聚合物混凝土发展及桥梁工程应用研究.docx

《聚合物混凝土发展及桥梁工程应用研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《聚合物混凝土发展及桥梁工程应用研究.docx（5页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、引言桥梁工程的发展离不开新材料、新结构和新技术，其中材料的改进和发展能极大地促进结构形式和工程技术的创新。随着建设需求的不断发展、建设技术的逐渐完善，对混凝土及钢材的要求也越来越高，因此，高性能混凝土、高强钢以及用于铺装的改性沥青混凝土、聚合物混凝土等，被陆续研发并广泛应用于桥梁工程中。传统混凝土具有多孔非均质、干燥收缩大、韧性差等缺点，会导致桥梁在正常运营中产生开裂等病害，采用聚合物改性水泥混凝土或将聚合物与集料配合制备聚合物混凝土是现在及未来桥梁新材料发展的重要方向之一。本文从聚合物混凝土发展的角度出发，阐述了聚合物混凝土在桥梁工程上的主要应用和研究成果，包括聚合物混凝土的桥面铺装和聚合物

2、混凝土桥梁结构应用两方面，并展望聚合物混凝土在桥梁工程中的未来发展方向。1、聚合物混凝土的分类聚合物混凝土所采用的聚合物材料，一般多是由小分子单体通过聚合反应形成化学键,连接成三维网络结构，具有优异的力学和化学性能。聚合物混凝土可分成三种类型：聚合物水泥混凝土、聚合物浸渍混凝土及聚合物胶结混凝土。聚合物水泥混凝土是将聚合物作为改性剂添加到无机胶结料中，与一定集配的骨料拌合，经过养护、聚合而形成的一种改性水泥混凝土材料。聚合物浸渍混凝土则是将传统的水泥混凝土养护、硬化、干燥后，浸渍在有机单体中，使聚合物单体渗入到混凝土的空隙中，再用加热或者辐射的方法引发聚合，形成聚合物改性混凝土复合材料。聚合物

3、胶结混凝土又可简称为聚合物混凝土，是由集料和聚合物胶结料混合硬化后形成的一种高性能材料，与前两者主要通过改性来提升混凝土的性能，聚合物胶结混凝土是直接将聚合物作为胶结材料与集料相拌合，从根本上改变了混凝土的力学特性。2、聚合物混凝土的桥面铺装材料常规钢桥面铺装材料主要分为浇筑式沥青混凝土(GA)、改性沥青混凝土(SMA)和环氧沥青混凝土(EA)o相关的研究虽然较为成熟，但由于材料与技术本身的特性，在实际桥梁工程应用中依旧存在或多或少的病害。从新材料发展和应用的角度出发，采用新型铺装材料是从根本上解决钢桥面铺装病害的有效方案之一,2.1 传统铺装材料国外对于聚合物混凝土的研究起步较早，推出了改性

4、沥青、改性混凝土、聚合物混凝土等多种聚合物铺装材料。如美国采用的聚合物铺装系统，日本提出的树脂混凝土铺装，荷兰提出的高性能混凝土和薄层聚合物铺装体系等。在参考国外研究经验并结合国内实际铺装工程的基础上，国内研究人员也提出了许多聚合物铺装体系，包括E1inIianator防水体系+35n聚合物改性沥青GA10+35mm高弹性SMA1o的铺装体系、薄层聚合物混凝土(TPO)+超高韧性混凝土(STe)的高性能轻型组合桥面铺装体系、薄层聚合物钢桥面铺装技术、用于钢桥面铺装的新型聚合物改性水泥混凝土以及ERS树脂沥青组合体系钢桥面铺装技术等。2.2 聚合物混凝土胶结料聚合物混凝土胶结料以环氧树脂（EPo

5、Xy）、甲基丙烯酸甲酯（MYA）、聚氨酯树脂（Po1yurethane）的应用最为广泛。环氧树脂是分子中含有两个以上环氧基团聚合物的总称，它是环氧氯丙烷与双酚A或多元醇的缩聚产物。环氧树脂属于热固性树脂，双酚A型环氧树脂的热固性和较高的固化强度使得环氧树脂铺装材料具有很好的高温稳定性和抗车撤能力。甲基丙烯酸甲酯是以丙烯酸酯单体为主要成分，经高分子聚合而成的树脂（聚合体），具有低温固化、快速固化、超强抗紫外线、耐磨耗、耐高低温差等特点，同时也兼具一定的硬度和韧性。但MMA存在中等毒性，且固化速率较快，用于钢桥面铺装应用时，对施工速度、施工技术的要求等较为严苛。聚氨酯树脂是指在大分子主链中含有氨基

