聚氨酯材料在橋面鋪裝層的應用及其耐久性研究進展*

李天 彭嘉華 陳露一 龍勇 彭旭民

(1.橋梁智能與綠色建造全國重點實驗室 湖北武漢430034)(2.中鐵橋研科技有限公司 湖北武漢430034)

近年來，鋼橋面鋪裝因其使用壽命短、質量缺陷引發病害頻發而備受關注[1]。 目前，最常用的鋪裝材料包括澆注式瀝青、苯乙烯類(SBS)改性瀝青等熱塑性材料、環氧瀝青類和聚氨酯類等熱固性材料以及超高性能混凝土(UHPC)等無機水硬性材料。整體呈現出材料種類豐富、結構形式多樣等特點。其中，聚氨酯以異氰酸酯、低聚物多元醇及擴鏈/交聯劑為主要原料反應而成，具有強度可設計、性能可調節、環保污染少以及應用簡單施工方便等優點，逐步成為鋼橋面鋪裝的新型材料。

在橋面鋪裝領域，材料的耐老化性能決定橋面的服役壽命長短，是工程應用一直關注的重點。 針對目前聚氨酯混凝土老化性能指標不明確、耐久性研究少等問題，本綜述對聚氨酯材料在橋面鋪裝領域的應用進行了介紹，并重點分析了熱氧、紫外等老化處理后聚氨酯材料的性能變化規律，總結了聚氨酯材料服役壽命預測思路，旨在為耐久型、高性能聚氨酯混凝土在鋼橋面上的研發與應用提供參考。

1 聚氨酯材料在橋面鋪裝領域的應用

1.1 聚氨酯改性瀝青

聚氨酯作為改性劑可部分替代瀝青用于制備橋面鋪裝的聚氨酯改性瀝青，以提高瀝青的高低溫性能。 Cuadri 等[2]用蓖麻油代替常規的低聚物多元醇先制得蓖麻油基聚氨酯，并以此制備了蓖麻油基聚氨酯改性瀝青。 張昊等[3]發現聚氨酯改性劑能夠改善瀝青的膠體結構、提高基質瀝青的耐熱性及溫度敏感性。 祁冰[4]研究發現聚醚型聚氨酯改性瀝青混凝土具有較高的抗彎拉強度、良好的高溫穩定性、低溫抗裂性、耐疲勞開裂及耐老化性能。 房明等[5]采用熱塑性聚氨酯為改性劑對基質瀝青改性，其摻量為12%時瀝青混凝土的動穩定度、抗彎拉強度、浸水馬歇爾穩定度和殘留穩定度均得到提高。

1.2 聚氨酯膠結料

聚氨酯可以完全替代瀝青作為膠結料，與一定級配的集料拌合形成聚氨酯混凝土，用于橋面鋪裝，實現性能優良、環?！叭r青”化。 王火明等[6]研發了多孔聚氨酯碎石混凝土，相比較傳統瀝青路面，聚氨酯粘結作用和空隙骨架嵌擠結構使路面具有較好的抗變形、抗滑、抗疲勞、抗腐蝕及耐光熱老化性能。孫銘鑫[7]設計制作了聚氨酯空隙彈性路面，表明聚氨酯混凝土具有良好的馬歇爾穩定度和抗車轍性能。 徐世法等[8]發現聚氨酯混凝土的高溫、低溫、變形協調和抗疲勞性能遠遠優于澆注式瀝青與環氧瀝青。 徐斌等[9]采用環氧蓖麻油(ECO)改性聚氨酯作為膠結料研發了ECO 改性聚氨酯混凝土，并廣泛應用于橋面鋪裝工程。

聚氨酯混凝土作為橋面鋪裝材料已經應用于武漢楊泗港青菱大橋、溫州甌江北口大橋等大型橋梁上。 結合鋼橋面實際使用環境和性能需求，寧波路寶科技實業有限公司及中國公路協會提出了用于鋼橋面鋪裝用聚氨酯膠結料及混凝土的性能指標要求，具體數據見表1。

表1 聚氨酯膠結料及其混凝土的性能指標要求

2 聚氨酯鋪裝材料耐老化性能

聚氨酯的老化是長期在熱、紫外線、水和化學介質等因素作用下聚氨酯分子結構發生解聚、斷鏈以及取代基脫除等化學變化，從而在宏觀上表現為物理性能下降的不利過程[10]。

研究聚氨酯材料老化性能通常采用自然暴露老化試驗和人工加速老化試驗。 因自然暴露老化試驗存在周期長、試驗環境復雜、環境條件可控性難和試驗重現性差等問題，人工加速老化試驗包括紫外老化、熱氧老化等，通常被用來研究溫度、濕度、光等因素對材料性能的影響。

2.1 聚氨酯膠結料的老化

2.1.1 熱氧老化

聚氨酯的熱氧老化是分子鏈中的化學鍵在溫度較高條件下發生氧化反應，部分化學鍵斷裂導致材料的各項性能發生不同程度的下降[11]。

田富竟等[12]發現在140、160 和180 ℃老化溫度下處理144 h 后，聚氨酯的拉伸強度保持率隨老化溫度升高而下降明顯；溫度越高，氧化導致分子鍵斷裂相對越容易，拉伸性能下降越明顯；在160 ℃老化0、144 和288 h 后其拉伸強度保持率隨著老化時間的增加而降低。

馬榮堯[13]發現當140 ℃老化30 d，聚氨酯彈性體拉伸強度隨老化時間的增長呈現先顯著下降，其后較為平緩的趨勢；老化672 h 后，聚醚型聚氨酯和聚酯型聚氨酯的拉伸強度保持率分別為70.7%和74.2%。 總體上，因聚酯軟段中的酯基內聚能要大于聚醚軟段中醚基的內聚能，聚酯型聚氨酯耐熱老化和耐氧老化性能更強[14]。

