公路交通科技  2025, Vol. 42 Issue (11): 104-114

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韩秉烨, 张双焱, 李聪睿, 代雷, 张恒基, 余章亮, 徐世法.
HAN Bingye, ZHANG Shuangyan, LI Congrui, DAI Lei, ZHANG Hengji, YU Zhangliang, XU Shifa
低碳耐久型聚氨酯混合料在钢桥面快速修复中的应用
Low-carbon durable polyurethane concrete applied in rapid repair for steel bridge decks
公路交通科技, 2025, 42(11): 104-114
Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2025, 42(11): 104-114
10.3969/j.issn.1002-0268.2025.11.012

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收稿日期: 2025-06-19
低碳耐久型聚氨酯混合料在钢桥面快速修复中的应用
韩秉烨1,2 , 张双焱1 , 李聪睿1 , 代雷1 , 张恒基3 , 余章亮4 , 徐世法1     
1. 北京建筑大学 土木与交通工程学院, 北京 102616;
2. 北京建筑大学 "人工智能+"研究院, 北京 102616;
3. 山西交控科技转化有限公司, 山西 太原 030024;
4. 中冶京诚工程技术有限公司, 北京 100176
摘要: 目标 针对传统钢桥面铺装材料使用寿命短、施工工艺复杂、交通封闭时间长等难题, 开发一种新型铺装材料及其配套施工工艺, 以实现钢桥面的快速与高性能铺装。方法 采用自主研发的单组分聚醚型聚氨酯替代沥青作为胶结料, 开发出可以冷拌冷铺的密级配聚氨酯混合料(PC-13), 并建立了一套完整的施工工艺体系, 涵盖厂拌生产、施工准备、摊铺碾压、过渡养生等关键工序。依托北京昌平西关环岛实体工程, 在低温环境下实现了该混合料在钢桥面上的快速铺装。结果 从厂拌生产结果来看, 取样成型的PC-13在关键性能指标上显著优于传统热拌沥青混合料(AC-13): 高温动稳定度、低温弯曲破坏应变、四点弯曲疲劳寿命分别约为AC-13的11.5, 10, 65倍。水稳定性方面, PC-13的剩余冻融劈裂强度在多次冻融循环后趋于稳定, 且始终高于持续衰减的AC-13。从桥面施工现场结果来看, 聚氨酯混合料的冷拌冷铺特性使其在低温环境下仍能高效施工, 交通封闭时间缩短至6 h。铺筑完成一年后的跟踪评估结果显示, 钢桥面铺装层整体状态良好。结论 本成果不仅验证了聚氨酯混合料在钢桥面铺装中的技术可行性和性能优势, 还为钢桥面的低温快速修复提供了创新解决方案, 具有显著的经济效益和推广价值。
关键词: 桥梁工程    聚氨酯混合料    低温快速施工    钢桥面铺装    低交通干扰    
Low-carbon durable polyurethane concrete applied in rapid repair for steel bridge decks
HAN Bingye1,2, ZHANG Shuangyan1, LI Congrui1, DAI Lei1, ZHANG Hengji3, YU Zhangliang4, XU Shifa1    
1. School of Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 102616, China;
2. Institute of Artificial Intelligence, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 102616, China;
3. STHG Technology Transformation Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030024, China;
4. Capital Engineering & Research Incorporation Limited, Beijing 100176, China
Abstract: Objective The study investigated the disadvantages of traditional steel bridge deck paving materials, e.g., short service life, complex construction process, and prolonged traffic closures. The novel paving material and corresponding construction technology were developed to achieve rapid and high-performance paving on steel bridge decks. Method A self-developed single-component polyether polyurethane was used to replace asphalt as the binder. A dense-graded polyurethane concrete (PC-13) was designed, which could be cold-mixed and paved. A complete construction process for PC-13 was established, covering key steps, e.g., plant production, construction preparation, curing, paving and rolling. Based on the actual engineering project at Xi'guan roundabout in Changping District of Beijing, the rapid paving with the proposed material was successfully achieved in low-temperature environment. Result Compared with traditional asphalt concrete AC-13, the PC-13 sampled from mixing plant exhibited superior performance in key indicators. The high-temperature dynamic stability, low-temperature bending failure strain, and four-point bending fatigue life were approximately 11.5, 10.0 and 65.0 times that of AC-13 respectively. In terms of water stability, the residual split strength of PC-13 stabilized after multiple freeze-thaw cycles, and consistently remained higher than that of the continuously deteriorating AC-13. The in-situ construction result indicated that the cold-mix characteristics of polyurethane concrete enabled highly efficient construction even in low-temperature environment, reducing traffic closure time to 6 hours. The in-situ evaluation result in one year after construction showed that the bridge deck remained in good condition. Conclusion This study validates the technical feasibility and performance advantages of polyurethane concrete for steel deck paving, and provides an innovative solution for its rapid repair in low-temperature environment, demonstrating significant economic benefits and broad application potential.
Key words: road engineering    polyurethane concrete    rapid construction at low-temperature    steel bridge deck paving    low traffic interference    
0 引言

