂。灌 缝 胶 制 备 工 艺首 先 将的、组 份 和的、组 份 按比 例 倒 入 搅 拌 机 中，然 后 加 入和总 质 量 的的 稀 释 剂，下 以 搅 拌至 液 体均 匀 无 分 层 离 析，制 得 的 液 体 即 为灌 缝 胶。灌 缝 胶 固 有 性 能 初 始 黏 度初 始 粘 度 是 灌 封 胶 流 动 性 的 重 要 指 标，低 粘 度可 使 灌 浆 料 在 裂 缝 中 更 好 地 渗 透，从 而 实 现 良 好 的抗 渗 堵 漏 效 果，行 业 标 准 中 规 定 了 聚 氨 酯 灌 浆 料 的粘 度 应。测 定 的 不 同含 量灌 缝 胶 的 初 始 粘 度 见 表。表灌 缝 胶 初 始 粘 度掺 量（）粘 度（）由 表可 知，随 着掺 量 的 增 大，灌 缝胶 的 初 始 粘 度 先 迅 速 降 低 后 缓 慢 降 低。初 始 粘 度均 不 超 过，说 明灌 缝 胶 对 路 面 裂缝 均 具 有 良 好 的 可 灌 注 性。凝 胶 时 间灌 缝 胶 的 凝 固 时 间 对 粘 接 强 度 有 重 要 影 响，随着 凝 固 时 间 延 长，强 度 形 成 时 间 会 变 长。在 实 际 工程 中，较 长 的 凝 固 时 间 虽 然 可 以 使 浆 液 更 好 地 渗 透入 裂 缝，但 这 会 影 响 交 通 开 放 时 间。表展 示 了 不同含 量灌 缝 胶 的 凝 胶 时 间 测 试 结 果。结 果 表 明，随 着掺 量 的 增 加，灌 缝 胶 的 凝胶 时 间 逐 渐 减 小。这 是 因 为 本 研 究 选 用 的粘 度较 高，而具 有 更 低 的 初 始 粘 度，含 有 利 于 体 系中 活 性 官 能 团，赋 予 了 灌 缝 胶 更 短 的 固 化 时 间。表凝 胶 时 间掺 量（）凝 胶 时间（）玻 璃 化 转 变 温 度当 灌 缝 胶 处 于 低 于 其 玻 璃 化 温 度 转 变 温 度 时，容 易 在 温 度 应 力 和 行 车 荷 载 应 力 作 用 下 产 生 界 面开 裂，导 致 灌 缝 胶 产 生 粘 附 失 效。因 此 本 节 采 用 差式 扫 描 量 热 仪（）测 试 不 同灌 缝 胶 的 玻 璃化 转 变 温 度，评 价 灌 缝 胶 的 抗 低 温 能 力。测 试 结 果见 表。表玻 璃 化 转 变 温 度掺 量（）（）测 试 结 果 表 明，的随掺 量 的 增 加 呈先 降 低 后 升 高 趋 势，在 掺 量 为时，为，对 比 未 掺 加降 低 了。总 体 上 来 说，灌 缝 胶 的 玻 璃 化 转 变 温 度 均 可 以 满 足 在 路 面 低 温时 处 于 橡 胶 态 的 要 求。拉 伸 性 能路 面 裂 缝 宽 度 由 于 气 温 的 升 降 会 呈 现 不 同 程度 的 收 缩 和 扩 张，路 面 温 度 越 低，裂 缝 扩 张 宽 度 越大，对 于灌 缝 胶 的 拉 伸 变 形 量 要 求 越 大。因此，灌 缝 胶 填 充 后 的 裂 缝 修 补 结 构 要 保 持 充分 的 协 调 变 形 能 力 和 足 够 的 界 面 粘 结 强 度，则灌 缝 胶 必 须 具 备 一 定 的 抗 拉 强 度，以 满 足 裂缝 随 温 度 变 化 产 生 的 扩 张 和 收 缩 趋 势。表拉 伸 强 度 和 断 裂 伸 长 率掺 量（）拉 伸 强度（）断 裂 伸长 率（）由 表可 知，当掺 量 为时，灌 缝胶 的 拉 伸 强 度 和 断 裂 伸 长 率 与 不 含的 相 比 变化 不 大，当 含 量 为时，灌 缝 胶 的 断 裂 伸 长率 增 加 了，而 拉 伸 强 度 仅 增 加。当含 量 增 加 到、时，拉 伸 强 度 和 断 裂 伸 长率 均 显 著 增 大。当掺 量 为时，拉 伸 强 度 相对 未 掺 加的 灌 缝 胶 增 加 了，断 裂 伸 长 率增 加 了，均 为 最 大 值。但 当含 量 达 到时，拉 伸 强 度 和 断 裂 伸 长 率 均 降 低。这 是 因 为随 着含 量 的 增 加，分 子 链 中 氢 键 含 量 增 加，硬段 含 量 增 加，软 段 与 硬 段 相 分 离 加 强，硬 段 氢 键 密度 增 加，硬 链 段 聚 集 成 硬 链 段，形 成 大 量 物 理 交 联点，分 子 间 相 对 滑 动，力 学 性 能 增 强。然 而，当 硬 段增 加 到 一 定 程 度 时，其 刚 度 会 增 加，但 相 应 的 柔 韧性 会 降 低，从 而 导 致 最 终 力 学 性 能 会 下 降。