6、甲酸酯的聚合物，简称PU。主要是由有机多元异氨酸酯（TDI、MDI、HD1等单体或聚合物）和端羟基或氨基化学物为原料制备而成。聚氨酯兼具高硬度和柔韧性，表现出“硬而韧”的特点。优异的抗冲击性能使其比“硬而脆”的环氧树脂表现出更好的力学特性，因此采用聚氨酯材料配置而成的铺装结构，不仅具有较高的强度，也满足一定的柔韧性。作为目前为止最耐磨的高分子材料，聚氨酯在同等情况下的磨损质量大大低于环氧树脂等材料，因此，将其应用在对磨耗要求极为严苛的道路铺装领域会有非常不错的效果。此外，聚氨酯也具有很好的抗滑性能，优异的耐腐蚀性能，正常使用寿命比环氧树脂高出若干倍。有相关研究人员将聚氨酯材料作为改性剂加入基质

7、沥青中，配置聚氨酯改性沥青，路用性能表现良好。3、聚合物混凝土铺装结构3.1铺装层厚度分析沥青混凝土铺装结构为考虑高温稳定性、低温抗裂及防水防腐的要求，多采用较大厚度，但合理的铺装厚度才能实现使用性能和内部受力之间的平衡。应力应变分析简化模型可以为铺装层厚度分析提供参考，见式（1）、式（2）。EI(1)q1H4/(2q)(2)式中：H钢板厚度（mm）;h铺装层厚度（mm）;M所承受的弯矩（Nmm）;E钢板弹性模量（MPa）;/换算结构抗弯惯矩（mm4）;q外荷载（Nmm）;/加劲肋间距（mm）;a中性轴坐标（mm）o由式（1）可知，铺装层表面的弯曲应变和铺装层厚度h成正比关系，较小的厚度可以改

8、善铺装层表面的弯曲应变。由式（2）可知，增大铺装层厚度h可以提高结构抗弯惯性矩I,有利于降低层间剪应力，但钢材的弹性模量要远大于铺装材料，对结构抗弯惯性矩提升有限，另一方面，铺装层厚度的增加，也会使中性轴上移，使（2a-H）的值增大，因此，增加铺装层厚度对降低层间剪应力的作用有限。数值模型也可用于铺装层合理厚度的分析研究表明，铺装层弹性模量较小时，铺装层厚度的增加对最大弯沉量的降低作用有限，铺装层厚度从30mm增加到70mm时，最大弯沉值降低微小。当铺装层弹性模量较大时，增加铺装层厚度对最大弯沉值的减小明显，且随着厚度的增加，纵向最大拉应力呈现出较为明显的降低趋势，但横向最大拉应力、横向最大层

9、间剪应力、纵向最大层间剪应力则并没有随着铺装层厚度的增加而有明显的降低。此外，可以发现相同铺装层厚度下铺装层的弹性模量越低，横、纵向最大拉应力和最大层间剪应力也越低。因此，铺装材料的弹性模量较低是有利于铺装层受力的。以聚合物混凝土中的聚氨酯混凝土材料为例，通过小梁弯曲试验，可得材料的弹性模量在400750MPa之间，远低于普通沥青混凝土的弹性模量，即在相同的条件下，聚合物混凝土的受力情况更为合理。3.2 组合/复合结构铺装体系组合/复合结构铺装体系从控制疲劳开裂、控制层间剪切破坏、车辙等破坏形式的角度出发。研究人员在复合/组合结构桥面铺装体系的研究中提出过不同的方案，包括轻质聚合物水泥砂浆(1