钢桥凭借高强度和长寿命的优势,在全球范围内得到了广泛应用,已成为现代交通基础设施的重要组成部分。然而,受交通流量大和雨水冲刷等因素影响,钢桥铺装层普遍存在易损现象[1]。铺装层承受车辆荷载时,桥面特定区域会产生负弯矩、应力集中等有害荷载效应[2]。与普通路面相比,钢桥面同时受横向力和纵向力的双重作用,更易发生明显变形[3]。此外,维修作业通常需要临时封闭车道,这无疑加剧了交通拥堵问题[4]。鉴于此,钢桥面铺装材料的技术要求显著高于普通桥面材料,需具备高强度的抗变形能力、突出的黏结能力、优异的高低温稳定性和耐久性[5-7]。特别是在高等级公路或交通流量密集的桥面,还需确保铺装材料的成型养护时间尽可能短,以最大限度减少交通拥堵。

目前,钢桥面常用铺装材料多为沥青类混合料,主要包括密级配沥青混合料(Asphalt Concrete,AC)、沥青玛蹄脂碎石(Stone Mastic Asphalt,SMA)和环氧沥青混合料(Epoxy Asphalt,EA)。然而,这些材料均存在一定的局限性。AC对环境温度较为敏感,高温环境下易产生车辙和推移,低温时易开裂[8-9]。尽管SBS改性沥青混合料在一定程度上改善了AC的部分性能,但低温开裂问题依然显著[10-11]。SMA具备良好的柔韧性、抗永久变形和抗裂性能,但其低温抗疲劳能力较弱,且与钢桥面板的黏结强度不足[12-13]。EA虽具有优异的高温稳定性、黏结强度和抗永久变形能力,以及一定的抗疲劳和抗化学侵蚀能力,但其推广应用受到多重限制,如原材料成本较高、施工压实时间和温度要求严格、铺装完成后需封闭养护至少72 h才可开放交通等[14-15]。为改善传统沥青类混合料的性能缺陷,研究者尝试将聚合物掺入其中,目前以钢纤维沥青混合料[16]、玻璃纤维沥青混合料[17]、玄武岩纤维沥青混合料[18]为主。虽然这些聚合物可以在一定程度上提升沥青混合料的性能,但却未能从根本上解决沥青混合料“高温易软化、低温易脆裂、遇水易松散”的固有缺陷。因此,为了满足钢桥面铺装对使用寿命的要求,从根本上突破沥青基胶结材料的性能瓶颈,亟需开发以聚合物作为胶结料的新型混合料。

聚氨酯作为聚合物的一种,是由多元醇与多异氰酸酯通过缩聚反应合成的高分子材料,具有耐磨、耐高温、机械强度高、黏结能力强以及柔韧性和弹性优异等特点,能够承受较大形变[19-20]。聚氨酯在道路铺装层中的应用主要包括两大类:聚氨酯改性沥青混合料和聚氨酯混合料。聚氨酯改性沥青混合料是将聚氨酯作为改性剂掺入沥青中,与沥青中的沥青质与多元醇发生化学反应,进而改变沥青的流变特性以提升沥青混合料的路用性能。聚氨酯作为改性剂可显著提升沥青混合料的高温稳定性[21]、抗热氧和紫外老化性[22]、抗开裂性能[23]。但由于聚氨酯改性沥青混合料本质上仍是以沥青基为基础,这并不能改变沥青基材料固有的局限性,施工方式仍为热拌。因此研究者开始使用聚氨酯完全替代沥青作为胶结料开发聚氨酯混合料。

