（高分子化学与物理专业论文）水泥混凝土路面填缝料的耐久性研究.pdf

摘要 水泥混凝土路面接缝施工质量的优劣直接影响到水泥混凝土路面的使用性能和 使用寿命。从对我国水泥混凝土路面病害的调查来看，接缝损坏是常见损坏。这主要 是由于现有的填缝料存在粘接力差、热稳定性和低温性能不良、耐候性差、老化快等 缺点，损坏后失去了对接缝的密封保护。研究影响填缝料耐久性的因素，对提高填缝 料的使用寿命具有重要的实际价值。 本文利用聚硅氧烷的羟基和异氰酸基反应，将聚硅氧烷链段引入到聚氨酯主链 中，合成了有机硅改性聚氨酯预聚体。通过测定反应过程中异氰酸基含量，确定了最 佳反应条件，并通过红外分析对预聚体进行了表征。将制备的预聚体与含有大量助剂 的羟基组分配合，制备了双组分填缝料。通过探讨预聚体中聚醚二元醇与聚醚三元醇 的质量比、有机硅含量、异氰酸基含量，甲乙组分配比对填缝料力学性能的影响，确 定了最佳原料配比。为了模拟自然界对填缝料的破坏性作用，本文设计了浸水试验、 浸油试验、热压冷拉试验、剪切疲劳试验、人工加速气候老化试验等耐久性能研究 方法，首次将耐疲劳性和耐老化性作为考察填缝料性能的技术指标，更加深入地研究 了填缝料的耐久性。本文还探讨了形状系数、表面状态等外界因素对填缝料力学性能 的影响。所得的主要试验结论如下： ( 1 ) 预聚反应的最佳反应条件为：反应在氮气保护下进行，反应温度为8 0 ， 反应时间为3h ； ( 2 ) 当预聚体中聚醚二元醇与聚醚三元醇的质量比为2 ：l 、有机硅含量为1 0 、 异氰酸基含量为4 0 ，甲乙组分配比为l ：2 时，制备的填缝料具有优良的性能，其 拉伸强度为3 3 2m p a ，粘接强度为1 0 3m p a ； ( 3 ) 在乙组分中添加硅烷偶联剂改性，改性后填缝料的粘接强度为1 1 2m p a ， 有了较大提高； ( 4 ) 制备的填缝料浸水后性能保持率在9 4 以上，浸油后性能保持率在9 2 以 上，具有优良的耐水、耐油性；热压一冷拉试验后粘接性能保持率为9 3 2 0 ，剪切疲 劳试验后粘接性能保持率为9 0 2 9 ，具有优良的耐疲劳性；人工加速气候老化后拉 伸性能保持率为8 3 7 3 ，粘接性能保持率为8 6 4 1 ，剪切性能保持率为8 5 7 1 ，耐 候性优良。其耐久性较未改性的聚氨酯填缝料有了显著提高，既具备了聚氨酯填缝料 优良的粘接性和弹性，又具备了有机硅填缝料优良的耐候性和柔顺性，是一种耐久性 优良的填缝料； ( 5 ) 深宽比和界面状态是影响填缝料耐久性的重要因素。选择合适的深宽比能 提高填缝料的耐久性，对有机硅改性聚氨酯填缝料来说深宽比应控制在2 3 。此外， 界面不干净也易造成填缝料脱粘，所以粘接界面应经打磨处理或涂底涂剂。 关键词：水泥混凝土路面；填缝料；耐久性；聚氨酯；改性 a b s t r a c t t h eq u a l i t yo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tj o i n t si m p a c t sp e r f o r m a n c ea n dd u r a b i l i t y o fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t t h ei n v e s t i g a t i o no ft h ed a m a g eo fc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n ts h o w s t h a tt h ed a m a g eo f j o i n t si sau s u a ld a m a g eo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t t h ec u r r e n tj o i n ts e a l a n t sh a v em a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sw e a kb o n d i n gf o r c e ，u n s t a b l e h e a ts t a b i l i t y ，p o o rp r o p e r t yo fl o w - t e m p e r a t u r e ，p o o rw e a t h e rr e s i s t a n c e ，p o o ra g i n g r e s i s t a n c ea n ds oo n t h e s er e s u l ti nt h ed a m a g eo ft h ej o i n ta n dc a u s eb a ds e a l t h es t u d y o nf a c t o r si m p a c t i n gd u r a b i l i t yo fj o i n ts e a l a n th a si m p o r t a n tv a l u et oi m p r o v ei t su s e f u l l i f e i nt h ep a p e r ，p o