10、PCM)+SUA13铺装;、高韧性轻质混凝+SMA13铺装、超高性能混凝土(UHPC)+聚合物混凝土薄层铺装(TPO)却、薄层活性粉末混凝土(PRC)+沥青磨耗层铺装M等方案。以上方案大多采用了弹性模量较大的材料作为铺装下层，采用抗车辙能力、抗磨耗性能优异的材料作为铺装上层，直接承受车辆荷载。3.3 超薄层铺装结构体系超薄层铺装体系充分利用了聚合物混凝土的超高力学特性，在满足力学性能和正常使用要求的基础上，尽可能的减少铺装层厚度，降低桥梁二期恒载。根据施工工艺的不同，可将超薄层铺装结构体系分成三类：砂浆法薄层铺装、撒布法薄层铺装和预拌法薄层铺装。聚合物混凝土超薄层铺装结构体系，用较小的铺装层厚

11、度满足钢桥面铺装的要求，其相对于普通沥青混凝土铺装有着以下较为明显的优势同。(1)铺装恒载轻。薄层铺装较小的自重可以很大程度上减少桥梁二期恒载，有效改善钢结构桥梁的受力性能。(2)摩擦系数高。聚合物混凝土铺装体系采用高强度集料，配合耐磨耗性能优异的聚合物胶结料，所形成的铺装层摩擦系数高，动摩擦系数可达0.7以上。(3)密实度高，耐化学腐蚀。聚合物混凝土的密实度高，不透水，耐化学腐蚀，既可以向上作为路面磨耗层，又可以向下作为钢桥面板的防腐防水层，兼具抗离子渗透能力。(4)寿命成本低，经济效益好。采用薄层铺装的聚合物混凝土铺装体系可以减少铺装材料的使用，降低总成本；聚合物薄层混凝土的使用寿命较高，

12、在桥梁使用年限内对铺装层维护修补的总体花费要远低于普通沥青混凝土。(5)改善铺装层的内力。钢桥面板和铺装层组合体系实际上形成了一个“叠合板”效应，铺装层厚度越大，弹模越大，铺装层在“叠合板”中的刚度贡献越大，分配的内力也越大。所以从铺装层内力分配角度来说，当钢桥面板的刚度满足要求后，薄层铺装可以有效的改善铺装层的内力分配，从而改善铺装层的使用情况。3.4 聚氨酯铺装实例由宁波路宝集团开发并推广应用的ECO改性聚氨酯混凝土铺装结构是聚合物混凝土铺装体系的代表之一，依托于新型的高分子改性聚氨酯树脂，成果实现了“去沥青”“薄层铺装”的技术特点。聚氨酯树脂的热固特性使得ECO改性聚氨酯混凝土具有很好的

13、高温稳定性，从根本上解决了铺装材料在高温和车辆作用下易产生车辙的问题:。此外，ECO改性聚氨酯混凝土铺装施工时,会与钢板表面的粘接剂发生化学反应,使铺装层可以与钢板的粘结强度大大提高,杜绝了脱空等病害。与传统的沥青材料需要高温拌合不同，ECO改性聚氨酯混凝土可以在常温下进行拌合施工，甚至在-2C的环境下依旧可以进行桥面铺浇依靠聚氨酯树脂优异的材料性能，ECO改性聚氨酯混凝土可以在满足力学性能需求的条件下，实现钢桥面的单层、薄层铺装，大大节约了铺装石料，减轻了二期恒载，提高了桥梁结构的整体性能。ECO改性聚氨酯混凝土铺装目前已经铺装了超过20多万平方米的桥面铺装，包括杭州湾跨海大桥、上海S6高速

14、公路、北虹全互通立交、沈阳长青桥等，效果极佳。4、展望聚合物混凝土铺装体系及桥梁工程应用都取得了一定的成果，结合目前研究，可以对聚合物混凝土作如下展望：(1)用聚合物树脂对基质沥青材料和水泥材料进行改性，提升基材的性能，从而获得性能优异的改性沥青混凝土铺装材料和改性水泥混凝土.(2)用聚合物树脂直接代替沥青材料作为胶结料，制备聚合物混凝土作为钢桥面铺装材料，充分利用聚合物树脂的优异物理化学性能。(3)利用聚合物、超高性能混凝土等新型材料，利用两种或多种材料的性能优势，设计出受力更为合理的新型钢桥面铺装结构体系。(4)在聚合物混凝土优异性能的基础上，提出薄层铺装体系，从降低二期恒载和铺装层内力等角度，设计出使用寿命更长，经济效益更高的钢桥面铺装体系。