基于不同工況路用降溫涂層的耐久性能

孫曉龍, 覃 瀟, 禹振軒, 王朝輝, 郭滕滕

(1. 廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006; 2. 長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

在夏季高溫環(huán)境下,瀝青路面的高溫病害會(huì)大幅降低瀝青路面的路用性能和使用壽命.在現(xiàn)有的瀝青路面高溫病害應(yīng)對(duì)措施中,路用降溫涂層作為一種有效的手段,能夠降低路面結(jié)構(gòu)層對(duì)太陽熱能的吸收和蓄積,有效降低路表和路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部溫度,進(jìn)而可顯著減少瀝青路面車轍等高溫病害,并緩解城市熱島效應(yīng)[1-3].由于路用降溫涂層有良好的降溫性能,科研人員已經(jīng)逐步在道路領(lǐng)域展開大范圍的研究和應(yīng)用.文獻(xiàn)[4]制備了灰色太陽熱反射涂料,研究其在夏季高溫季節(jié)的降溫性能.文獻(xiàn)[5]對(duì)太陽熱反射涂層的降溫性能及抗滑性能進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[6]基于能量轉(zhuǎn)換原理研發(fā)了多種新型降溫涂層,對(duì)其在瀝青路面降溫中的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析.文獻(xiàn)[7]制備了太陽熱反射涂料,對(duì)其路用性能和降溫效果進(jìn)行了評(píng)價(jià).文獻(xiàn)[8]分析了研發(fā)的熱反射降溫涂層在瀝青路面的應(yīng)用效果.可見,現(xiàn)有的路用降溫涂層研究多集中于降溫性能、抗滑性能及滲水性能等,缺乏對(duì)于路用降溫涂層耐久性能的研究.當(dāng)路用降溫涂層應(yīng)用于瀝青路面工程中時(shí),會(huì)受到溫度、水、污染物及行車荷載等諸多因素的綜合影響,造成耐久性能降低,從而大幅度降低降溫涂層的降溫性能和路用性能,對(duì)瀝青路面的路用性能產(chǎn)生不利影響.

為此,筆者優(yōu)選一系列性能優(yōu)良的降溫涂層原材料,制備2種新型路用降溫涂層,評(píng)價(jià)新型路用降溫涂層的降溫性能,借助耐水性、耐溫變、耐化學(xué)腐蝕以及耐磨耗等性能試驗(yàn),研究路用降溫涂層單一工況及復(fù)合工況下的耐久性能,為路用降溫涂層的推廣和應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 原材料組成及制備

1.1 原材料組成

采用環(huán)氧樹脂及聚酰胺樹脂作為降溫涂層載體材料,以陶土及鐵綠(氧化鐵)作為顏料和輔助降溫材料,選用丁二醇雙環(huán)氧稀釋劑作為助劑.以環(huán)保無污染為宗旨,綜合資源儲(chǔ)備量、開發(fā)利用難易程度和成本,同時(shí)考慮到材料性能穩(wěn)定性、分散性、生產(chǎn)加工難易度和重復(fù)利用率等因素,選擇3種材料作為新型降溫涂層的改性劑,分別命名為改性劑A,B和C,主要物化性能指標(biāo)見表1.

采用機(jī)械球磨活化及表面活性劑對(duì)優(yōu)選的3種材料進(jìn)行活化及表面優(yōu)化處理.降溫改性劑活化處理所用儀器為DQM型行星式高能球磨儀等,表面活性劑主要采用聚丙烯酸鈉、多聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉.具體優(yōu)化處理過程如下: ① 將降溫改性劑分別置于球磨儀的各個(gè)球磨罐中,選用直徑為10 mm的磨球,控制基礎(chǔ)材料和球的質(zhì)量比約為1 ∶20,進(jìn)行密封.采用高純惰性氣體氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體,填充后進(jìn)行球磨,干磨30 min后取出待用. ② 將經(jīng)機(jī)械活化后的降溫改性劑分別置于燒杯中,氮?dú)庀聰嚢?0 min,以驅(qū)除體系中的氧氣,然后將聚丙烯酸鈉、六偏磷酸鈉和降溫改性劑按2 ∶1 ∶1的質(zhì)量比進(jìn)行混合后放置在燒杯中,采用乙醇作為溶劑,將環(huán)境溫度升到80 ℃,恒溫10 h后進(jìn)行磁分離,最后采用去離子水將混合物洗滌、過濾數(shù)次后,將得到的產(chǎn)物進(jìn)行蒸發(fā)干燥,得到優(yōu)化降溫改性劑.

表1 降溫改性劑物化性能指標(biāo)

將表面優(yōu)化改性處理后的降溫改性劑進(jìn)行復(fù)配,得到AC和BC兩種類型降溫改性劑,其中,AC為A與C按1 ∶1質(zhì)量比復(fù)配而成,BC為B與C按1 ∶1質(zhì)量比復(fù)配而成.