t y s i l o x a n ec h a i nf r a g m e n t sw e r ea d d e dt o p o l y u r e t h a n ec h a i n b a c k b o n eb yt h er e a c t i o nh y d r o x y lo fp o l y s i l o x a n ea n di s o c y a n a t e ，a n dt h ep r e p o l y m e ro f p o l y u r e t h a n em o d i f i e d 、) l ，i t hp o l y s i l o x a n ew a sp r e p a r e d t h eb e s tr e a c t i o nc o n d i t i o nw a s c o n f i r m e db ym e a s u r i n gi s o c y a n a t ec o n t e n t ( n c o ) o ft h er e a c t i o n ，a n dt h ep r e p o l y m e r w a sc h a r a c t e r i z e db yf t i r t h et w o - c o m p o n e n tj o i n ts e a l a n tw a sp r e p a r e db yr e a c t i o no f t h ep r e p o l y m e ra n dt h ec o m p o n e n tw i t hh y d r o x y l t h eb e s tw e i g h tr a t i oo fr e a c t a n tw a s c o n f i r m e db yd i s c u s s i n gt h ee f f e c to ft h ew e i g h tr a t i oo fp o l y e t h e rd i o la n dp o l y e t h e rt r i o l ， m a s sf r a c t i o no fp o l y s i l o x a n e ，i s o c y a n a t ec o n t e n t ( n c o ) a n dt h ew e i g h tr a t i oo ft h e p r e p o l y m e ra n dt h ec o m p o n e n tw i t l lh y d r o x y lo np r o p e r t y i no r d e rt os i m u l a t et h e d e s t r u c t i v ee f f e c to ft h en a t u r eo nt h ej o i n ts e a l a n t , s o m ee x p e r i m e n t sw e r ei n t r o d u c e d ， s u c ha si m m e r s i o ni nw a t e r ，i m m e r s i o ni no i l ，h o t p r e s s i n g c o l d d r a w i n g ，s h e a r i n gf a t i g u e ， a r t i f i c i a la c c e l e r a t e dw e a t h e r i n ga n ds oo n t h ef a t i g u ee n d u r a n c ea n da g i n gr e s i s t a n c e w e r ef i r s t l yu s e da ss p e c i f i c a t i o n st oi n s p e c tt h ep r o p e r t yo ft h ej o i n ts e a l a n t i nt h ep a p e r , t h ee f f e c to fo t h e rf a c t o r ，s u c ha ss h a p em o d u l u s ，i n t e r f a c es t a t e ，o nt h ep r o p e r t yo fj o i n t s e a l a n tw a sd i s c u s s e d f r o mt h e s ee x p e r i m e n t sw em a yc o m ei n t ot h e s ec o n c l u s i o n s ： ( 1 ) w h e nt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s8 0 a n dr e a c t i o nt i m ew a s3h ，t h eb e s t p r e p o l y m e rw a sp r e p a r e da tt h ep r o t e c t i o no fn i t r o g e n ( 2 ) t h ep r