聚氨酯发泡快速稳定道面基层回填料试验研究

聚氨酯发泡快速稳定道面基层回填料试验研究

机场道路的意外损伤主要表现在大量井、大面积井和大井的巨大潜力上。道面抢修就是用最短的时间修复好可供飞机起降的跑道和必须的滑行道及停机坪,修复的道面结构应具有足够的承载强度、良好的平整度以确保飞机起飞、着陆滑跑的安全。由于抢修的特殊时效和技术指标要求,已有的道面抢修方法不同程度存在缺陷,如分层回填轧实和玻璃钢折叠道面板、预制钢筋混凝土道面板覆盖抢修,工艺复杂、时间较长、预储物资多,且面层沉降和强度指标等往往不能满足新型飞机的要求。本文针对机场道面快速抢修的技术特点和性能指标要求,采用新型材料聚氨酯进行了坑洞回填快速稳定的试验研究和理论分析。1机聚氨酯材料的种类路基是柔性或刚性道面的主要承重层,它设置在面层之下,并与面层一起将轮载传布到垫层和土基上,所以必须具有足够的强度、一定的刚度,并且保证在水、温度作用下具有良好的稳定性。试验对基层稳定材料采用有机聚氨酯材料。聚氨酯又称聚氨基甲酸酯,其主要原料之一是异氰酸酯,是一种主链上含有较多的氨基甲酸酯基团的高分子合成材料,一般由聚酯、聚醚和聚烯烃等低聚物多元醇与多异氰酸酯及二醇或二胺类扩链剂逐步加层聚合而成,现已广泛应用到各种生产领域。不同类型的异氰酸酯与多羟基化合物反应后,能生成各种结构的聚氨酯,从而获得不同性质的高分子材料。本试验研究中,发泡体所用的聚氨酯是以异氰酸酯与羟基化合物为主反应所生成。在反应过程中由于有热量放出,所以温度较高,同时伴随发生支化、交联等副反应,最终生成体型网状结构的聚合物。为方便施工,基层和底基层采用相同的聚氨酯配比,发泡速度由催化剂用量调整。1.1半刚性材料基材料和底基层材料的配合比设计基层材料配合比设计是基层设计的一个重要组成部分,根据荷载对道面基层与底基层材料所提出的强度要求,通过试验选择原材料,确定合理的配合比。参照相关沥青路面设计中的半刚性材料基层、底基层的配合比设计,根据重型击实标准,采用混合料7d龄期的无侧限抗压强度试验确定。基层、底基层材料方案如下:聚氨酯发泡稳定碎石,碎石粒径为20～30mm;聚氨酯:A、B双组份,A∶B=1∶1。组份A为异氰酸酯基团的预聚物,组份B由含羟基的聚合物和助剂(稳泡剂、发泡剂等)组成;催化剂:叔胺类与有机金属的复合。1.2无侧限抗压强度碎石粒径为20～30mm,视密度为2.85g/cm3,孔隙率为43%,堆积密度为1.52g/cm3。根据标准的“普通混凝土力学性能试验方法”和“无机结合料稳定土的无侧限抗压强度试验方法”,对无侧限抗压强度采用直径150mm高150mm圆柱形试模填入碎石试验,同时取直径150mm高300mm圆柱形试模进行弹性模量测定。A、B料用量均为250g,催化剂用量为25g。当搅拌混合好的黄褐色溶液均匀地浇洒到碎石表面时,溶液沿碎石间的空隙向下渗流,有极少量残留在上表面。5min后可以看见黄色泡沫液体沿空隙逐渐上升,填充了碎石与碎石间、碎石与模具间的空隙,14min后发泡结束,泡沫基本填满所有空隙,发泡倍数为2.5～3倍。试验时实验室温度为25℃。采用聚氨酯材料用量和单位体积材料用量如表1、2所示(室温25℃),并测试其抗压回弹模量和无侧限抗压强度。1.3不同龄期对稳定性的影响稳定碎石的抗压回弹模量及无侧限抗压强度如表3所示(室温25℃),基本力学指标随龄期增长曲线如图1所示。从图中可以看出,稳定集料的抗压强度随养护龄期的增长而增长,在4h内增长速度较快,4h后增长速度明显降低,增幅很小。