1.2 路用降溫涂層制備

1) 按照預(yù)先確定的降溫涂層配合比,將降溫改性劑、輔助降溫材料及著色材料等粉狀外摻材料投入拌合機(jī)內(nèi),充分?jǐn)嚢杌旌?0 min后取出待用.

2) 將樹脂與固化劑等成膜物材料加入攪拌機(jī)內(nèi),并進(jìn)行高速攪拌10 min;將粉狀外摻材料分3次加入成膜物中,使其初步分散在成膜物中,并繼續(xù)進(jìn)行30 min高速攪拌分散,以確保降溫改性劑、輔助降溫材料、著色材料等在成膜物中分布均勻.

3) 將降溫涂層混合漿倒入砂磨機(jī)中,研磨至50目以上,并加入適量助劑調(diào)和,攪拌均勻;在研磨和調(diào)和攪拌完成后,采用0.3 mm不銹鋼絲網(wǎng)篩過濾混合漿料,過濾完成后降溫涂層即制備完畢.

2 降溫性能

依據(jù)JTGE 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》,采用現(xiàn)普遍應(yīng)用的AC-13級(jí)配制備普通瀝青混合料車轍板,在車轍板中部埋設(shè)溫度傳感器[9-10].車轍板試件制備完成后,放置24 h，在其表面涂刷降溫涂層,于通風(fēng)處至涂層完全干燥.降溫性能試驗(yàn)在室外無遮擋環(huán)境中進(jìn)行,采用黏土對(duì)試件的底部及四周進(jìn)行隔溫處理,然后在10:00—15:00時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行降溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集.最后,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理,選取普通瀝青混合料路面溫度為45,50,55及60 ℃時(shí)的涂刷降溫涂層路面的降溫效果作為主要依據(jù),對(duì)降溫效果進(jìn)行評(píng)價(jià).不同類型路用降溫涂層的降溫效果如表2所示.

表2 路用降溫涂層降溫效果 ℃

由表2可知:路用降溫涂層具有良好的降溫效果,隨著路面溫度的不斷升高,降溫效果逐漸明顯;AC降溫效果最高可達(dá)9 ℃以上,BC也可達(dá)到7 ℃以上.

3 耐久性能

3.1 單一工況

3.1.1 耐水性能

耐水性能主要針對(duì)高溫、大降水量地區(qū)降溫涂層的耐久性能進(jìn)行評(píng)價(jià).路用降溫涂層耐水性試驗(yàn)主要依據(jù)GB/T 1733—93《漆膜耐水性測(cè)定法》,首先將降溫涂層均勻地涂刷于測(cè)試板的表面,降溫涂層完全干燥后,將試件厚度的1/3浸泡于水中,24 h后查看試件表面的涂膜是否出現(xiàn)氣泡、皺皮和脫落等現(xiàn)象.路用降溫涂層耐水性能試驗(yàn)的結(jié)果如表3所示.

表3 路用降溫涂層耐水性能試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知:水中浸泡24 h后,降溫涂層表面無氣泡和皺皮出現(xiàn),也未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象,這表明路用降溫涂層在浸水條件下仍然能保持較好的表觀狀況,耐水性能良好,符合JC/T 1015—2006的相關(guān)要求.路用降溫涂層良好的耐水性能,主要源自于降溫涂層與瀝青路面具有良好的膠結(jié)能力,可阻止外界水進(jìn)入路面內(nèi)部,從而為其耐水性能提供了保證.

3.1.2 耐溫變性能

針對(duì)高低溫交替變化對(duì)降溫涂層應(yīng)用耐久性的影響,參照J(rèn)G/T 25—1999《建筑涂料涂層耐凍融循環(huán)性測(cè)定法》,將涂刷有降溫涂層的試件置于(23±2) ℃的恒溫水槽中,浸泡18 h;靜置1 h后,將試件放入預(yù)先降溫至(-20±2) ℃的低溫箱中冷凍3 h;從低溫箱中取出后,立即放入(50±2) ℃的烘箱中,恒溫3 h;最后取出試件,自然條件下放置 2 h,觀察試件表面涂層是否發(fā)生粉化、起泡、開裂和剝落等現(xiàn)象.降溫涂層耐溫變性能試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 路用降溫涂層耐溫變性能試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知:在高、低溫溫變?cè)囼?yàn)完成后,與留樣試件對(duì)比,測(cè)試板涂層表面狀況良好,并無粉化、起泡、開裂、變色和剝落等現(xiàn)象出現(xiàn),這表明路用降溫涂層具有良好的耐溫變性能,符合JC/T 1015—2006的相關(guān)要求.可見，路用降溫涂層良好的耐溫變性能與其良好的耐水性能密切相關(guān).

