第26卷增刊I V ol.26 Sup. I 工 程 力 学 2009年 6 月 June 2009
ENGINEERING MECHANICS
198
变速轮———————————————
收稿日期：2008-03-10；修改日期：2009-03-11
作者简介：*高 屹(1976—)，男，陕西人，讲师，硕士，主要从事结构工程研究(E-mail: gaoyi200801@sina)； 韦灼彬(1964—)，男，湖北人，教授，博士，博导，主要从事工程设施抢修研究(E-mail: weizhuobin@eyou).
文章编号：1000-4750(2009)Sup.I-0198-05
*
高 屹，韦灼彬
医用消毒灭菌(海军工程大学天津校区，天津 300450)
摘 要：聚氨酯混合材料发泡技术是近年来在结构和道路桥梁工程中新材料研究方面的新成果。利用聚氨酯树脂良好的发泡、填充和快速固结性能，与一定结合料混合后经发泡形成稳定体，可用于道路和混凝土结构的充填、结构加固和表面修补。针对此项技术，在道路路基回填方面进行了现场模拟试验研究。利用配比实验研究的结果对模拟破坏路基进行了基层回填加固与面层修复试验，在聚氨酯发泡稳定体经2h 固化后，进行现场加载和取样并测试其性能，加载响应符合理论分析结果，取样力学性能满足我国相关标准和规程要求。 关键词：结构工程；地基加固；试验研究；基层回填；聚氨酯发泡 中图分类号：U416.1 文献标识码：A EXPERIMENTAL STUDY ON FROTHING TECHNIQUES WITH MIXED
POLYURETHANE MATERIALS
*
GAO Yi , WEI Zhuo-bin
(Tianjin School District, Naval University of Engineering, Tianjin 300450, China)
Abstract: Frothing techniques with mixed polyurethane materials have been widely used in the field of civil engineering. Polyurethane has many properties, such as frothing quickly, stronger viscidity and better elasticity. Frothed and vulcanized polyurethane, combined with other hard granules, can form a new kind of backfill materials who have higher initial strength. Recognizing these properties, the frothing technique of polyurethane materials can be applied in consolidation and backfill of concrete and roadbed structure. In this paper, on the base of the experimental research on the materials’ properties, a test simulating an actual consolidation of subsoil was carried out. The stable backfill substance was formed quickly by frothing of polyurethane in the pore space of gravels, and used as base of pavement. The surface of pavement can be made from gravels and some certain polyurethane. It took 2 hours to backfill the base and make the surface. Then, both static and impact loads were applied. The result of the test indicated that the mechanical properties of surface and base made up of polyurethane composite materials can satisfy certain standards and specifications.