聚氨酯混合料采用冷拌冷铺工艺,显著减少了CO、NOx等有害气体的排放,体现了其绿色环保优势[24]。聚氨酯主要分为聚醚型和聚酯型两类,其中聚醚型不仅抗热氧老化性能优越,在流动性和耐久性上也优于聚酯型。本研究针对桥面铺装技术要求,以自主研发的单组分聚醚型聚氨酯作为胶结料,以矿料作为骨料,开发出一种密级配聚氨酯混合料PC-13。相比同级配的EA-13,PC-13在高低温性能与抗疲劳寿命方面均有3倍以上的提升[25]。将聚氨酯混合料应用于钢桥面铺装,对延长桥面使用寿命具有重要意义,但相关应用研究还停留在实验室阶段,实体工程案例很少。

在北京市昌平区西关环岛钢桥修复项目中,研究团队应用了自主研发的聚醚型聚氨酯混合料,在夜间施工温度低、工期紧张的双重压力下,设计了冷拌冷铺快速施工体系,系统覆盖拌和站生产、钢桥面施工准备、铺装作业及工后养护等全过程关键环节,并通过现场检测验证工程方案的合理性,为聚氨酯混合料的工程应用提供了实践参考。

1 工程简介

试验段位于北京市昌平区西关环岛11#桥。该钢桥于1987年建成通车,是连接G110国道、八达岭高速公路及昌平东侧城区的重要交通枢纽,日常交通负荷较大。桥梁上部结构采用单跨简支钢结构工字梁,下部为重力式桥台。桥面纵向全长17.2 m,总宽13 m,由10 m宽的机动车道和两侧各1.5 m宽的人行道组成。原铺装结构为双层体系:上面层为1 cm厚的EA-10,下面层为5 cm厚的SMA-13。现场检测表明,运营期间铺装层已出现开裂、推移及破损等病害。

为避开昌平西关环岛日间交通高峰,最大限度降低对交通的影响,施工选择在2021年12月2日23点至次日凌晨5点进行。现场气温约2 ℃,相对湿度约20%,施工面临低温与紧迫工期的双重挑战。结合施工条件与结构病害特征,制订如下维修方案:首先精细铣刨清除两侧伸缩缝以内的旧铺装层,随后对钢桥面实施全面除锈处理并铺设防水黏结层,最后采用6 cm厚PC-13作为新建铺装层,桥面维修铺装结构如图 1所示。

图 1 钢桥面铺装体系示意图 Fig. 1 Schematic diagram of steel bridge deck paving system

2 聚氨酯混合料配合比设计

聚氨酯混合料铺装体系由铺装层和防水黏结层两部分共同组成。目前,国内外在聚氨酯混合料的配合比设计方法上仍处于探索阶段,尚未形成统一的标准试验规范。基于此,研究团队借鉴传统沥青混合料的设计方法,采用马歇尔设计方法进行配合比设计,具体包括原材料性能检测、混合料级配设计以及最佳胶石比确定3部分。

2.1 胶结料、催化剂与矿料

本研究采用自主研发的单组分聚醚型聚氨酯替代沥青作为胶结料,聚氨酯分子结构如图 2所示。该聚氨酯是一种嵌段共聚物,其软段为大分子聚醚多元醇、硬段为聚异氰酸酯和小分子多元醇,制备该聚氨酯所需的主要化学原料为异氰酸酯、多元醇、扩链剂、消泡剂和固化剂,其技术要求与检测结果详见表 1

图 2 聚氨酯分子组成示意图 Fig. 2 Schematic diagram of polyurethane composition

表 1 聚氨酯技术要求及检测结果 Tab. 1 Technical requirement and test result of polyurethane
试验项目 技术要求 检测结果
密度/(g·cm―3) 实测 1.1
拉伸强度(25 ℃)/MPa ≥ 5 8.6
吸水率/% ≤ 4 0.4

为了调控强度形成速率,拌和前可添加催化剂,其用量需根据温度、湿度以及混合料从生产到摊铺前的可容留时间来确定,具体如式(1)所示[26]。本工程选用环烷基催化剂,团队前期大量试验总结得出其用量计算公式,最终确定催化剂用量为1.2%。在催化剂的作用下,聚氨酯与水优先发生反应,形成氨基(—NH2)和羟基(—OH),随后—NH2与异氰酸酯(—NCO)反应生成弹性体(—NH—R—NH—CO—NH—NHCO—),如式(2)和(3)所示。在该聚合反应作用下,聚氨酯分子内部形成了交联网状结构,赋予混合料优异的耐磨、抗冲击和耐老化性能。

$ \begin{equation*} Y=2.482-0.035 T-0.008 H-0.006 t_{1}, \end{equation*} $ (1)