o p e r t yo fj o i n ts e a l a n tw a sb e t t e rw h e nt h ew e i g h tr a t i oo fp o l y e t h e rd i o l a n dp o l y e t h e rt r i o lw a s2 ：1 ，m a s sf r a c t i o no fp o l y s i l o x a n ew a s10 ，t h ei s o c y a n a t ec o n t e n t ( n c o ) o fp r e p o l y m e rw a s4 0 ，t h ew e i g h tr a t i oo ft h ep r e p o l y m e ra n dt h ec o m p o n e n t i i i 埘t hh y d r o x y lw a s1 ：2 t h et e n s i l es t r e n g t ha n db o n d i n gs t r e n g t ho ft h ej o i n ts e a l a n tw a s 3 3 2m p aa n d1 0 3m p a r e s p e c t i v e l y ( 3 ) t h ej o i n ts e a l a n tw a sm o d i f i e db ya d d i n gs i l a n ec o u p l e rt ot h ec o m p o n e n t 谢t h h y d r o x y l t h eb o n d i n gs t r e n g t hc a m et o1 12m p a ( 4 ) t h ep r o p e r t yo fj o i n ts e a l a n tp r e p a r e dm a i n t a i n e do v e r9 4 a n d9 2 a f t e r i m m e r s i o ni nw a t e ra n do i lr e s p e c t i v e l y ，w h i c hh a de x c e l l e n tw a t e re n d u r a n c ea n do i l e n d u r a n c e t h eb o n d i n gs t r e n g t ha f t e rh o t - p r e s s i n g c o l d d r a w i n gt e s tm a i n t a i n e d9 3 2 0 a n d9 0 2 9 a f t e rs h e a r i n gf a t i g u et e s t , t h ef a t i g u ee n d u r a n c eo fw h i c hw f l sw e l l a f t e r a r t i f i c i a la c c e l e r a t e dw e a t h e r i n gt e s t ，t h et e n s i l es t r e n g t hm a i n t a i n e d8 3 7 3 ，t h eb o n d i n g s t r e n g t hm a i n t a i n e d8 6 4 1 ，t h es h e a r i n gs t r e n g t hm a i n t a i n e d8 5 7 1 ，t h ew e a t h e r r e s i s t a n c eo fw h i c hw a ss u p e r i o r i t sd u r a b i l i t yw a sm u c hb e t t e rt h a nt h a to fp o l y u r e t h a n e j o i n ts e a l a n t t h ep o l y u r e t h a n ej o i n ts e a l a n tm o d i f i e dw i mp o l y s i l o x a n eh a de x c e l l e n t b o n d i n ga n de l a s t i c i t y o fp o l y u r e t h a n e ，s u p e r i o rw e a t h e rr e s i s t a n c ea n df l e x i l i t yo f p o l y s i l o x a n e ( 5 ) t h er a t i oo fd e p t ha n dw i d t h ，i n t e r f a c es t a t ew e r ei m p o r t a n tf a c t o ri m p a c t i n g d u r a b i l i t yo fj o i n ts e a l a n t a p p r o p r i a t er a t i oo fd e p t ha n dw i d t hc o u l de n h a n c et h e d