第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
2019 年 9 月，《交通强国建设纲要》发布，其中有一项重大任务为绿色发展，在交通领域要节约资源，减少污染物排放。在此背景下交通建设相应的各项工程技术指标提高，所以新技术及新材料的研究及推广应用尤为重要。截止 2018 年底，我国各类桥梁达 80.5 万座 [1]，桥梁建设技术已经成为我国的名片之一，并且作为重点领域向一带一路的合作伙伴提供技术输出和建设支持。
然而桥面铺装作为桥梁不可或缺的部分之一，长期以来工程科研领域对其技术壁垒一直未能突破。桥面铺装非常重要，不管是对钢桥还是水泥砼桥梁都起到保护桥面板的重要作用，铺装材料一般为沥青基混合料，其沥青胶结料的特点是高温易软化、低温脆裂，在极端温度和荷载的耦合损伤作用下，桥面铺装层易出现裂缝、推移等早期病害，影响行车安全，而且由于铺装材料需要高温加热生产，污染严重。性能较优的环氧沥青混凝土桥面铺装材料，其使用寿命最长为十年左右，而大型桥梁的使用寿命却超过 100年，例如港珠澳大桥的设计使用年限达到 120 年，这意味着在使用寿命期间桥梁要经受十几次甚至数十次的铺装层铣刨维修，既会浪费资源，又会造成桥梁结构损伤，由此带来的经济损失难以估量。
聚氨酯具有粘结强度高、耐腐蚀、耐水解等特点而广泛应用于建筑防水领域[2]。聚氨酯有单组份和双组份之分，双组份聚氨酯的固化需要含有 MOCA 成分的交联剂，MOCA 为有毒化学品，有致癌性，不利于人体健康以及环境。单组份聚氨酯的固化过程不需要交联剂，是一种湿固化物质，与空气中的水汽发生反应生成二氧化碳、脲键以及大量氨酯键，这种大分子结构使其固化后的聚氨酯性能优异[3-5]。由于国家绿色发展要求，单组份聚氨酯越来越受到各行业的重视，例如作为钢桥外侧涂层用于防腐，将单组份聚氨酯混凝土用于路面修补。但由于其反应受到环境温度、湿度的影响而极少大面积应用于桥面铺装，为此课题组采用单组份聚氨酯进行相关研究以推广其应用。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 桥面铺装材料类型
目前，国内外对桥面沥青基混凝土铺装材料已开展了近 50 年的研究，取得了许多研究成果，积累了丰富的经验。这些成果基本包括：普通沥青混凝土、浇筑式沥青混凝土铺装、SMA 铺装和环氧树脂沥青混凝土铺装等。这些成果在从多方面考虑解决病害，例如坑槽、拥包、推移等，在一定程度上提高了桥面铺装材料的使用寿命。
1.2.1.1 高温拌和型沥青混凝土
高温拌和型沥青混凝土桥面铺装材料主要包括普通沥青混凝土、浇筑式沥青混凝土以及沥青玛蹄脂混凝土，三种材料都需要高温加热生产，对环境造成严重污染。普通沥青混凝土工程造价较低且施工较为简单在早期的桥面铺装中应用广泛，但由于沥青胶结料本身高温软化低温易脆的特点，该结构在高温及重载作用下容易产生车辙病害导致使用寿命较短，所以为提高胶结料的性能，后来对沥青胶结料进行改性，产生 SBS 改性沥青混凝土或者 SBS 橡胶复合改性沥青混凝土[6]；浇筑式沥青混凝土拌和温度在220℃~250℃之间，由于矿料级配一般为 GA-10，且油石比较大，所以其空隙率接近零，流动性很大，为一种自密型混凝土，只需采用摊铺机整平机将其整平即可，具有优良的防水、抗老化性能、抗裂性能强、对桥面板追从性好，但缺点也较为明显，容易产生车辙病害，施工需专用设备，施工温度高，对环境污染严重[7-9]；SMA 铺装具有优良的性能，它的特点是减少了细集料及矿粉含量，而加入碎石及纤维，是一种断级配结构，其骨架嵌挤型密实结构使其具有良好的抗车辙能力，且路面抗滑性能较优，但由于局部密水性不够，易导致浸水产生桥面破坏，从而导致剥落等病害[10,11]。
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第 2 章 聚合物混凝土配合比设计
2.1 原材料性能
原材料主要包括聚氨酯胶结料与集料。聚氨酯胶结料不仅起到粘结矿料的作用，而且还应在完全固化后强度要较高，使其铺装层不易受车辆重载而导致剥落、车辙病害，同时，作为代替沥青胶结料的新材料，应具有良好的和易性，即容易拌合且能够均匀裹复于集料表面，不出现花白料或者结团等现象；集料的性能至关重要，粗集料相互嵌挤形成骨架，细集料及矿粉作为填充，所以集料应具有良好的性能来保证聚合物混凝土铺装层的路用性能及使用寿命。
2.1.1 聚氨酯胶结料
本文采用自主研发的单组份聚氨酯胶结料，该材料组份包含聚醚多元醇类以及异氰酸酯类，使得材料在固化后能保证优良弹性，且强度优异，应用于桥面铺装具有良好的性能[52]，其技术要求参考《聚合物混合料桥面铺装施工技术规范》（DB13/T 2852-2018）中的规定。该单组份聚氨酯胶结料的主要指标试验结果见表 2-1。
2.2 级配设计