式中,Y为环烷基催化剂用量;T为环境温度;H为环境湿度;t1为混合料容留时间(最佳可压实时间)。

$ \begin{gather*} \mathrm{OCN}-\mathrm{R}-\mathrm{NCO}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{H}_{2} \mathrm{~N}-\mathrm{R}- \\ \mathrm{NH}_{2}+\mathrm{CO}_{2} \uparrow, \end{gather*} $ (2)
$ \begin{gather*} \mathrm{OCN}-\mathrm{R}-\mathrm{NCO}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{~N}-\mathrm{R}-\mathrm{NH}_{2} \rightarrow \\ (-\mathrm{NH}-\mathrm{R}-\mathrm{NH}-\mathrm{CO}-\mathrm{NH}-\mathrm{NHCO}-)_{\mathrm{n}} \uparrow \circ \end{gather*} $ (3)

此外,按照《公路工程集料试验规程》(JTG 3432—2024)要求,对粗、细集料及矿粉进行技术指标检测,结果见表 2~4,所有材料均满足技术要求。

表 2 粗集料技术要求及检测结果 Tab. 2 Technical requirement and test result of coarse aggregate
试验项目 技术要求 检测结果 试验方法
5~10 mm 10~15 mm
洛杉矶磨耗值/% ≤24 16.2 16.5 T 0317
压碎值/% ≤22 15.4 16.7 T 0316
吸水率/% ≤1.5 0.82 0.74 T 0308
针片状含量/% ≤5 4.2 4.3 T 0312
软石含量/% ≤2 0.6 0.4 T 0320
坚固性/% ≤10 3.5 4.2 T 0314
小于0.075 mm颗粒含量(水洗法)/% ≤0.8 0.7 0.4 T 0310
磨光值PSV ≥ 42 57 55 T 0321

表 3 细集料技术要求及检测结果 Tab. 3 Technical requirement and test result of fine aggregate
试验项目 技术要求 检测结果 试验方法
吸水率/% ≤1.5 0.8 T 0330
表观密度/(g·cm―3) ≥2.50 2.735 T 0308
坚固性/% ≤10 4 T 0340
砂当量/% ≥ 65 67 T 0334
小于0.075 mm颗粒含量(水洗法)/% ≤2.0 1.5 T 0333

表 4 矿粉技术要求及检测结果 Tab. 4 Technical requirement and test result of mineral powder
试验项目 技术要求 检测结果 试验方法
含水率/% ≤0.6 0.2 T 0343
表观密度/(g·cm―3) ≥2.50 2.806 T 0308
亲水系数 < 1 0.3 T 0353
塑性指数 < 4 2.8 T 0354
小于0.075 mm颗粒含量(水洗法)/% ≤2.0 1.5 T 0333
粒度范围/% < 0.6 mm 100 100 T 0351
< 0.15 mm 90~100 97
< 0.075 mm 75~100 84

2.2 级配设计

研究表明,AC-13型混合料与钢桥面板的接触状态最为紧密,其抗剪强度及黏结强度显著优于其他级配类型[27]。基于此,本研究选定AC-13型级配作为聚氨酯混合料设计级配(PC-13),级配曲线沿级配中值线分布,如图 3所示。

图 3 PC-13设计级配曲线 Fig. 3 Designed gradation curves of PC-13

2.3 最佳胶石比

试件制作流程如图 4所示。相较于传统沥青混合料的试件制作过程,聚氨酯混合料在完成拌和之后,还需要静置4 h以确保试件充分固化,然后再对试件击实成型。为加速养生过程,方便试验的顺利进行,将试件置于恒温恒湿箱中[温度(60±5) ℃,相对湿度(30±5)%]加速养生。PC-13的目标空隙率为2.0%,以0.5%为级差,选取6.0%,6.5%,7.0%,7.5%,8.0%这5种不同胶石比制备试件,参考JTG 3432—2024,分别测定这些试件的物理体积参数与力学指标,试验结果如图 5所示。

图 4 PC-13试件制作流程 Fig. 4 PC-13 specimen production process

图 5 各项指标与胶石比关系 Fig. 5 Indicators v.s. polyurethane-to-aggregate ratio

根据各项指标与胶石比的关系曲线,首先计算初始值$O P C_{1}=\left(P_{1}+P_{2}+P_{3}+P_{4}\right) / 4=7.05 \%$(其中,$P 1 \sim P 4$分别为最大密度、最大稳定度、空隙率中值、饱和度中值的胶石比);其次确定可行范围,取满足所有技术要求的最高胶石比$O P C_{\max }$和最低胶石比$O P C_{\text {min }}$,计算中值$O P C_{2}=\left(O P C_{\text {max }}+O P C_{\text {min }}\right) / 2= 6.95 \%$;最后确定最终值,最佳胶石比$O P C= \left(O P C_{1}+O P C_{2}\right) / 2=7.00 \%$