Key words: structure engineering; consolidation of subsoil; experimental study; base backfill; polyurethane
frothing
公路路面乃至机场道面结构中，基层结构是承受荷载的主体。由于土体沉陷、冲击爆破作用等毁伤因素，使道路结构破坏，丧失承载力，须对道路
结构进行修复。修复内容包括基层回填和面层修
补。在目前了解的机场道面与公路路面修复技术方
面，存在着工艺复杂，施工机械设备要求高、强度
时效长、施工作业时间长、抢修物资不易储备。针
对这些缺点，提出了聚氨酯发泡稳定基层的骨料回
填技术进行研究，并在已有成果上进行了坑洞的模
拟现场回填试验研究[1―
2]。
www.44base
聚氨酯树脂具有可发泡性、粘弹性、耐低温 性[3]。经发泡硬化，可与其它硬质散粒材料粘结填充空隙形成复合体，具有早强特性[4―
5]，并在建筑隔层材料和煤炭挖掘坑壁加固等领域有所应 用[6―
7]。基于聚氨酯树脂特性，提出以聚氨酯作为新材料对路面或道面坑洞进行快速抢修。内容是以
工 程 力 学 199
聚氨酯配合碎石形成聚氨酯混凝土做面层，以聚氨酯发泡填充碎石空隙快速形成回填稳定体做基层。
1 试验方案
考虑到场地和试验条件限制，采用模拟小坑体进行现场模拟抢修试验。对坑体基层处理选择相同粒径无级配碎石(30mm ―40mm)回填，然后采用聚氨酯双组分液料现场混合搅拌浇注发泡。既可采取将双组分液料与回填骨料混合搅拌一并落入洞坑，待聚氨酯发泡后包裹骨料，形成聚氨酯泡沫混凝土新型复合材料；也可先回填骨料，后浇灌已搅拌均匀的聚氨酯双组分液料，利用其渗透性流入松散回填料空隙后发泡充填并粘结骨料形成稳定体，达到集料回填快速稳定固结的效果。对面层封补采用聚氨酯混凝土铺筑，厚度在20cm 左右。
现场试验是在空旷场地上开挖直径 1.6m ，深0.9m 半球体洞坑，洞坑体积为1m 3，对坑体周边及内壁进行清理。分层回填碎石，分层厚度约300mm ，分批次浇注双组分聚氨酯混合液；回填过程中，在不同深度按预定位置埋设土压力盒。 1.1 加载方式
静载试验用加载车加载，加载车型号为“东风”系列载重卡车(东风EQ1033G51D3B ，空载过地磅称量自重为3.0t)，采用后轮单轮加载，见图1。动载试验通过加载车后轮单轮从高15cm 的垫块下落，冲击到面层上预定位置，完成模拟冲击荷载加载过程，见图2所示。
图1 模拟洞坑剖面与静力加载示意 Fig.1 Loading condition of the static test
图2 冲击试验加载示意
Fig.2 Loading condition of the impact test
1.2 试验材料及用量
基层回填材料：粒径30mm ―40mm 无级配碎石，聚氨酯A 、聚氨酯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 为由含羟基的聚合物和助剂(稳泡剂、发泡剂等)组成，催化剂采用叔胺类与有机金属复合。面层修补材料：粒径10mm ―20mm 级配碎石，中砂；聚氨酯为聚醚型聚氨酯PU-2，固化剂为胺类固化剂JB-2(浓度为40%)，稀释剂为惰性稀释剂(不含活性氢化合物)，催化剂为有机金属化合物。基层回填发泡聚氨酯和面层铺 筑聚氨酯混凝土的单位体积材料用量分别见表1、表2。
表1 基层回填发泡单位体积聚氨酯材料用量
Table 1 Quantities of polyurethane materials used in
base backfill
组分A/(kg/m 3)组分B/(kg/m 3)催化剂/(kg/m 3) 水/(kg/m 3)发泡率/倍
94.31 94.31 2.5 0
2.5―3表2 聚氨酯混凝土单位体积材料用量
Table 2 Quantities of each material of the
polyurethane concrete
“PU-2”聚氨酯/(kg/m 3)“JB-2”固化剂/(kg/m 3) 催化剂/ (kg/m 3) 碎石/ (kg/m 3) 砂/ (kg/m 3)填料(水泥)/
(kg/m 3)
132 132 1.65 1272.5 715.8 248.5
1.3 试验设备
土应力盒(6个)；NYL-2000型压力试验机；250kN 液压式压力试验机；电子天平；直径150mm 、高300mm 的圆柱形试模4组(每组3个)，直径150mm 、高150mm 的圆柱形试模2组(每组3个)；振弦式读数仪。 2 试验过程