u r a b i l i t yo f j o i n ts e a l a n t ，w h i c ho fp o l y u r e t h a n ej o i n ts e a l a n tm o d i f i e dw i t hp o l y s i l o x a n e s h o u l db e2 - 3 m o r e o v e r ，i n t e r f a c eu n c l e a nc o u l dr e s u l ti nb o n d i n gd e s t r u c t i o no f j o i n t s e a l a n t s ot h eb o n d i n gi n t e r f a c es h o u l db ep o l i s h e do rs p r e a da na d h e s i v e k e yw o r d s ：c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，j o i n ts e a l a n t ，d u r a b i l i t y ，p o l y u r e t h a n e ， m o d i f i c a t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二监! b 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴。本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文或 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二坚凼导师签名： 济南大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章前言 改革开放近三十年来，我国国民经济高速发展，为了适应经济快速发展的需求， 我国加强基础设施建设力度，以缓解经济增长过快给社会带来的负担。其中以公路建 设发展最为迅速，因为便利的交通运输是活跃经济市场的重要保障。近几年，随着经 济的进一步发展，道路上的交通量迅速增长，车速也不断提高，对路面质量提出了更 高的要求，公路等级不断提高。对于繁重的交通负荷，水泥混凝土路面的优势越来越 明显地体现出来，这是由于水泥混凝土路面属于刚性路面，具有承载能力大、扩散荷 载能力强、抗磨耗能力强、能见度好、使用寿命长和日常养护费用低等优点【l 刃，同 时我国水泥产量大、分布广、供应方便、能源消耗少，所以它在高级公路、城市道路、 机场道路和厂矿道路上越来越多地被采用。 2 0 世纪3 0 年代，西方国家最初的试验性水泥混凝土路面与后来的沥青路面一样 也是不设置接缝的，结果发现水泥混凝土路面的温度和干燥收缩应变过大，水泥混凝 土路面在特定气候条件下，会发生不规则的自然断裂，其断裂的尺寸与目前所设置的 接缝基本一致，后来将水泥混凝土路面上的弯曲断板控制为规则的接缝，发展为路面 上的规则切缝和灌缝技术，使混凝土板能自由胀缩，减小变形时板与基础之间的摩阻 力，避免板内产生过大的应力造成板的断裂或拱胀等破坏【3 4 】。 水泥混凝土路面长期暴露在日晒、雨淋、冻融、温差及受某些化学物质侵蚀的自 然环境中，也会产生不同形式、不同程度的损坏，主要表现为裂缝、卿泥、沉陷、破 碎以及板底脱空等病害【5 ，6 】。而接缝是水泥混凝土路面结构中的薄弱环节，最容易损 坏，而且是发生卿泥、错台和断角等病害的根源【7 1 3 1 。填缝料的损坏是导致接缝损坏 的主要原因，它包括填缝料缺失、填缝料破损与老化、填缝料挤出等。其损坏原因是： 接缝的宽度随气温而变化，当气温上升时缝中的填缝料被挤出；当气温下降时性能较 差的填缝料不能恢复，使缝中形成空隙，易造成泥沙、石屑等杂物的侵入，成为板块 伸胀时的障碍。当温度再次上升引起混凝土面板膨胀，挤入的硬物挤压面板边缘，将 引起板边胀裂，雨雪水便能沿此空隙渗入，轻则使路基含水量增大降低基层的承载能 力，重则将基层材料冲走或从接缝挤出，在板下形成空隙，当车辆驶过面板时，由于 基层承载力降低或因板下形成的空隙而产生过大的下挠和弯曲应力，造成路面接缝处 的变形和破损，导致面板损坏。 1 水泥混凝土路面填缝料的耐久性研究 以往人们只是对水泥混凝土路面结构和材料等方面投以大量的人力、物力和财力 进行研究，而忽视了水泥路面接缝的施工和养护。由于接缝达不到设计年限，水泥混 凝土路面时常出现面板横向裂缝、错台等病害，这在很大程度上与接缝所采用的填缝 料有关，因此，接缝的处理是水泥路面施工和养护的重要环节，道路工作者应加强对 填缝料的认识和重视。 以前我国对接缝材料研究较少，材料品种不多，且存在粘接力差、热稳定性和低 温性能不良、耐候性差、老化快等缺点，实际密封时间短，只有半年左右，严重地影 响水泥混凝土路面的使用性能。因此，研究填缝料的耐久性，制各一种性能优良的填 缝料，并将其应用于水泥混凝土路面接缝的密封，可以有效提高水泥混凝土路面的使 用功能，减少维修养护工作量以及由此造成的行车影响。 