3 施工工艺体系

施工工艺体系包含厂拌生产、施工准备、摊铺碾压和过渡养生4个关键阶段,具体流程如图 6所示。方案实施后,通过后续跟踪检测验证了工艺可靠性。

图 6 PC-13施工流程图 Fig. 6 PC-13 construction process

3.1 厂拌生产

北京地区的矿料主要为玄武岩与石灰岩,因此粗集料选用10~15 mm及5~10 mm规格的玄武岩,细集料采用0~5 mm规格的石灰岩机制砂,矿粉选用石灰岩矿粉。通过集料筛分试验,为确保实际工程混合料的合成级配与实验室设计级配相符,最终确定厂拌混合料的生产配合比(质量比) 为10~15 mm∶5~10 mm∶0~5 mm∶矿粉=24∶25∶45∶6。现场取样结果表明,拌和站合成级配与实验室设计级配基本一致,二者级配曲线如图 7所示。

图 7 PC-13合成级配曲线 Fig. 7 Blended gradation curves of PC-13

温度会显著影响聚氨酯的流动性。数字式布氏黏度计测试结果表明,聚氨酯黏度随温度升高呈梯度下降趋势,如图 8所示。本工程的施工温度为2 ℃,聚氨酯在该温度下黏度偏高,流动性不足,难以满足拌和施工要求。而当温度升至35~38 ℃时,其黏度可达到理想施工状态。因此,施工前需将聚氨酯预热至35 ℃,使其工作黏度稳定在2 Pa·s左右。值得注意的是,该温度显著低于传统沥青所需的135~175 ℃(工作黏度0.17~0.28 Pa·s),降低了施工能耗成本。

图 8 聚氨酯黏度曲线 Fig. 8 Viscosity curve of polyurethane

单组分聚氨酯在自然条件下固化反应速率较低,需添加催化剂以加速固化进程。本工程所选用的催化剂是一种无腐蚀性且不带刺激性气味的环烷基油性液体,其固含量≥99%。该催化剂能有效促进聚氨酯优先与水反应,生成氨基(—NH2)和羟基(—OH),继而这些基团再与异氰酸酯(—NCO)发生交联固化,形成三维网络结构弹性体。按式(1)计算确定催化剂用量为聚氨酯质量的1.2%。

相较于沥青混合料,PC-13无需高温生产环境,常温下即可进行生产与施工。在混合料制备前,先将占总体聚氨酯质量1.2%的催化剂,加入预先分装出的小桶聚氨酯中充分搅拌,然后再将搅拌好的小桶聚氨酯倒入大桶聚氨酯中进行二次搅拌,为确保混合均匀,采用手扶式搅拌机对桶内物料实施分层搅拌(下层和上层各约5 min),直至形成均质预混胶结料。

混合料制备时,先对矿料进行30 s干拌预处理,再加入预混胶结料拌和60 s即得成品;生产完成后,须立即采用干拌矿料的方式对拌和缸实施防黏清理,防止聚氨酯黏附。

3.2 施工准备

施工准备包括混合料运输与钢桥面除锈2个关键环节。鉴于聚氨酯材料遇水易引发固化反应,存在耐腐蚀性较低、水稳性不足的特性,运输过程中采用帆布全覆盖卡车料斗,阻断聚氨酯混合料与空气中的水分接触,避免预固化导致施工容留时间缩短,并在车斗内壁涂覆柴油作为油质隔离介质,在卸料后及时清扫确保内壁及边角清洁。

钢桥面处理需进行基面清洁,达到干燥无尘状态后方可实施除锈作业。采用手持式打磨机进行人工除锈,处理后检测结果显示:表面清洁度达St3.0级,粗糙度为93 μm,满足《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》(JTG/T3364-02—2019)要求的St3.0级清洁度及60~100 μm粗糙度范围。

3.3 摊铺碾压

本环节由防水黏结层涂覆、混合料摊铺及碾压3个阶段构成。

3.3.1 防水黏结层涂覆

防水黏结层位于钢桥面板与聚氨酯混合料面层之间,其作用是确保混合料铺装层与钢桥面板完全黏结,阻隔水分渗透铺装层进而侵蚀钢桥面板。本工程采用聚脲耐磨防腐涂层作为防水黏结层,其技术要求及检测结果如表 5所示。该涂层由A、B双组分按4∶1的质量比配制,施工涂布量为0.8 kg/m2。鉴于该材料具有与聚氨酯类似的流动性,施工前需将其预热至30 ℃。针对环境温度偏低导致表干时间延长的问题,采用工业加热器辅助加速干燥过程予以解决。