2.1 基坑回填
基坑回填按先铺洒碎石回填料而后浇注聚氨酯液料的顺序，分层回填，分批次浇注，考虑到人
工搅拌操作，浇注过程分7次进行，碎石每层铺设厚度为30cm ，各层浇洒聚氨酯溶液后，经固化15min ，待发泡稳定后再进行下一层回填和浇注。
在回填过程中，按预设位置埋置土应力盒，应力盒顶面向上并适当固定。在应力盒引线上进行标
记，并引至坑外，以备测试使用。浇注回填至坑体顶面150mm 处结束基层回填，待发泡稳定后铺筑面层聚氨酯混凝土，并将表面抹平。在回填浇注发
泡和面层搅拌铺筑的同时，按相关规程标准要求浇筑试件，以备测定力学性能指标[8
―9]
。
200 工 程 力 学
2.2 取样与加载
全部坑体回填在2h 内完成，再经固化2h 后，分别进行单轮静载加载和冲击加载，并对相应的应力盒数值进行记录，同时测定预留试件的力学性能。在加载过程之前，应先记录下应力盒在空载条件下数值，以便在结果分析中进行等效应力响应的对比分析。
3 试验结果
3.1 试验现象
室外温度5℃。基层回填分4层，聚氨酯浇注时先将搅拌混合好的黄褐溶液均匀地浇洒到碎石表面，溶液沿碎石间的空隙向下渗透，仅极少量残留在表面。5min 后可以看见黄泡沫体逐渐形成，10min 后发泡结束，泡沫体填满碎石空隙并有少量外溢，发泡较理想。面层一次性搅拌铺筑。聚氨酯发泡和骨料回填情况见图3和图4。
图3 聚氨酯发泡情况 Fig.3
The scene of frothing
图4 聚氨酯骨料回填情况
Fig.4 The scene of backfilling
3.2 加载力学响应与材料力学性能测试
通过记录预埋应力盒在静载和冲击作用下的响应数据，得到各种作用下的应力盒埋设位置处基层材料的应力数值，形成应力盒埋深位置在各种加载条件下等效应力变化情况曲线，见图5。
图5中反映了在空载、静载和冲击荷载作用下，
回填坑体各纵向坐标位置处应力情况，其中应力受回填材料自重作用影响，随埋深越大，应力值越大，在每一点位置处，冲击荷载应力值最大，其次是静载和空载作用下应力。除去材料自重影响，空载下应力分别与静载和动载下的应力差值，反映材料对加载条件下作用的响应情况，便于与数值计算结果进行比较。等效加载应力响应见表3。按应力盒位置绘制出等效静载和冲击作用下回填材料的应力数值变化情况，见图6。
图5 应力盒埋深位置在各加载条件下等效应力变化情况
Fig.5 Stress curves under different loads
图6 等效静载和冲击作用下回填材料应力变化情况 Fig.6 Stress curves under different loads by removed
material’s deadweight 表3 等效加载应力响应
Table 3 Stress values under different loads by removed
material’s deadweight
应力盒编号
竖向 坐标/m
等效静载 加载应力/MPa
等效动载 加载应力/MPa
动力系数
1 0 0.0236 0.0318 1.347458
2 −0.2 0.00708 0.0134 1.892655
3 −0.
4 0.00212 0.00366 1.7264154 −0.6 0.00169 0.00283 1.6745565
−0.8 0.00098
0.00105 1.071429
动力系数平均值
1.542503
图6和表3反映在加载条件下，在除去重力荷载作用影响后，回填材料应力变化值为加载下的应力，其值随回填位置深度增加而减小，在−0.8m 下应力响应为0.98kPa 和1.05kPa 。动力系数平均值为1.5425。对取样的试件进行圆柱体强度和无侧限抗
-1
-0.8-0.6-0.4
-0.20
变化应力/MPa
竖向坐标/m
-1-0.8-0.6-0.4
网带窑
-0.2
竖向坐标/m
应力值/M P a
工程力学 201
压强度的力学性能测试[8]，其数值见表4。
表4 基层聚氨酯发泡稳定体取样试件基本力学指标
(现场温度5℃，固化2h)
Table 4 The mechanical properties of the base specimens with
conditions of 5℃outside and 2 hours by solidified
取样试件编号无侧限抗压强度/MPa抗压回弹模量/MPa
1 4.99 109.07
2 4.44 96.9