1 2 水泥混凝土路面接缝构造与密封处理 水泥混凝土路面在凝结硬化过程中具有较大的干缩变形和温缩变形，从而要求设 置间距很密的胀缝、缩缝及符合施工要求的施工缝1 4 , 1 5 】，按目前我国现行水泥混凝 土路面设计规范( j t gd 4 0 2 0 0 2 ) 规定，水泥混凝土路面的接缝按设置方向可分为 纵缝( 顺行车方向) 和横缝( 垂直于行车方向) ；按接缝的功能分类，有胀缝、缩缝 和施工缝。 胀缝是为防止混凝土路面温度升高时，面板由于纵向变形受到约束，不能自由伸 胀而产生附加压应力而设置的有一定宽度( 约2 0c m ) 的横向接缝。胀缝通常设置在 桥梁两端附近的路面、板厚改变断面处、小半径曲线和纵坡变换处、以及与柔性路面 相接处等。胀缝是混凝土路面最为薄弱的部位，若雨水、杂物进入接缝，将使传荷能 力下降而形成缝边破坏，所以需用防水填缝料填塞。 缩缝是为防止路面在温度、湿度下降时受到各种约束，不能自由收缩而产生超过 混凝土极限抗拉强度的拉压力而设置的横缝。设置缩缝的目的是诱导路面板的收缩变 形沿缩缝展开，形成规则的接缝。缩缝缝隙不留空隙，缩缝顶部切开3 5i i l 1 1 宽的切 口，需填塞防水填缝料。 施工缝是在每日施工作业完成后，或在施工突然中断时设置的横向接缝。施工缝 应制成平头缝，并设置传力杆，通常选择缩缝的预定位置设置施工缝，以保持路面分 块整齐划一。 由于目前我国对水泥混凝土路面接缝的定义比较复杂。我们根据美国s h r p 研究 2 济南大学硕士学位论文 的成果( s h r p h 3 4 9 1 ) 推出的美国联邦公路属( f h w a r d 9 9 1 4 6 ) 水泥混凝土 路面填缝材料的施工手册规范了水泥混凝土路面缝的几个部分构造名称【1 6 1 ，明确了 本文研究的主要内容。水泥混凝土路面接缝的横断面见图1 1 。 嵌缝材料填缝料路面 图1 1 路面接缝示意图 f i g 1 1t h es k e t c hm a po fp a v e m e n tj o i n t 背衬垫条，也称嵌缝材料，它是先于填缝料置于水泥混凝土路面接缝中的，它用 来防止填缝料沉于缝底，一是可以节省材料，二是避免填缝料随意流动，能更好地与 缝壁粘接。如果背衬垫条选择和安装合适，它还可以保持填缝料的厚度。因此嵌缝材 料必须柔软、可压缩、不收缩、不易反应和不吸水。 填缝料也称密封材料。它实际是一种胶粘剂，用于填塞水泥路面的接缝，以防止 雨水、砂石等杂物进入接缝内部。因此填缝料必须具有较好的柔韧性、弹性，而且与 接缝表面有良好的粘接性；同时，要求密封严密、不漏水，能够适应接缝的宽度随温 度、湿度的变化而产生的变形。一直以来人们却忽视了对填缝料的耐久性的重视，而 填缝料的损坏很大程度上是由填缝料的耐久性不好引起的。填缝料的耐久性应由填缝 料的粘接性、耐水性、耐油性、耐疲劳、耐候性等性能来综合评价。现有的填缝料耐 久性能差，使用寿命短，达不到路面的使用期限，损坏后丧失了对接缝的保护，造成 接缝损坏，进而引起路面病害的频繁出现，缩短路面的使用寿命，本文以研究填缝料 的耐久性为目的，探索填缝料耐久性的影响因素，并制备一种耐久性优良的填缝料， 为考察填缝料性能指标提供参考，提高我国填缝料的综合性能。 1 3 水泥混凝土路面填缝料的研究现状 1 3 1 国外水泥混凝土路面填缝料的使用和发展 填缝料的使用已有一百多年的历史，早在1 9 0 6 年，美国在东部华盛顿、马萨诸 塞州最早使用热熔型焦油沥青作为填缝料n 7 1 ，此时人们认为填缝料的主要功能是填 充。1 9 1 2 年，美国混凝土研究所制定了第一部涉及填缝料的标准，称为“水泥混凝 土路面的标准规格 【1 8 】。许多年以来，这项标准一直作为水泥路面填缝材料性能指 3u 水泥混凝土路面填缝料的耐久性研究 标的参考，直到现在许多标准依然在沿用标准的部分内容。 在填缝料使用初期，填缝料实际上是炼油产生的副产品焦油和沥青，后来以橡 胶改性沥青为主的改进材料迅速发展。1 9 6 0 年，美国在m i c h i g a n 水泥路面上首次采 用氯丁橡胶作填缝料。以氯丁橡胶为主要弹性成分的嵌缝条的出现结束了填缝料需 加热使用的历史，由于氯丁橡胶能保持长期弹性恢复率而被广泛用于水泥公路路面 接缝处的嵌缝材料。 进入2 0 世纪7 0 年代，人们改变了对填缝料的认识，认为填缝料必须具备一定 的防止水分渗入的能力。美国联邦公路协会认为，填缝料应具有以下标准要求：一 是填缝料除了保证地表水的最少渗入( 即防水功能) 外，还要具备足够的抗嵌入度， 以防止硬物侵入接缝处，损伤接缝；二是填缝料必须有足够的抗腐蚀能力，以防止 清除路面冰层时用的化学试剂的侵入；三是填缝胶必须有一定的弹性，能够经受住 车轮碾压产生的震动和气温变化所致的接缝的伸缩。 1 9 7 0 年以来，水泥混凝土路面的接缝开始使用热熔型填缝料，如改性沥青、p v c 改性胶泥等。这类热熔型填缝料是在现场灌缝【1 9 1 ，材料加热后立即人工灌入路面接 缝内。热熔型填缝料经过多年的研究和发展，已经取得很大的进展。它们完全不同 于最早用作填缝料的高温熔化焦油和沥青，它们的弹性和耐久性有了一定提高。 随着对填缝料防水、弹性和粘接功能的认识，人们改进了填缝料的粘接能力， 而且已经制造出低模量高弹性的填缝料。目前美国大约2 5 的筑路公司使用热熔型 填缝料进行填缝。 