聚氨酯发泡稳定碎石在2h、4h、24h龄期的无侧限抗压强度为2.05MPa、2.16MPa、2.33MPa,已满足相关军用机场场道工程中石灰稳定土和水泥稳定土7d的无侧限抗压强度要求和公路工程无机结合料稳定土的强度要求。2使用ansss进行有限分析2.1主轮上的静荷载参考军用机场场道工程相关验收规范,假定机场设计飞机型号为H-7,知其主起落架构型为单轴双轮,主轮轮距为43cm,最大起飞重量G=277.28kN,主起落架荷载分配系数Kz=95%,跑道端部动载系数Kd=1.25,主轮轮胎压力q=1.23MPa。则有:一个主轮上的静载荷Pj=GKz/MN=277.28×0.95/(1×2×2)=65.86kN;一个主轮上的动载荷Pd=GKzKd/MN=277.28×0.95×1.25/(1×2×2)=82.31kN;一个主轮的轮胎接地面积A=Pj×Kd×10/q=65.86×1.25×10/1.23=669.21cm2将飞机轮载简化为等效的矩形竖向均布荷载,轮胎等效接地长度为31.2cm,轮胎等效接地宽度为21.5cm。2.2数值模型的建立对道面结构在水平方向和深度方向取三维有限尺寸,模型尺寸(X、Y、Z)为4.5m×6.0m×4.0m。边界条件假设为:底面没有Z方向位移,左右两侧没有X方向位移,前后两侧没有Y方向位移。层间接触条件为完全连续。由于结构和荷载都是轴对称,因此取1/4模型建立有限元模型。以通用的有限元计算程序ANSYS为工具进行建模和计算。实体单元采用20节点六面体的三维实体单元SOLID95进行离散处理。单元划分如图2所示。通过ANSYS分析,道面在飞机荷载作用下,其位移和应力随着距轮载中心处距离越大而值越小,位移最大值为1.42mm(下沉),竖向压应力最大值为1.7MPa,均发生在面层表面的荷载中心处。其中位移和应力云图如图3～5所示。其应力和位移分析结果分别满足材料极限强度要求和符合相关标准和规程对使用荷载下的沉降要求,结果说明在模拟实际荷载条件下,回填后道面性能满足承载和使用功能要求。3聚氨酯发泡稳定混凝土碎块的施工设计要求根据对试验现象和结果的观察和分析,发泡稳定做法和要求如下:①聚氨酯发泡稳定碎石所用的碎石应满足混凝土用集料的要求,形状接近立方体,有棱角,嵌挤性好。碎石粒径可为30～50mm,嵌缝石屑粒径可为10～20mm;聚氨酯发泡稳定混凝土碎块所用的混凝土碎块,因考虑到现场抢修时就地取材,因此无特殊要求,只需块料坚硬,大小大致均匀即可,不能采用风化或蜂窝麻面过大的块料。②现场施工时,由于基层、底基层厚度较大,液态聚氨酯较粘稠不易渗透,因此为保证施工质量应分层填料、分层浇注聚氨酯。聚氨酯发泡稳定碎石的分层厚度可为50～80cm,聚氨酯发泡稳定混凝土碎块的分层厚度宜为集料粒径的2～3倍。现场施工时的施工顺序为:准备下承层(夯实接触面)→回填撒布底层集料→浇注聚氨酯溶液→(液面发泡接近本层表面时)回填撒布下一层集料→浇注聚氨酯溶液→(液面发泡接近本层表面时)均匀撒布嵌缝料→补做面层→适当压实。4试验材料特点通过本文试验和有限元分析,可以得到以下结论:(1)常温下在实验室内用聚氨酯发泡稳定碎石,2h后无侧限抗压强度和柱体抗压强度分别为2.05MPa和2.72MPa,均已满足我国有关公路和场道工程施工及验收规范中石灰稳定土和水泥稳定土基层、底基层7d的无侧限抗压强度要求,并且发泡迅速并充满了集料之间的所有空隙。(2)聚氨酯发泡稳定碎石起泡时间短,形成强度快,而