聚氨酯發(fā)泡快速穩(wěn)定道面基層回填料試驗(yàn)研究

聚氨酯發(fā)泡快速穩(wěn)定道面基層回填料試驗(yàn)研究

機(jī)場道路的意外損傷主要表現(xiàn)在大量井、大面積井和大井的巨大潛力上。道面搶修就是用最短的時(shí)間修復(fù)好可供飛機(jī)起降的跑道和必須的滑行道及停機(jī)坪,修復(fù)的道面結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的承載強(qiáng)度、良好的平整度以確保飛機(jī)起飛、著陸滑跑的安全。由于搶修的特殊時(shí)效和技術(shù)指標(biāo)要求,已有的道面搶修方法不同程度存在缺陷,如分層回填軋實(shí)和玻璃鋼折疊道面板、預(yù)制鋼筋混凝土道面板覆蓋搶修,工藝復(fù)雜、時(shí)間較長、預(yù)儲物資多,且面層沉降和強(qiáng)度指標(biāo)等往往不能滿足新型飛機(jī)的要求。本文針對機(jī)場道面快速搶修的技術(shù)特點(diǎn)和性能指標(biāo)要求,采用新型材料聚氨酯進(jìn)行了坑洞回填快速穩(wěn)定的試驗(yàn)研究和理論分析。1機(jī)聚氨酯材料的種類路基是柔性或剛性道面的主要承重層,它設(shè)置在面層之下,并與面層一起將輪載傳布到墊層和土基上,所以必須具有足夠的強(qiáng)度、一定的剛度,并且保證在水、溫度作用下具有良好的穩(wěn)定性。試驗(yàn)對基層穩(wěn)定材料采用有機(jī)聚氨酯材料。聚氨酯又稱聚氨基甲酸酯,其主要原料之一是異氰酸酯,是一種主鏈上含有較多的氨基甲酸酯基團(tuán)的高分子合成材料,一般由聚酯、聚醚和聚烯烴等低聚物多元醇與多異氰酸酯及二醇或二胺類擴(kuò)鏈劑逐步加層聚合而成,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到各種生產(chǎn)領(lǐng)域。不同類型的異氰酸酯與多羥基化合物反應(yīng)后,能生成各種結(jié)構(gòu)的聚氨酯,從而獲得不同性質(zhì)的高分子材料。本試驗(yàn)研究中,發(fā)泡體所用的聚氨酯是以異氰酸酯與羥基化合物為主反應(yīng)所生成。在反應(yīng)過程中由于有熱量放出,所以溫度較高,同時(shí)伴隨發(fā)生支化、交聯(lián)等副反應(yīng),最終生成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物。為方便施工,基層和底基層采用相同的聚氨酯配比,發(fā)泡速度由催化劑用量調(diào)整。1.1半剛性材料基材料和底基層材料的配合比設(shè)計(jì)基層材料配合比設(shè)計(jì)是基層設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分,根據(jù)荷載對道面基層與底基層材料所提出的強(qiáng)度要求,通過試驗(yàn)選擇原材料,確定合理的配合比。參照相關(guān)瀝青路面設(shè)計(jì)中的半剛性材料基層、底基層的配合比設(shè)計(jì),根據(jù)重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn),采用混合料7d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定?；鶎?、底基層材料方案如下:聚氨酯發(fā)泡穩(wěn)定碎石,碎石粒徑為20～30mm;聚氨酯:A、B雙組份,A∶B=1∶1。組份A為異氰酸酯基團(tuán)的預(yù)聚物,組份B由含羥基的聚合物和助劑(穩(wěn)泡劑、發(fā)泡劑等)組成;催化劑:叔胺類與有機(jī)金屬的復(fù)合。1.2無側(cè)限抗壓強(qiáng)度碎石粒徑為20～30mm,視密度為2.85g/cm3,孔隙率為43%,堆積密度為1.52g/cm3。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的“普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法”和“無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法”,對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度采用直徑150mm高150mm圓柱形試模填入碎石試驗(yàn),同時(shí)取直徑150mm高300mm圓柱形試模進(jìn)行彈性模量測定。A、B料用量均為250g,催化劑用量為25g。當(dāng)攪拌混合好的黃褐色溶液均勻地澆灑到碎石表面時(shí),溶液沿碎石間的空隙向下滲流,有極少量殘留在上表面。5min后可以看見黃色泡沫液體沿空隙逐漸上升,填充了碎石與碎石間、碎石與模具間的空隙,14min后發(fā)泡結(jié)束,泡沫基本填滿所有空隙,發(fā)泡倍數(shù)為2.5～3倍。試驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)室溫度為25℃。采用聚氨酯材料用量和單位體積材料用量如表1、2所示(室溫25℃),并測試其抗壓回彈模量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。1.3不同齡期對穩(wěn)定性的影響穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表3所示(室溫25℃),基本力學(xué)指標(biāo)隨齡期增長曲線如圖1所示。