详情

原文传递钢箱梁桥面铺装新型材料的研究

论文题名：	钢箱梁桥面铺装新型材料的研究
关键词：	钢箱梁桥;桥面铺装层;力学性能;液体橡胶;环氧沥青;弹性体;聚氨酯材料;钢桥面铺装;压缩永久变形;稳定性;固化剂;固化温度;体系;最佳配比;施工工艺;沥青混凝土;拉伸;从性;成本;扯断伸长率
摘要：	目前国内外钢桥面铺装，从减轻自重和提高行车舒适性的方面考虑，多采用沥青混凝土铺装层。但由于沥青和钢桥面本身的特性，以及钢桥面铺装技术对钢桥面结构和自然环境有较强的依赖性等原因，钢桥面铺装体系常常在设计使用年限内发生车辙、推移、开裂等不同形式的破坏。桥面铺装体系的损坏不仅会影响正常的公路交通，而且要花费大量资金用于维修。针对这一现状，本项目致力于桥面铺装材料所强调的弹性(拉伸、压缩、抗折)性能、粘接性能等力学性能，寻找性能优越的新型替代材料。本项目的研究将有助于解决长期困扰钢箱梁桥桥面铺装层易于损坏的问题，提高钢箱梁桥桥面铺装的耐久性，大幅度降低钢桥的维护成本，具有重大理论价值和社会效益。通过比较天然橡胶、丙烯酸酯类弹性体、聚环氧丙烷弹性体、合成橡胶及液体橡胶等多种弹性体材料的相关力学性能，选择合适的钢桥面铺装层材料新体系。再将所研究材料与传统沥青、改性沥青、环氧沥青材料本身及混合料相比较，发现液体橡胶具有极好的弹性和加工性能，具有较大的研究潜力。考察了液体橡胶各体系中固化温度、固化时间、固化剂种类选择及用量、原料配比等因素对反应体系稳定性、固化弹性体综合力学性能等方面的影响。对于端羧基丁腈橡胶(CTBN)，CTBN环氧树脂体系，固化温度65℃，选用2％的2-乙基-4-甲基咪唑作为固化剂，调整CTBN与环氧树脂的比例，弹性体性能均不能达到要求，故排除使用。对于HTPB/聚氨酯体系，固化温度65℃，固化时间3～3.5h，采用20％的HDI三聚体作为固化剂时，所得弹性体性能最优。聚氨酯液体橡胶(PU)为双组分定比例室温固化。通过对各种液体橡胶进行种类筛选、工艺优化和配方优化，选定HTPB、PU作为研究重点。用INSTRON5567电子万能材料试验机测定力学性能，首先测定材料基体的弹性、变形随从性、粘接性等，选择性能较佳的基体配方与骨料拌和，再测定混合料的力学性能，结果如下： 1．采用HTPB Ⅱ(数均分子量Mn在2300～2800)与HDI三聚体固化剂反应，HTPB:HDI三聚体=100:20(W/W)，固化得到的弹性体拉伸强度0.72MPa，扯断伸长率76.40％，压缩弹模4.76 MPa，压缩永久变形1.55％，具有较好的力学综合性能。 2．对于PU，按照聚氨酯预聚体∶固化剂∶催化剂=100∶25∶3的比例反应固化得到聚氨酯弹性体。拉伸强度为0.945 MPa，扯断伸长率293.335％，压缩弹模3.94 MPa，压缩永久变形0.19％，相对于HTPBⅡ有更好的拉伸变形随从性能，且永久变形较小。(聚氨酯材料固化7天以上性能稳定，以上数据均为固化10天后测得) 3．参照南京长江二桥环氧沥青石料级配一，调节聚氨酯材料与碎石的质量比。通过测量橡胶混凝土试件的抗折性能(最佳配比为20～30％)、抗压性能(最佳配比为15～25％)以及断口分析(最佳配比为20～25％)和时效性分析等，初步得到聚氨酯与碎石的质量比最佳范围为20～25％，性能最优化的时间为7天以上。 4．相比较而言，环氧沥青和本研究采用的PU弹性体均是弹性、变形随从性、粘接性能优异的桥面铺装材料。PU的拉伸延展性能优于环氧沥青，但破坏强度弱于环氧沥青混凝土结构。在实验室对比了二者在不同温度下的性能稳定性，随着温度升高，环氧沥青会逐渐变软，而PU弹性体的热稳定性相对较好。我国目前还没有掌握环氧沥青的铺装技术，环氧沥青施工工艺复杂，从材料到铺装设备、施工工艺甚至技术人员都需要从国外引进；这样一方面会增加施工成本，另一方面也会造成引进技术同本地实际情况的脱节。在我国南方高温潮湿、道路负荷重的环境下，铺装面破损问题主要出现在材料的柔韧性、变形随从性、温度稳定性等方面，而沥青方案往往不能满足实际需要，而聚氨酯配方和施工工艺较简单，铺装层的稳定性更好。研究结果表明，液体橡胶在较宽的温度范围内有优异的弹性、变形随从性、粘接等力学性能，而且材料受力后回弹性好，永久形变较小，耐磨性优异。在我国南方高温潮湿、道路负荷重的环境下，液体橡胶比热塑性的沥青(环氧沥青除外)更能够满足钢箱梁桥面铺装层的各项性能要求。另外，虽然液体橡胶原料成本高于沥青，一方面可通过添加补强剂在一定程度上降低液体橡胶成本；另一方面，液体橡胶系统的桥面铺装层使用寿命更长，维护费用更低，从一定程度上缩小了二者成本上的差距。所以，液体橡胶作为钢箱梁桥面铺装新型材料，已取得了初步的研究成果，也展现出极大的研究潜力，可以作为研究的重点对象，进行下一步的工作。
作者：	张洁
专业：	化学工程
导师：	陈焕钦;沈慧芳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华南理工大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文