为了寻求耐久性能好的水泥混凝土路面填缝料，可以室温固化的高分子材料得 到重视1 2 0 1 ，如有机硅和聚氨酯等。发达国家目前普遍采用以有机硅树脂为主要组分 的有机硅填缝料作水泥混凝土路面填缝料，该填缝料可以室温固化，在常温下就能 保持液体性能，可以和空气中的水分反应而交联成型固化变成橡胶状固态1 2 ，也可 以加固化剂固化为固态1 2 2 ，2 3 】。现在美国等发达国家的筑路公司5 2 采用有机硅填缝 料作为其水泥公路路面的横切缝的填缝料。目前对有机硅的改进是自流平式有机硅 填缝料1 2 4 的产生，这种有机硅填缝料流动性比较好，灌入缝隙后可以依靠本身良好 的流动性能自己流平，不需要其它工具将其整平。 2 0 世纪8 0 年代以来，聚氨酯填缝料得到迅速发展。其耐磨性、低温柔软性、粘 接性、耐油性优赳2 5 筇l ，且价格低廉。1 9 8 5 年，美国聚氨酯填缝料的产量与有机硅 填缝料相当，9 0 年代其聚氨酯填缝料的产量已经超过有机硅。聚氨酯填缝料的常温 4 济南大学硕士学位论文 流动性能比较好，其施工工艺类似于自流平式有机硅填缝料。 美国公路战略研究计划( s h l 姆) 于1 9 9 1 年开始历时5 年的广泛研究发现：并 非所有满足规范要求的填缝料都具有相同甚至相近的实际性能，材料的整体性能因 生产厂家的不同而不同，随着使用时间的推移，这种差异会日益显著；性能好的填 缝料是那些在张拉时真正能做到应力松弛的橡胶改性类材料2 7 ，2 引。该计划研究结果对 填缝料提出了以下基本要求：备料时间短、填缝方便快捷( 工作性能好) 、处理时 间短、粘附性好、内聚性好、抗软化和流动、柔韧性、弹性、抗老化和腐蚀、耐磨。 1 3 2 国内水泥混凝土路面填缝料的使用和现状 在我国水泥混凝土路面刚刚兴起之时，填缝料多为沥青材料。而沥青材料是由一 些极其复杂的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属衍生物组成的混合物，其组成结 构非常复杂，其化学组分不稳定，在各种因素的影响下会发生变化。 过去，我们在用沥青材料作填缝料时，通常需要加热才能将沥青材料灌入接缝内， 在加热过程中，沥青材料中的不饱和组分会发生氧化、缩合和聚合反应，水泥混凝土 中的铝、铁等盐类如催化剂一样，使沥青中的沥青酸类生成有机酸铝盐及铁盐，加速 沥青的老化。随着老化进程的进行，胶质组分明显减少，高分子化合物沥青质大量增 加，使沥青塑性逐渐消失，而脆性增加，沥青变硬，失去填缝的功效。 其后又相继出现了沥青橡胶类、沥青玛蹄脂等改性沥青类填缝料【2 9 州，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，但是，经应 用发现：仍然存在抗冰冻的稳定性差，施工时需要加热，对环境的污染大，耐久性差， 粘接不好，抗嵌入能力差等问题。 后来人们又用聚氯乙烯胶泥作填缝料【3 l 】，它以煤焦油及聚氯乙烯树脂为基料，并 按一定比例添加助剂制备而成。其具有高温时不流淌、低温时不脆裂的特点，并有一 定的回弹能力，但由于煤焦油组分的易挥发性，使用一段时间后就暴露了回弹能力显 著降低，产生永久性变形不易恢复，抗嵌入性能差，脆裂，与接缝壁面粘接开裂等致 命弱点。而且该产品也是需要现场加热，趁热灌缝，难控制，煤油污染大。 在此基础上，1 9 9 7 年以后，焦油型聚氨酯填缝料【3 2 1 开发成功进入市场。由于其使 用了可以室温固化的聚氨酯增粘树脂，使该产品的性能较以往的加热式产品有了较大 提高，主要表现在：不需要现场加热，大部分为双组分，现场按一定比例配制后，采 用机械或人工灌缝，施工速度加快，灌缝质量提高。它的优点是与接缝壁面粘接强度 水泥混凝土路面填缝料的耐久性研究 提高，弹性好，不渗水。但由于该填缝料含有大量的煤焦油，虽然加入煤焦油可以降 低成本，但是耐久性差，使用寿命短。特别是个别地区和单位，由于施工技术不好， 导致该产品的路面使用寿命更短，仅有半年到一年之间，就必须重新灌缝，给养护部 门带来较大经济损失。 其后，聚氨酯填缝料【3 3 】在我国有了长足的发展。由于聚氨酯弹性体具有特有的软 硬链段嵌段共聚的化学结构，以及微相分离的物理结构，这就决定了它具有优异的化 学性能及物理性能。聚氨酯弹性体软硬段比例可以通过对反应物配比调整来设计，使 其具有宽泛的弹性模量，在1 0 5 0 0 0m p a 2 _ 间，跨越橡胶和塑料，因此它既有橡胶的 柔性，又有塑料的刚性。由于聚氨酯填缝料具有冷施工、与接缝壁粘接好、回弹性优 良、不溶于水和不渗水、可灌性适合施工要求等优点，而且施工机具操作方便，劳动 强度低，投入市场后便得到迅速的推广。但是端异氰酸酯聚氨酯填缝料的固化速度慢， 有水存在时，固化会释放二氧化碳气体，使胶层起泡，造成缺陷；同时聚氨酯填缝 料有一个致命的弱点，就是它的耐候性差，在长期的阳光照射下，容易粉化变黄，使 用寿命明显的缩短。 国内对硅酮类密封胶的研究很少，对硅酮填缝料的需求多通过进口，是路面上试 用后，效果不是很理想。我国的国情决定了我国的交通的现状为：交通量大，超载严 重。硅酮类密封胶的一个致命的缺点是硬度小，抗嵌入度小，石子等硬物进入接缝， 容易造成接缝破坏，进而带来一系列连锁的路面病害，使路面寿命减短。这限制了它 在我国水泥混凝土路面中一直没有得到推广和应用。 