從圖中可以看出,穩(wěn)定集料的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而增長,在4h內(nèi)增長速度較快,4h后增長速度明顯降低,增幅很小。聚氨酯發(fā)泡穩(wěn)定碎石在2h、4h、24h齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.05MPa、2.16MPa、2.33MPa,已滿足相關(guān)軍用機(jī)場場道工程中石灰穩(wěn)定土和水泥穩(wěn)定土7d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求和公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土的強(qiáng)度要求。2使用ansss進(jìn)行有限分析2.1主輪上的靜荷載參考軍用機(jī)場場道工程相關(guān)驗(yàn)收規(guī)范,假定機(jī)場設(shè)計(jì)飛機(jī)型號為H-7,知其主起落架構(gòu)型為單軸雙輪,主輪輪距為43cm,最大起飛重量G=277.28kN,主起落架荷載分配系數(shù)Kz=95%,跑道端部動載系數(shù)Kd=1.25,主輪輪胎壓力q=1.23MPa。則有:一個(gè)主輪上的靜載荷Pj=GKz/MN=277.28×0.95/(1×2×2)=65.86kN;一個(gè)主輪上的動載荷Pd=GKzKd/MN=277.28×0.95×1.25/(1×2×2)=82.31kN;一個(gè)主輪的輪胎接地面積A=Pj×Kd×10/q=65.86×1.25×10/1.23=669.21cm2將飛機(jī)輪載簡化為等效的矩形豎向均布荷載,輪胎等效接地長度為31.2cm,輪胎等效接地寬度為21.5cm。2.2數(shù)值模型的建立對道面結(jié)構(gòu)在水平方向和深度方向取三維有限尺寸,模型尺寸(X、Y、Z)為4.5m×6.0m×4.0m。邊界條件假設(shè)為:底面沒有Z方向位移,左右兩側(cè)沒有X方向位移,前后兩側(cè)沒有Y方向位移。層間接觸條件為完全連續(xù)。由于結(jié)構(gòu)和荷載都是軸對稱,因此取1/4模型建立有限元模型。以通用的有限元計(jì)算程序ANSYS為工具進(jìn)行建模和計(jì)算。實(shí)體單元采用20節(jié)點(diǎn)六面體的三維實(shí)體單元SOLID95進(jìn)行離散處理。單元劃分如圖2所示。通過ANSYS分析,道面在飛機(jī)荷載作用下,其位移和應(yīng)力隨著距輪載中心處距離越大而值越小,位移最大值為1.42mm(下沉),豎向壓應(yīng)力最大值為1.7MPa,均發(fā)生在面層表面的荷載中心處。其中位移和應(yīng)力云圖如圖3～5所示。其應(yīng)力和位移分析結(jié)果分別滿足材料極限強(qiáng)度要求和符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程對使用荷載下的沉降要求,結(jié)果說明在模擬實(shí)際荷載條件下,回填后道面性能滿足承載和使用功能要求。3聚氨酯發(fā)泡穩(wěn)定混凝土碎塊的施工設(shè)計(jì)要求根據(jù)對試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果的觀察和分析,發(fā)泡穩(wěn)定做法和要求如下:①聚氨酯發(fā)泡穩(wěn)定碎石所用的碎石應(yīng)滿足混凝土用集料的要求,形狀接近立方體,有棱角,嵌擠性好。碎石粒徑可為30～50mm,嵌縫石屑粒徑可為10～20mm;聚氨酯發(fā)泡穩(wěn)定混凝土碎塊所用的混凝土碎塊,因考慮到現(xiàn)場搶修時(shí)就地取材,因此無特殊要求,只需塊料堅(jiān)硬,大小大致均勻即可,不能采用風(fēng)化或蜂窩麻面過大的塊料。②現(xiàn)場施工時(shí),由于基層、底基層厚度較大,液態(tài)聚氨酯較粘稠不易滲透,因此為保證施工質(zhì)量應(yīng)分層填料、分層澆注聚氨酯。聚氨酯發(fā)泡穩(wěn)定碎石的分層厚度可為50～80cm,聚氨酯發(fā)泡穩(wěn)定混凝土碎塊的分層厚度宜為集料粒徑的2～3倍。現(xiàn)場施工時(shí)的施工順序?yàn)?準(zhǔn)備下承層(夯實(shí)接觸面)→回填撒布底層集料→澆注聚氨酯溶液→(液面發(fā)泡接近本層表面時(shí))回填撒布下一層集料→澆注聚氨酯溶液→(液面發(fā)泡接近本層表面時(shí))均勻撒布嵌縫料→補(bǔ)做面層→適當(dāng)壓實(shí)。4試驗(yàn)材料特點(diǎn)通過本文試驗(yàn)和有限元分析,可以得到以下結(jié)論:(1)常溫下在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用聚氨酯發(fā)泡穩(wěn)定碎石,2h后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和柱體抗壓強(qiáng)度分別為2.05MPa和2.72MPa,均已滿足我國有關(guān)公路和場道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范中石灰穩(wěn)定土和水泥穩(wěn)定土基層、底基層7d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求,并且發(fā)泡迅速并充滿了集料之間的所有空隙。(2)聚氨酯發(fā)泡穩(wěn)定碎石起泡時(shí)間短,形成強(qiáng)度快,而