表 5 聚合物防水黏结层技术要求及检测结果 Tab. 5 Technical requirement and test result of polymer waterproofing bonding layer
检测项目 技术要求 检测结果
透水性(0.3 MPa,24 h) 不透水 不透水
表干时间(25 ℃)/min ≤100 90
实干时间(25 ℃)/h ≤25 18
断裂伸长率/% ≥150 168
剪切强度(25 ℃)/MPa ≥4.0 5.5
黏结强度(25 ℃)/MPa ≥2.0 3.5

3.3.2 混合料摊铺

黏结层材料呈现全干和表干2种状态:处于全干状态时,材料表面光滑丧失黏结能力,此时铺装将导致铺装层与钢板黏结失效,进而影响铺面的整体性能和使用寿命;而在表干前,材料流动性过高,摊铺机碾压会破坏黏结层的完整性。因此,铺装作业须在黏结层材料表干后、全干前完成。为保障摊铺连续性,运料车需采用快速连续卸料模式,避免料斗脱料与拢料现象。施工分为2条车道进行,每条车道采用单幅一次性摊铺方式,由一台摊铺机独立完成。防水黏结层表干后,会均匀撒布粒径为5~10 mm的石屑,以防止车轮在行进时打滑。摊铺作业完成后,使用工业燃油暖风机进行加速养生,促使聚氨酯混合料尽快达到适宜的压实时机。

3.3.3 混合料碾压

压实时机的选择至关重要,过早压实会妨碍混合料内部固化反应产生的CO2充分排出,从而导致铺装层膨胀;相反,若过晚压实,混合料则会因过度固化而变得难以压实,空隙率随之增大,进而影响铺装层的耐久性。因此,聚氨酯混合料的压实时机需根据施工现场的温度和湿度等具体情况灵活调控。就本工程而言,混合料从生产到最终在桥面上完成压实,整个过程的时长应控制在170 min以内,以确保按时开放交通。碾压时先由钢轮压路机往返碾压一次,再由胶轮压路机往返碾压两次,最后由钢轮压路机碾压收光。

3.4 过渡养生

该阶段包含处理施工接缝、铺设钢板与开放交通3个阶段。

摊铺完成后,需对接缝进行处理,处理接缝之前在切割施工缝位置预先画线,采用45°斜切方式沿线切割施工缝,切割完成后将其清理干净,在缝壁涂覆防水黏结材料,以降低后续通车使用期间水对聚氨酯混合料层间性能的影响。

在道路铺装层施工中,传统热拌沥青混合料通常表面温度在自然冷却低于50 ℃后即可开放交通,而冷拌聚氨酯混合料则需要经历一定的养生期,以达到开放交通的设计强度。鉴于本工程在夜间施工,环境温度偏低,聚氨酯混合料铺装层在低温环境下强度形成较慢。为确保维修路段按计划正常开放交通,减少对该路段正常通行的影响,直接在聚氨酯混合料铺装层表面铺设钢板作为保护性过渡措施,铺设时间为7 d。这一措施既能保证聚氨酯混合料在达到可开放交通强度前具备足够的交通承载能力,满足临时通车需求,又可避免混合料因未充分养生而遭受结构性破坏,养生完成后即可拆除钢板。

4 混合料性能检测与施工效果评价 4.1 混合料性能检测

研究团队在拌和站取样制备PC-13试件,系统测定了其高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性与抗疲劳性等关键性能指标,并与SBS改性沥青混合料AC-13和SMA-13进行了对比分析。

4.1.1 高温性能

采用车辙试验评价材料高温稳定性,以动稳定度作为量化指标,试验对比数据见表 6。结果表明:PC-13在高温稳定性方面表现优异,其动稳定度分别约为AC-13的11.5倍和SMA-13的6.2倍。这源于聚氨酯胶结料持续进行的交联固化反应,形成的三维网状结构赋予混合料优异的抗变形能力,且强度呈持续增长趋势。固化完成后,聚氨酯混合料呈现温度不敏感的弹性特征,在温度和荷载作用下可通过弹性恢复机制消除微变形,而沥青混合料则易出现高温软化现象。此外,聚氨酯硬段中的异氰酸酯基团具有较强的刚性分子结构与较高的内聚能密度特性,高温下分子链的有序排列进一步保障了PC-13高温稳定性。