2.1.2 紫外老化

聚氨酯具有很強的紫外線(UV)敏感性。 紫外線的輻射波長處于180～400 nm 范圍之內，擁有314～419 kJ/mol 的高輻射能量，可以深入到彈性體材料的微觀內部結構促使基團和化學鍵的斷裂，進而改變其表觀顏色，降低材料性能[15]。

Aglan 等[16]發現紫外老化后聚氨酯材料的微結構發生了非常明顯的變化(見圖1)，3 個月材料表面出現細微撕裂，5 個月后表面變得非常粗糙且撕裂性能降低了98%以上。 Jana 等[17]發現720 h 紫外線輻射使得聚氨酯中氨基甲酸酯基團斷裂，會產生NN 等有色基團，宏觀表現為顏色變深。

圖1 紫外老化對聚氨酯表面微結構的影響

王葦[18]發現紫外老化處理30 d，材料的斷裂伸長率沒有顯著影響，但拉伸強度比未老化的聚氨酯平均降低1.85 MPa。 洪斌等[19]發現，室溫(25 ℃)固化的聚氨酯紫外老化處理過程中，拉伸性能變化規律可分為3 個階段：(1)老化試驗初期因后固化作用和殘余內應力的消除使得聚氨酯拉伸性能上升，短期暫未產生真正的老化效果；(2)老化試驗中期在水分子的塑化作用和分子鏈斷裂的作用下性能迅速下降；(3)老化試驗中后期在與物化交聯的共同作用下保持相對穩定。

2.2 聚氨酯混凝土的耐久性

聚氨酯混凝土鋪裝材料的耐久性評價方法一般為加速老化處理后的高溫穩定性、低溫抗裂性等宏觀性能評價，并與經過相同條件處理的瀝青類鋪裝材料進行對比。

Li 等[20]進行了溫度為60～70 ℃、輻射度為525 W/m2的紫外老化試驗，發現聚氨酯混凝土在室內紫外線照射60、120 和180 h 后的抗壓和彎曲強度與在自然環境中使用6、12 和18 個月后的抗壓和彎曲強度相當。 與傳統瀝青混凝土、水泥混凝土相比，聚氨酯混凝土具有良好的抗凍性、耐磨性和抗彎曲疲勞性能。 郭虹良[21]研究發現，與SBS 改性瀝青混凝土相比，老化后聚氨酯混凝土抗松散能力更好，低溫抗裂性更優，其高溫性能是SBS 改性瀝青混凝土的5 倍以上。 Xu 等[22]設置了1 至6周老化周期、溫度為90 ℃的熱氧老化和輻照度為160 W/m2的紫外老化試驗，研究發現聚氨酯混凝土的抗壓強度損失率和最大彎曲應變均優于SBS 改性瀝青混凝土。

3 聚氨酯混凝土服役壽命預測

人工加速老化試驗和自然老化測定結果的相關性是預測聚氨酯混凝土服役壽命的關鍵。 但相關性研究不確定性大，影響因素多。 以紫外老化試驗為例，照射光源、照射強度、連續照射時間以及循環周期等試驗條件、現場荷載因素、環境因素的耦合均會影響兩者間的轉換關系。

目前，通常采用起關鍵性的作用條件等效或起控制性的作用效應等效來建立相關性研究。 以紫外老化為例，王金山[23]以材料1 年內受到的輻照總量為參照標準提出了轉換因子K，見式(1)：

其中，I為加速試驗紫外模擬設備的輻射強度，W/m2，Q0為該地區年太陽輻射總量，kJ/cm2。

Jana 等[17]提出以聚氨酯紅外光譜1 610 cm-1處峰值強度為指標，發現720 h 室內紫外老化后峰值強度與自然老化4 320 h 相當，即加速因子為6。

Li 等[20]構建了聚氨酯混凝土室內紫外加速老化時間與室外自然暴露時間的關系，見式(2)：

其中，n為室外自然暴露時間，月；t為室內紫外加速老化模擬時間為室外紫外線年平均輻照量，kJ/cm2；A為根據當地年太陽輻射總量和加速試驗紫外模擬設備輻射強度所確定的系數。

示例如下：模擬北京室外自然老化5 年情況，其室外紫外線年平均輻照量294.8 MJ/m2，室內紫外模擬輻照度為160 W/m2，A取0.00432，聚氨酯混凝土需在室內進行紫外線照射模擬時間為3.55 個月，即聚氨酯混凝土在室內進行紫外照射模擬三個半月，相當于在鋼橋面上服役5 年。 聚氨酯混凝土服役壽命預測流程見圖2。

圖2 聚氨酯混凝土耐紫外線照射壽命預測思路

4 結語及展望

本文基于聚氨酯材料在橋面鋪裝層上的應用及其耐久性能研究進行了文獻調研，聚氨酯混凝土的綠色環保、性能好在橋面鋪裝層的應用上具備優勢，但還有兩方面的問題有待研究：

(1)聚氨酯混凝土的服役壽命沒有統一評價標準。 實驗室老化試驗并不能真實反映聚氨酯混凝土鋪裝在現場服役的具體表現，缺乏說服力；

(2)根據服役環境條件下調整的聚氨酯混凝土原料、配比設計方法不夠完善。 聚氨酯混凝土合成原料種類繁多、合成工藝多樣，原料比例、合成工藝、骨料類型、級配、膠骨比等沒有統一的設計方法。