我国研究和生产填缝料的水平和国外相比还有一定的差距，为促进我国水泥混凝 土路面填缝料的发展，1 9 8 8 年4 月，在河南省焦作市举行的科研协调会上，正式将 “水泥混凝土路面接缝料类型、检验方法、技术指标和施工方法的研究”列为国家科 委引导性研究课题我国水泥混凝土路面发展对策及修筑技术的研究第四分题中的 第四子题。此专题于1 9 9 1 年按计划完成了预定的研究任务，取得了较为满意的结果。 1 9 9 5 年8 月交通部颁布了公路水泥混凝土路面接缝材料行业标准，规定了接缝 材料的实验方法和评价指标。2 0 0 2 年，“水泥混凝土路面填缝材料抗老化研究 又 被列为国家西部交通建设科技项目黄土地区路面设计施工技术研究的子课题，该 课题于2 0 0 6 年5 月通过由交通部科技教育司组织的成果鉴定。 6 济南大学硕士学位论文 1 3 3 水泥混凝土路面填缝料种类 1 3 3 1 按材料分类 ( 1 ) 沥青类 沥青类填缝料以石油沥青为基本材料，加入改性材料( 如橡胶、树脂等) ，以及 稀释剂、填充料等配制而成，一般呈黑色膏状。分热熔型、溶剂型、乳液型三种，公 路工程以热熔型为主。这类材料的特点是价格低廉，至今应用量仍然很大，但作为填 缝料还有诸多缺点：首先沥青是热塑性材料，施工时需现场加热，既不方便又不安全； 其次沥青与水泥板粘接性差，易渗水、易老化、脆化、硬化、易剥落；再次沥青伸缩 性差，几乎无弹性，经一个热冷循环后，立即开裂，失去防水性能。 ( 2 ) 聚氯乙烯类 聚氯乙烯类填缝料是以煤焦油及聚氯乙烯树脂为基料，按一定比例加入增塑剂、 溶剂和滑石粉等而成。一般分热塑型和热熔型两大类。聚氯乙烯胶泥为热塑型，热熔 型为塑料油膏。公路工程中采用聚氯乙烯胶泥作填缝料比较普遍。它的优点是价格较 低，具有良好的弹性、耐腐蚀性，并且材料来源广泛，施工简便，施工质量容易控制。 不足之处是耐低温性差，从实用情况看，其路用密封效果一般只能维持2 3 年。 ( 3 ) 环氧树脂类 环氧树脂类填缝料是以环氧树脂为主体材料，加入改性材料和其它助剂配置而 成的一种填缝料。由于环氧树脂含有多种极性基团和活泼性很大的环氧基，因而与 金属、玻璃、水泥、木材、塑料等多种极性材料、尤其是表面活性高的材料有很强 的粘接，当然它也有自身的缺点：刚性大，延性小，质脆，抗剥离、抗开裂、抗冲 击性能差，与混凝土胶接时，界面易产生应力集中而开裂。 ( 4 ) 聚硫橡胶类 聚硫橡胶类填缝料是应用较早的高性能密封胶。由聚硫橡胶和金属氧化物等硫 化剂反应凝固而成。1 9 4 7 年首次在美国加里福尼亚电话电报大厦上使用，之后在美 国、前苏联、日本等许多大型工程中使用，有着很好的使用效果。我国从7 0 年代开 始研制聚硫密封胶。并开始运用于建筑嵌缝防水密封工程。聚硫密封胶分单组分和 多组分两大类型。由于其分子链中含有硫硫键，因而具有优越的耐油、耐溶剂、耐 水性能、耐老化性能以及优良的粘接性能和抗位移能力。但这类填缝料最大的缺点 是耐磨性能差，且惯用铅类氧化物作为固化剂，低温固化速度慢，固化物压缩性大， 胶料成臭味，老化后易变硬，使用在水泥混凝土路面上时有开裂现象发生，从而对 7 水泥混凝土路面填缝料的耐久性研究 混凝土路面失去保护作用。且价格昂贵，每吨6 5 万元以上。 ( 5 ) 聚氨酯类 聚氨酯填缝料是以聚氨基甲酸酯为主要成分的非定型密封材料。由含有异氰酸 酯基的基料和含有活泼氢化合物的硫化剂，以及催化剂、增塑剂、稳定剂、发泡抑 制剂和填充料等组成【3 舢3 6 1 ，属常温硫化型弹性密封胶。该种填缝料最初为双组分和 多组分型，近年来单组分型的封装稳定性问题已经得到解决，因此路用聚氨酯密封 材料现多为单组分型和双组分型。其优点是价格具有竞争力，具有高延伸率、高弹 性、耐磨、抗撕裂，而且耐油性良好。聚氨酯填缝料最大好处在于易溶于有机溶剂， 施工方便。因为分子体积较小，很容易透入水泥混凝土这种多孔性材料中，而且能 与吸附在被胶结材料表面上的水分及含水氧化物等发生化学反应，或者在碱性的被 粘接物表面上自行聚合，从而提高粘接强度。但其内聚强度高，位移能力不足，耐 老化性差，在实际应用中普遍存在与接缝壁脱粘或内聚开裂等现象，从而失去可靠 的密封防水作用。 ( 6 ) 丙烯酸酯类 丙烯酸酯填缝料p 7 1 是以丙烯酸酯类聚合物为主要成分的非定形密封材料，有溶 剂型和乳液型两种。路面灌缝中以非离子型乳液为主，具有施工方便、无污染、粘 接稳定、有弹性、耐油、耐水、抗老化性好等优点，但价格偏高，国内产品质量也 参差不齐。由于技术和成本的原因，此类密封材料在公路工程中尚不能大规模应用。 ( 7 ) 硅酮类 有机硅填缝料是以硅橡胶为基料的密封材料，分为高温硫化硅橡胶和室温硫化硅 橡胶，由于高温硫化硅橡胶胶粘剂的胶接强度低，加工设备复杂，极大地限制了它的 应用。公路工程中一般采用室温硫化硅橡胶p 8 4 0 】。在这种填缝料中既含有类似无机硅 酸盐的s i o 键结构，又含有有机基团，从而兼有机性能和无机特性。在高温或辐射 条件下，原子间化学键不易断裂，物质不易分解，同时，有机硅高聚物也耐低温。有 机硅密封胶的使用寿命可达3 0 年，甚至比混凝土本身的寿命还要长。但由于有机硅 链段为柔性链，这使其硬度很小，难以抵抗石子等硬物嵌入填缝料，硬物的嵌入使接 缝失去胀缩功能，造成接缝及路面的破坏。