具有防水功能的水泥混凝土路面填缝料的研制

道桥防水技术专题研讨会论文集 具有防水功能的水泥混凝土 路面填缝料的研制术 寿崇琦，尚 吩，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) 摘要：用有机硅对聚氨酯进行改性，制备了水泥混凝土路面填 缝料，并进行了性能测试。结果表明：改性聚氨酯填缝料的物 理性能、耐水性能和耐老化性能均得到了提高，具有很高的应 用价值。 关键词：聚氨酯填缝料；有机硅；混凝土路面防水 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⋯。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[21。 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，同时一NC0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【润。 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250mL 干燥的四口瓶中，于110～120℃的油浴中加热，脱水 1．5—2h，然后将体系温度降至反应温度，缓慢滴加化 学计量的MDI，0．5h滴加完毕，反应2h，在-0．086 MPa左右的真空度和(80+2)℃下加热2-3h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，在一0．086MPa左右的真空度和80℃下减压脱 水3h，关闭真空装置，降温后密封储存备用。 +国家西部交通建设科技项目黄土地区路面施工技术研究子课题：水泥混凝土路面填缝料的抗老化研究， 项目编号：2001—318-223-70-(5) m#≈r$#$÷日日口§镕R．，I l 3试样制备 l 31粘结性能试样的制各 1)根据JCIT976--2005《道桥嵌缝用密封胶》对 试验基材的要求．将425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⋯81字形水泥模块，用水养护7d后．烘干备 用。 2)将改性聚氮酯填缝料的甲、乙组分按1：15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l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7d 后测试其性能。 填缝料 水泥模块 = 圄1粘结性能刹试试样 l 32拉伸性能试样的制备 将改性聚氨酯填缝料的甲、乙组分按1：15的质 量比混合，充分搅拌至无气泡生成，制成2mm厚的 薄膜，在标准固化条件下固化7d，裁成如图2所示 的标准哑铃型试样，测试其拉伸性能。 图2拉伸性能测试试样 1 4测试标准及方法 1 41力学性能测试 定伸牯结眭：按GB／T13477{建筑密封材料试验 方法》第10部分进行测试； 拉伸模量：按GB／T13477{建匀寸密封材料试验方 法》第8部分进行测试。 142耐水性能测试 1)浸水后定伸粘结性：按GBt'r13477{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7d后 按GB／T13477{建筑密封材料试验方法》第8部分进 行测试。 14．3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，辐照渡长为300—400nm，老化时间定为180h． 黑板温度计温度为(65±3)℃，喷水时间为(18±05) min，两次喷水之间的干燥间隔为(102±05)min。试 样老化后，按GB／T13477{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 21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。 表1两种填缱料性能测试结果 由表I测试结果看出，改性聚氨酯填缝料的最大 伸长率比非焦油聚氨酯填缝料的最大伸长率大，说明 其延展|生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(Sl—O)的柔性链段，Sl—O 键比c—c键和c0键的键长大，键角也大，内旋转 更为容易．高分子链柔顺性好171。改性聚氯酯填缝料 的拉伸强度较非焦油聚氨酯填缝料有所降低，这是由 ]d甚 越桥防恭技术专题研讨会论爻集 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嘲同水泥混凝土产生粘结 外，还通过一NCO基团同水泥混凝土表面的羟基形 成化学键合产生粘结㈣；改性聚氨酯填缝料由于在分 子链中引入的Si一0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旧。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一0键，Si一0 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。 表2两种填缝料的耐水性能测试结果 非焦油聚氨酯填缝料 改性聚氨酯填缝料 指标 未浸 浸水 浸水后性能 未浸 浸水 浸水后性能 水 7 d 保持率／％ 水 7d 保持率，％ 拉伸强 4．59 3．96 86 4．26 4．09 95 度／MPa 最大伸 658 683 104 872 891 102 长率，％ 粘结强 1．55 1．25 81 1．87 1．79 96 度／MPa 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422．5kJ／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㈦。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。 表3两种填缝料耐老化性能测试结果 非焦油聚氨酯填缝料 改性聚氨酯填缝料 指标 未老 老化 老化后性能 未老 老化 老化后性能 化 ，口 保持率／％ 化 后 保持率／％ 拉伸强 4．59 3．26 71 4．26 3．97 95 度／MPa 最大伸 658 564 86 872792 91 长率／％ ～ 粘结强 1．55 1．21 78 1．87 1．77 95 度／MPa 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 【1]侯捷，高培伟．水泥混凝土高速公路的发展前景[J】．建材发展 导向，2006(5)：37—39 [2]李强，李新平，姜增国等．水泥混凝土路面常见病害的机理及 预防[J]．国外建材科技，2006，27(5)：21-23 [3]寿崇琦，张志良等．水泥混凝土路面用SBS改性沥青聚氨酯 填缝材料的研究阴．公路交通科技，2004，21(4)：134-137 [4]邹德荣．聚氨酯防水嵌缝材料研制中填料选择[J]．中国建筑防 水，2003(12)：19—21 [5]寿崇琦，张志良等．水泥混凝土路面填缝材料的研究【J]．公路， 道桥肪水技术专题研讨会论文集 2005(2)：113—115 [6]寿崇琦，邢希学等．机场跑道填缝胶的研究叨．交通科技， 2005(2)：207—209 [7]何曼君，陈维孝，董西侠．高分子物理[M]．上海复旦大学出版 社．1982：】6—18 [8]朱吕民．聚氨酯合成材料[M]．南京江苏科学技术出版社． 2002：386—388 [9]向明，蔡燎原，张季冰．胶粘剂基础与配方设gt[M]．北京化学 工业出版社．2002：18—19 [10]李绍雄，刘益军．聚氨酯胶粘剂[M]．北京化学工业出饭社， 1998：33—36 [11]山西省化工研究所编．聚氨酯弹性体手册[M]．北京化学工业 出版社，2001：115—117 【12]RamazanB，GordonL．Synthesisofnewsiloxaneurethane blockcopolymersandtheirproperties．JPolySciPartA： PolymChem，1994(32)：1847 (原载《中国建筑防水)2008年第2期)