在沥青混合料中，AC 型级配即连续型密级配，是我国应用范围最广、使用量最大的级配形式。在 AC 型结构中，各档集料是连续无间断的，形成悬浮-密实型骨架结构，混合料中存在大量细集料，粗集料含量相对较少，粗集料之间距离较大，悬浮于细集料中，没有形成接触，相互之间没有支撑，混合料强度构成中，内摩阻力较小，对胶结料的要求较高，如果胶结料为沥青类，该类型混凝土对温度变化反应敏感，在高温环境下容易产生变形对桥面铺装结构造成破坏，而胶结料为高分子聚合物时，聚合物在固化后强度很高，对温度不敏感，该类混凝土在高温及荷载作用下不容易产生变形。AC-13 型级配类型的混凝土结构密实，空隙率小，作为桥面铺装材料能够有效防止水分及其它化学物质侵蚀桥面板，且该级配类型应用技术成熟，所以本文采用 AC-13 矿料级配，以聚氨酯为胶结料，对 PC-13 型聚合物混凝土进行级配设计，形成 PC-13 型聚合物混凝土，级配组成及级配曲线见表 2-5、图 2.1。
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第 3 章 松散聚合物混凝土贯入阻力测试系统开发 ....................................... 16
3.1 松散聚合物混凝土固化特性 ....................................... 16
3.2 贯入阻力试验仪设计 .....................................16
第 4 章 聚合物混凝土施工和易性研究 ............................28
4.1 施工和易性研究方案 ........................................ 28
4.2 试验条件的确定 ....................................... 30
第 5 章 聚合物混凝土施工和易性室内外验证 ............................... 40
5.1 室内试验验证 ........................................ 40
5.1.1 高温抗车辙性能 .................................. 40
5.1.2 低温弯曲性能 ..................................... 41
第 5 章 聚合物混凝土施工和易性室内外验证
5.1 室内试验验证
采用 PC-13 型聚合物混凝土（胶石比 7%）进行室内试验验证，由于实验室验证时不需要运输、摊铺等施工时的过程，为提高效率、节省时间，其根据催化剂用量模型式4-3 计算与当天温度、湿度及可压实时间（成型时间）相匹配的催化剂用量，在实验室内进行拌和、静置固化，然后结合预计可压实时间进行贯入阻力试验，当贯入阻力达到可压实贯入阻力范围时，成型性能验证相关试件，同时制备马歇尔试件，以此验证空隙率是否符合目标空隙率（1.5~4%）的要求，试件采用恒温恒湿箱加速养生，在温度60℃±5℃、湿度 30%±5%环境下养生时间不宜少于 48h，最后进行相关路用性能检测。
5.1.1 高温抗车辙性能
在高温天气下，不管是钢桥还是水泥砼桥梁，其桥面铺装的温度一般高达 60—70℃，沥青具有高温易软化的特点，在车轮荷载的作用下出现车辙病害，导致桥面铺装平整度下降，影响行车安全，高温稳定性的测试试验方法包括弯曲蠕变试验、车辙试验等。其中车辙试验应用作为广泛，能够模拟实际铺装层的环境温度以及车辆荷载，所以因此，本文采用车辙试验进行聚合物混凝土高温稳定性的验证，并对比桥面铺装材料中高温稳定性较好的环氧沥青混凝土进行分析，高温车辙试验见图 5.1，试验结果见表 5-1。
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结论与展望
结论
聚合物混凝土与沥青混凝土的固化机理不同，导致其施工和易性的不同，本文主要研究聚合物混凝土的压实时机确定方法，沥青混凝土的固化主要受沥青的粘度影响，而沥青粘度与材料温度存在一定关系即粘温曲线，所以可以直接根据现场摊铺的沥青混凝土温度确定压实时机；而聚合物混凝土的固化为一种化学反应，固化程度受到环境温度、湿度及催化剂的影响，所以提出一种贯入阻力测试系统来量测其固化反应程度，通过自主研发的一种单组份聚氨酯作为胶结料，参考沥青混合料的相关设计规范，确定采用桥面铺装广泛使用的 AC-13 型矿料级配，对 PC-13 型聚合物混凝土的压实时机及性能验证进行了研究。主要研究结论如下：
（1）由于现阶段没有成熟的关于聚合物混凝土的配合比设计方法，所以本文参考我国使用较为广泛的马歇尔法进行，通过五种胶石比的马歇尔稳定度、流值、空隙率、矿料间隙率等物理体积指标，计算得到最佳胶石比为 7%。
（2）通过深入研究聚合物混凝土的固化特性，从微观及宏观的角度分析了聚合物混凝土在固化反应过程中的变化。从微观上进行分析单组份聚氨酯胶结料的固化机理是由于分子链中的—NCO 基团与水汽发生化学反应，产生大量脲键，该大分子结构具有良好的强度及耐候性；从宏观上可以看出随着聚合物混凝土固化程度的增加，其表面逐渐失去光泽、流动性下降、强度增加。
（3）提出了一种聚合物混凝土固化特性的量测系统。基于贯入阻力的形成原理，设计了一种贯入阻力试验仪，以贯入阻力作为评价松散聚合物混凝土固化反应程度的量化标准。通过重复贯入阻力试验确定最佳贯入深度为 20mm，并且可以得到离散系数在最佳贯入深度范围内为 10%以下，验证其测试系统具有良好的稳定性和可靠性，最后为此贯入阻力试验仪设计了相应的操作步骤，并确定了贯入阻力值的计算方法。
参考文献（略）