3 3.61 70.672
平均值 4.34 92.22
4 数值分析
4.1 模型建立
材料采用试验研究的聚氨酯混凝土和聚氨酯
发泡稳定材料，面层为聚氨酯混凝土，基层为聚氨
酯发泡稳定碎石。材料本构关系以及其它力学参数
按取样2h测定的材料力学性能取值，见表5。
表5 道面各结构层厚度及材料参数
Table 5 Values of mechanical properties and thickness of each
road structure course
道面结构结构层
厚度/cm
弹性
模量/MPa
泊松比ν
粘聚力/
MPa
摩擦角/
(o)
面层15 266.71 0.25 − − 基层80 92.22 0.35 − − 土基300 25 0.42 0.1 30
参考已有研究分析[10―11]，以通用的有限元计算
程序ANSYS为工具进行建模和计算。面层、基层
材料整体性较好，按弹性材料考虑，即应力-应变关
系满足虎克定律。模型为中间为半球体，半径0.8m，外面是4m×4m×3m的土体，上面是厚为0.15m的面层，取其1/4的模型，在分界面处建立对称约束。
加载方式考虑加载车单轮加载，加载面积为0.2m×0.3m，在模型对称轴上集中加载，荷载按现
场试验加载取值为7.35kN。
4.2 数值计算结果
借助ANSYS有限元分析计算模型在加载条件
下的竖向应力和竖向位移，并谱绘应力与位移云图，见图7和图8。在应力云图中，单元模型在加
载点处应力最大，应力为压应力达到0.121MPa，应
力随坐标增大而减小，在坑体模型周边(坐标为
−0.8m)应力几乎无变化，且压应力值小于0.003MPa。在位移云图中，单元模型在加载点处位
移最大，位移值随坐标增大而减小，在坑体模型周
边(坐标为−0.8m)位移值最小。根据在加载中心轴下
单元节点的竖向应力和竖向位移值绘制变化情况并与现场试验数值对比，见图9
和图10。
图7
模型竖向应力云图
Fig.7 Vertical stress graphics of the ANSYS model
图8 模型竖向位移云图
Fig.8 Vertical displacement graphics of the ANSYS model
图9 沿加载中心轴竖向应力随竖向坐标位置变化情况Fig.9 Stress curves along the centric axis of loading
图10 沿加载中心轴竖向位移随竖向坐标位置变化情况Fig.10 Displacement curves along the centric axis of loading
加
载
中
心
下
竖
向
坐
标/
m
加
载
中
焊锡线
心
下
竖
向
坐
标/
m
202 工程力学
通过与现场试验数值曲线图6对比，数值变化情况一致，反映出ANSYS模型建立正确，能够模拟现场条件，理论分析结果正确。位移变化曲线反映在现场试验条件下，回填材料经2h固化后，进行冲击加载，结构体最大沉陷位移很小，反映在加载下结构几乎无沉陷。
按照此模型进一步采用道面实际承受最大冲击荷载进行分析，荷载取值为220.15kN。通过理论分析，得到在加载中心面层处，节点竖向位移最大，其值为 2.21mm。沿加载中心轴竖向坐标处应力响应在面层表面处达到最大，其值为3.562MPa，均能满足相关规程要求[12―13]。
5 结论
通过针对聚氨酯发泡稳定回填材料进行模拟小坑体试验研究和理论分析，可以得到以下结论：
(1) 现场模拟抢修试验的回填发泡稳定以实验室配比为基础，对小体积模拟坑体进行人工回填发泡，模拟洞坑体积为1m3，全部填充和发泡过程在2h内完成，基层聚氨酯发泡效果良好，充填率达到95%以上。
(2) 按现场基层回填发泡材料和面层封补铺筑材料配比取样浇注试件4组，分别测试各结构层力学性能指标，取样测试回填料力学性能，发泡稳定体2h无侧限强度达4MPa以上，满足相关规程要求，面层聚氨酯混凝土性能优于普通混凝土，接近柔性面层性能指标[12―13]。
(3) 在现场模拟荷载加载条件下，各预定位置应力值远小于材料极限强度，通过ANSYS建模与理论数值分析结果对比，加载后应力变化趋势与ANSYS分析结果一致。同时，ANSYS分析表明在现场试验加载条件下结构模型最大沉陷位移很小，推广至实际最大冲击荷载条件下的冲击沉陷值也小于3mm，其结果反映材料性能优良，并为弹坑回填技术进一步实际应用和弯沉试验提供参考依据。参考文献：
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