表 6 高温稳定性检测结果对比 Tab. 6 Comparison of high-temperature stability test results
混合料类型 动稳定度(60 ℃,0.7 MPa)/
(次·mm―1)
PC-13 44 351
AC-13 3 874
SMA-13 7 246

4.1.2 低温性能

统一采用低温弯曲破坏应变表征材料低温抗裂性能,测试对比结果如表 7所示。结果显示:PC-13的低温弯曲破坏应变值约为AC-13和SMA-13的10倍。这主要归因于聚氨酯基体中软段柔性分子链的存在,构成软段的物质主要为模量较低的低聚物二醇,其对温度变化的敏感性较低,可赋予聚氨酯优异的低温延展性能。同时,聚氨酯分子链中的醚键和酯键在低温环境下仍能够保持良好的稳定性,有效抑制混合料脆化开裂,相较于沥青类混合料,聚氨酯类材料因此展现出更为优异的低温抗裂性能。

表 7 低温抗裂性检测结果对比 Tab. 7 Comparison of low-temperature crack resistance test results
混合料类型 低温弯曲破坏应变(―10±0.5) ℃,加载速率50 mm/min)/με
PC-13 24 423
AC-13 2 745
SMA-13 2 730

4.1.3 水稳定性

为评价水稳定性,分别测定了混合料的冻融劈裂强度比(Tensile Strength Ratio,TSR)和剩余冻融劈裂强度。由于SMA-13矿粉含量较高,在不添加纤维的情况下,大量沥青被矿粉吸附形成的玛蹄脂黏稠度过高,导致其与集料的黏附性下降,冻融循环后易发生剥落,局部空隙率增大,水分在空隙中滞留并反复冻胀,导致其水稳定性低于AC-13。基于此,本研究仅对比AC-13与PC-13的水稳定性,对比结果如图 9所示。结果显示:就TSR而言,AC-13的TSR值高于PC-13,表明聚氨酯混合料的水敏感性较强;但在多次冻融循环作用下,PC-13的TSR逐渐趋于稳定,而AC-13则呈现出持续衰减趋势。就剩余劈裂强度而言,PC-13经冻融循环后的残留强度始终高于AC-13,且在6次冻融循环后趋于稳定,而AC-13的残留强度则持续降低,甚至在2次冻融循环后便已低于1.0 MPa的规范限值。这一现象主要归因于聚氨酯硬段氨基甲酸酯基团与水发生水解反应,导致C=O、—CH2、—NH与—CH3等官能团的特征峰值强度下降,氢键网络破坏,软硬段微相分离加剧,致使聚氨酯的力学性能及其与集料的黏结力减弱,混合料水稳定性下降。然而,聚氨酯材料特有的三维交联网状结构,使其在浸水条件下仍能保持分子骨架的结构完整性、胶结料黏度的稳定性以及混合料骨架结构的支撑能力。因此,相较于TSR,剩余劈裂强度更适宜表征聚氨酯混合料在实际服役环境中的水稳定性能。

图 9 PC-13与AC-13型SBS改性沥青混合料的水稳定性检测结果 Fig. 9 Water stability test results of PC-13 and AC-13 SBS modified asphalt concrete

4.1.4 抗疲劳性能

抗疲劳性能评价基于15 ℃和1 000 με应变条件下的四点弯曲疲劳试验,以弯曲劲度模量衰减至初始值(1 000 με应变水平下经50次连续加载测得的模量)的50%作为疲劳失效依据,通过测定2种混合料的初始弯曲劲度模量值和疲劳寿命来表征抗疲劳性能,检测结果如表 8所示。数据显示,AC-13的初始弯曲劲度模量约是PC-13的8倍,但PC-13的疲劳寿命约是AC-13的65倍;SMA-13的初始弯曲劲度模量约是PC-13的9倍,但PC-13的疲劳寿命约是SMA-13的21倍,表明在重复荷载作用下聚氨酯混合料具有更优的抗疲劳性能。机理分析表明,混合料疲劳破坏源于循环应力应变作用下损伤的渐进积累,最终引发结构性开裂。聚氨酯固化形成的软段和硬段分子链具有独特优势:软段分子链赋予材料延展性和弹性恢复能力,硬段分子链则增强其抗变形能力,这种协同效应显著提升了聚氨酯混合料的抗疲劳性能。