灌 缝 胶 界 面 粘 结 性 能行 车 荷 载 作 用 在 路 面 上 时，不 仅 会 对 路 面 产 生垂 直 向 下 的 压 应 力，还 会 产 生 车 辆 行 驶 相 反 方 向 的水 平 力，修 补 后 路 面 的 灌 缝 胶 也 会 承 受 竖 向 力 和 水平 力 的 综 合 作 用。因 此，本 节 采 用 斜 剪 试 验 来 分 析灌 缝 胶 修 补 后 的 效 果。将沥 青 混 合料 成 型 标 准 车 辙 板 试 件，然 后 用 岩 石 切 割 机 把 车 辙板 试 件 切 割 成的 立 方 体 试 件。采 用 车 辙 板 碾 压 成 型 面 作 为 裂 缝 壁 面，将 两 个 立 方体 试 件 的 碾 压 成 型 面 对 中 拼 接，用 玻 璃 棒 将灌缝 胶 均 匀 涂 抹 在 试 件 夹 层 表 面，用 力 按 压，排 除 夹层 内 的 空 气，使 粘 结 剂 与 混 合 材 料 充 分 接 触，待 灌缝 胶 与 沥 青 混 合 料 充 分 粘 结 并 完 全 固 化 后 进 行 斜剪 试 验。考 虑 到 沥 青 路 面 在 高 低 温 条 件 下 均 存 在剪 切 应 力 作 用，故 剪 切 试 验 温 度 设 置 为、和三 个 温 度，测 试 结 果 如 图所 示。01020304050PUa掺量（%）-1020601.41.21.00.80.60.4斜剪强度（MPa）图不 同 温 度 下灌 缝 胶 修 补 后 界 面 剪 切 强 度从 图可 知，随 着掺 量 的 增 加，灌 缝胶 的 界 面 斜 剪 强 度 呈 先 增 大 后 减 小 趋 势，但 整 体 均高 于 未 掺 加的 灌 缝 胶。当掺 量 小 于时，界 面 斜 剪 强 度 增 加 不 明 显。当掺 量 为时，、和下 界 面 剪 切 强 度 分 别 增 加 了、和。同 样，当含 量 为时 界 面 剪 切 强 度 分 别 达 到 最 大 值，分 别 提 高 了、和。然 而，当的 含 量 为时，粘 合 剂 的 剪 切 强 度 降 低。表 明掺 量 下灌 缝 胶 的 界 面 粘 结 强 度 最 高。随 着 测 试 温 度 的 降 低，灌 缝 胶 的 界 面 斜剪 强 度 随 之 增 大，这 表 明灌 缝 胶 的 低 温 抗 拉能 力 优 异。尽 管 高 温 下 界 面 斜 剪 强 度 较 低，但 仍 有 以 上，依 旧 具 有 较 好 的 抗 拉 伸 能 力。这 是因 为 聚 氨 酯 的 感 温 性 较 低，在 温 度 变 化 较 大 的 情 况下，仍 可 以 较 好 地 保 持 自 身 材 料 受 力、结 构 状 态 的稳 定。结语本 文 采 用和粘 结 剂 制 备 了 一 种 性 能 优异 的，研 究 了 不 同掺 量 的灌 缝 胶 的 和粘 结 性 能，主 要 研 究 结 论 如 下。（）灌 缝 胶 初 始 粘 度 均 低 于，掺 量 的 增 加 会 降 低 灌 缝 胶 的 粘 度 和 凝 胶 时 间。的随掺 量 的 增 加 呈 先 降 低 后 升 高 趋势，的 掺 量 为时，最 低 为 ，灌 缝 胶 的 玻 璃 化 转 变 温 度 均 可 以 满 足 在 路 面低 温 时 处 于 橡 胶 态 的 要 求。（）灌 缝 胶 的 拉 伸 强 度 和 断 裂 伸 长 率 均随掺 量 的 增 大 呈 现 先 增 大 后 减 小 趋 势，当掺 量 为时，拉 伸 强 度 相 对 未 掺 加的 灌 缝 胶增 加 了，断 裂 伸 长 率 增 加 了，均 为 最大 值。（）随 着掺 量 的 增 加，灌 缝 胶 的 界面 斜 剪 强 度 呈 先 增 大 后 减 小 趋 势，但 整 体 均 高 于 未掺 加的 灌 缝 胶。当含 量 为时 界 面 剪切 强 度 分 别 达 到 最 大 值，相 对 未 掺 加分 别 提 高了、和。聚 氨 酯 的 温 度 敏 感 性较 低，在 温 度 变 化 较 大 的 情 况 下，仍 可 以 较 好 地 保持 自 身 材 料 受 力、结 构 状 态 的 稳 定。参 考 文 献：陈 虎新 型 路 面 灌 缝 胶 的 技 术 分 析 与 研 究 交 通 世 界，（）：刘 汉 超，林 辉反 应 型 灌 缝 胶 的 制 备 与 性 能 研 究 中 国 建材 科 技，（）：张 玮，梁 明，范 维 玉，南 国 枝，罗 辉沥 青 路 面 灌 缝 材 料 研 究进 展 石 油 沥 青，（）：薛 恒 潇，谭 忆 秋紫 外 老 化 作 用 下 无 砟 轨 道 灌 缝 胶 粘 附 性 能及 微 观 属 性 演 变 规 律 高 分 子 材 料 科 学 与 工 程，（）：，聚 氨 酯 灌 浆 材 料