而且其机械性能和耐化学药品性较差，胶 层内物质容易渗析迁移，污染周围环境，且价格昂贵，严重影响了它的应用范围。 1 3 3 2 按材料类型分类 ( 1 ) 树脂类 8 济南大学硕士学位论文 树脂类填缝料主要有硅树脂、聚氨酯和环氧树脂等为基材的填缝料，属于技术性 能高档的填缝料。我国高速公路大多数采用聚氨酯填缝料，其正常使用温度为一3 0 7 0 ，在低温下性能偏脆，有低温脆裂的趋向，使用耐久性较差。 ( 2 ) 橡胶类 。橡胶类填缝料是以氯丁橡胶、沥青橡胶或改性橡胶为基材的填缝料。其优点是弹 性好，缺点是粘接力不足，灌好的接缝容易开裂。无论是填缝料本身或填缝料与缝壁 的开裂，若车轮带入脏物，开裂均无法复原，从而丧失应有的密封作用。 ( 3 ) 塑料类 塑料类填缝料是以聚氯乙烯胶泥、聚乙烯胶泥为代表，实质上是基材为塑料的填 缝料，再掺入大量辅助材料和填料制成。其已经在机场跑道、高等级公路有较多使用。 但是，这类填缝料的硬度不足，抵抗砂石的嵌入能力差，另外使用耐久性有待改进。 ( 4 ) 沥青基 沥青基填缝料包括热沥青、沥青玛蹄脂、乳化沥青和各种改性沥青，是技术档次 最低的填缝料。沥青基填缝料的粘接力、抗硬物的嵌入能力、弹性和耐久性均不理想， 但其最大的优势是价格低廉。目前，不少水泥混凝土路面工程仍在使用沥青基填缝料。 1 3 3 3 按施工类型分类 现行有关接缝料的标准中，没有按上述填缝料的种类分别提出要求，而是笼统地 划分为常温施工式( 热浇灌型) 和加热施工式填缝料( 冷浇灌型) 【4 1 1 。 ( 1 ) 热浇灌型 热浇灌型填缝料是通过加热熔融才能进行灌缝施工的一类填缝料。主要有沥青玛 蹄脂类、聚氯乙烯胶泥类、改性或橡胶沥青类，其性能必须满足表1 1 的要求。 表1 1 加热施工式填缝料技术指标 t a b l e1 1t h es p e c i f i c a t i o n so f j o i n ts e a l a n tf o rh e a t i n g ( 2 ) 冷浇灌型 9 水泥混凝土路面填缝料的耐久性研究 冷浇灌型填缝料是不需要加热熔融，常温下即可进行灌缝施工的一类填缝料。主 要有聚氨酯焦油类、氯丁橡胶类和聚氨酯沥青胶类等，其性能必须满足表1 2 的要求。 表1 2 常温施工式填缝料技术指标 t a b l e1 2t h es p e c i f i c a t i o n so f j o i n ts e a l a n tf o rr o o mt e m p e r a t u r e 1 4 水泥混凝土路面填缝料的性能要求 水泥混凝土路面接缝处理，是路面施工中十分重要的程序和工作内容，由于施工 不当或养护不及时，接缝达不到使用年限，常导致卿泥、错台、拱起、接缝碎裂等病 害的发生。可见，接缝施工质量的优劣直接影响到水泥混凝土路面的使用性能和使用 寿命。导致路面破坏的因素有很多【4 3 彤】，其因素包括： ( 1 ) 雨、雪、阳光、气温变化会加速填缝料的老化、粘接力的下降，导致填缝 料脱落，丧失密封防水性能。水从接缝进入基层，降低基层强度； ( 2 ) 硬物和脏物进入接缝后，将占据接缝空间，填缝料被挤出。较大幅度升温 使路面面板长度伸长较多，导致面板边缘爆裂、破碎或隆起； ( 3 ) 性能差的填缝料，受热流失，冷时硬脆，粘接性降低，使填缝料丧失防水 性能，或接缝养护施工工艺技术不配套，使良好的填缝料性能体现不出来； ( 4 ) 车辆通过接缝时，跳车使底面有水的板块出现卿泥作用，频繁卿泥会淘空 板底基层材料，使路面面板在接缝处断裂破坏； ( 5 ) 对于不设传力杆的接缝，基层强度不足，水稳定性欠佳，加快接缝边缘混 凝土板破坏； ( 6 ) 混凝土面板本身强度不够，易出现断板、卿泥或缝边破损； ( 7 ) 不正确的施工会使良好的填缝料降低甚至丧失防水作用。如传力杆安放不 当，灌入填缝料之前清洗不干净等。 分析得知，路面破坏很大程度上与填缝料的损坏有关。填缝料的性能，直接影响 1 0 济南大学硕士学位论文 混凝土路面的正常使用和使用质量，因而填缝料应具有适应混凝土路面使用和大气作 用的良好技术性能1 4 6 , 4 7 1 ： ( 1 ) 填缝料必须适应路面面板受温度影响而发生的胀缩变形。路面面板在低温 收缩时接缝变宽，填缝料将产生一定的应力和应变，若填缝料质量不好，与缝壁粘接 不牢，就会脱开，或材料开裂。因而填缝料应有良好的拉伸性能和较强的粘接力。当 温度升高，路面面板膨胀时填缝料受到压缩变形，填缝料必须有一定的柔软度，以适 应路面面板的压缩，即使低温时，也要具有弹性，因而填缝料应具有良好的回弹能力； ( 2 ) 路面接缝长期受大气作用，填缝料应具有抗大气影响的三大性能：有良 好的温度稳定性，低温不脆裂、高温不变软、不流淌、不外溢；在长期日照作用 下，应有抗紫外线和气候老化的耐久性；路面接缝经常受雨水浸泡，应选用不溶 于水、不渗水、有良好防水性的材料。耐久性好的填缝料才能延长接缝的使用寿命； ( 3 ) 接缝内常会进入砂石等杂物，致使路面面板的胀缩受到影响，给水泥路面 质量带来后患。因而，填缝料应具有在夏季高温材料变软时阻止砂石等硬物嵌入缝内 的能力，保证路面面板伸张不受阻； ( 4 ) 填缝料还应具有良好的施工性能