表 8 PC-13和AC-13初始弯曲劲度模量与疲劳寿命检测结果对比 Tab. 8 Initial flexural modulus and fatigue life test results of PC-13 v.s. AC-13
混合料类型 初始弯曲劲度模量/MPa 疲劳寿命次数/万次
PC-13 579 124.8
AC-13 4 823 1.9
SMA-13 5 261 5.9

综合研究表明,PC-13相较沥青类铺装材料展现出优异的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性。虽然TSR指标较低,但PC-13在多次冻融循环后仍保持较高的剩余劈裂强度,且衰减趋势趋于稳定,表明其在实际服役环境下也具备较好的水稳定性。

4.2 施工效果评价

施工完成一年后对PC-13铺装层进行工程质量检查与验收工作,检测结果如表 9所示。

表 9 PC-13铺装层技术要求及检测结果 Tab. 9 PC-13 paving layer technical requirements and test results
检查项目 技术要求 检测结果
压实度/% 最大理论密度的93 98
铺装层厚度/mm ―3~+5 63
摩擦系数摆值 ≥45 58
渗水系数/(mL·min―1) ≤50 39
构造深度/mm ≥0.50 0.56

为确保聚氨酯达到设计强度,养生期间在其表面铺设钢板。撤除钢板后发现,在养生期间,由于路段行驶车辆在钢板上的反复荷载,铺装层表面少部分混合料碎石与钢板发生粘连,导致铺装层表面粗糙并形成了不规则坑槽。研究团队及时使用聚氨酯修补料对坑槽进行了有效修复。表 9数据表明,PC-13铺装层的各项检测指标均符合《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450—2019)的技术要求。工程通车后的持续跟踪观测数据显示,该铺装层至今仍保持良好的使用性能和服役状态。

5 结论

聚氨酯混合料作为一种新型铺装材料,凭借其优异的路用性能与节能特性,展现出广阔的应用前景。为推广低碳耐久型聚氨酯混合料的应用,本文结合北京昌平西关环岛维修工程,深入探讨了单组分聚醚型聚氨酯混合料作为钢桥面铺装材料的快速修复技术,并对现场生产的混合料性能进行了测试,具体结论如下。

(1) 系统构建了钢桥面聚氨酯混合料施工技术体系,包括厂拌生产、施工准备、摊铺碾压和过渡养生4个关键阶段。厂拌生产阶段通过精确调整催化剂用量及预加热聚氨酯,有效控制了聚氨酯固化反应速率;施工准备阶段采取有效措施,避免聚氨酯接触空气中水分,延长了混合料容留时间;摊铺碾压阶段选取了适宜的压实时机,保障了铺装层高品质成型;过渡养生阶段通过铺设钢板保护混合料,避免其受重载破坏,确保了交通的快速恢复和养生过程的顺利进行。

(2) 研究验证了聚氨酯混合料的低碳施工特性,聚氨酯混合料能够充分利用现有沥青混合料施工设备,无需加热即可直接摊铺,显著降低了能耗和有害气体排放,减轻了对环境的影响。同时,聚氨酯混合料可以在短时间内完成铺装并开放交通,有效缓解了交通压力,提高了施工效率。此外,聚氨酯混合料冷拌冷铺的特性还使其适用于常温乃至低温环境下的施工,延长了可施工季节。

(3) 现场取样结果表明,与传统沥青混合料AC-13相比,PC-13在高低温稳定性和抗疲劳性能方面提升幅度明显。具体而言,PC-13的动稳定度约为AC-13的11.5倍,低温弯曲破坏应变约为AC-13的10倍,疲劳寿命约为AC-13的65倍。在评价水稳定性方面,相比于冻融劈裂强度比,聚氨酸混合料的剩余冻融劈裂强度更贴近实际使用情况,因此更适宜用于评价聚氨酯混合料的水稳定性。PC-13在多次冻融循环后,剩余劈裂强度高于AC-13且趋于稳定,表明其抗水损害能力更优。通车一年后的检查结果显示,铺装层各项指标均满足相关规范要求,整体性能良好,进一步验证了材料生产与施工工艺的实用性和可靠性。

聚氨酯混合料在西关环岛钢桥面铺装工程中的成功应用,为聚合物混合料在钢桥面铺装层的低温快速修复技术提供了重要的实践参考与创新解决方案。然而,其水稳性能和施工中撤除钢板时的黏连问题,仍需在后续研究与实践中进一步深入探索和解决。

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