3.1.3 耐化學(xué)腐蝕性能

耐化學(xué)腐蝕性能試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)JC/T 1015—2006,將試件涂刷有降溫涂層的表面分別浸泡于不同類型腐蝕液體中24 h,浸泡結(jié)束后,放置于恒溫箱中,充分干燥后,查看涂層表面狀況,評(píng)價(jià)路用降溫涂層自身的化學(xué)穩(wěn)定性及耐腐蝕性能.路用降溫涂層耐化學(xué)腐蝕性能試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.

表5 路用降溫涂層耐化學(xué)腐蝕性能試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知:本試驗(yàn)制備的不同類型降溫涂層的耐化學(xué)腐蝕性能良好,滿足JC/T 1015—2006的相關(guān)要求.

3.1.4 耐磨耗性能

為了合理評(píng)價(jià)路用降溫涂層的耐磨耗性能,參考JC/T 1015—2006及JTGE 20—2011,首先利用濕輪磨耗試驗(yàn)?zāi)＞?尺寸為300 mm×300 mm×6 mm,中間有一個(gè)直徑279 mm的圓孔)在油毛氈上制作試驗(yàn)試件.在60 ℃下干燥16 h后,涂刷降溫涂層,置于通風(fēng)處干燥;當(dāng)試件完全干燥后,置于濕輪磨耗儀上進(jìn)行磨耗試驗(yàn).每種降溫涂層分別進(jìn)行3組平行試驗(yàn).對(duì)磨耗試驗(yàn)結(jié)果按照J(rèn)C/T 1015—2006要求換算,耐磨耗試驗(yàn)結(jié)果如表6所示.

表6 路用降溫涂層耐磨耗性能試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知:路用降溫涂層磨耗損失較小,均在0.12上下浮動(dòng),滿足規(guī)范的限值要求,這表明路用降溫涂層的耐磨耗性能良好,可有效抵御道路行車的磨耗作用,滿足道路應(yīng)用的相關(guān)要求.

3.2 復(fù)合工況

3.2.1 耐壓性能

基于復(fù)合工況的路用降溫涂層耐壓性能主要在高溫、低溫及凍融循環(huán)3個(gè)工況下進(jìn)行,依據(jù)JT/T 280—2004《路面標(biāo)線涂料》規(guī)定,采用配重塊模擬車輛縱向靜荷載下的耐壓系數(shù),全面評(píng)價(jià)不同工況下路用降溫涂層的耐壓性能.參考JT/T 280—2004,將降溫涂層灌注在試件模具中,完全冷卻后,用加熱的刮刀削掉端頭表面突出部分,并用100號(hào)砂紙將表面磨平;將制備好的試件常溫下放置24 h后用游標(biāo)卡尺測(cè)量試塊初始高度,精確至0.1 mm;在目標(biāo)溫度條件下,在試塊上放置質(zhì)量為(2 000±20) g的配重塊,保溫6 h后,用游標(biāo)卡尺測(cè)定試塊高度,并計(jì)算耐壓系數(shù).高、低溫耐壓性能試件分別在60 ℃和(-20±2) ℃保溫.凍融循環(huán)試件首先在24 ℃恒溫水槽中保溫12 h,然后于(-20±2) ℃保溫6 h,最后60 ℃保溫6 h.

耐壓系數(shù)計(jì)算公式為

B=H2/H1×100%,

(1)

式中:B為耐壓系數(shù);H1為配重試驗(yàn)前樣品的高度, mm;H2為配重試驗(yàn)后樣品的高度,mm.

復(fù)合工況路用降溫涂層耐壓性能試驗(yàn)結(jié)果見表7.

表7 復(fù)合工況路用降溫涂層耐壓試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知:在不同環(huán)境條件下,路用降溫涂層的平均壓縮高度較小,最大壓縮量為1.6 mm,最小僅為0.2 mm;耐壓系數(shù)均保持在93%以上,低溫耐壓系數(shù)最高,均在98%以上,其次為高溫耐壓系數(shù)(均保持在95%以上),凍融耐壓系數(shù)最小,但也在93%以上.這表明不同類型路用降溫涂層具有良好耐壓性能,即在不同環(huán)境條件下對(duì)于車輛靜止豎向荷載具有良好的抵抗性能.

高溫和凍融耐壓系數(shù)要略小于低溫耐壓系數(shù),這是由于在持續(xù)高溫條件下,路用降溫涂層會(huì)有所軟化,伴隨道路車輛縱向靜荷載的作用下,路用降溫涂層會(huì)發(fā)生縱向壓縮變形,而在常溫條件下,路用降溫涂層質(zhì)地較硬,受縱向靜荷載作用后,壓縮變形量微小.

3.2.2 耐輪碾性能

道路行車和環(huán)境作為重要的影響因素,會(huì)對(duì)路用降溫涂層的使用耐久性能造成不同程度的影響.采用保溫箱分別模擬夏季和冬季的氣候條件,基于標(biāo)準(zhǔn)軸載輪碾壓試驗(yàn),研究不同環(huán)境因素條件下路用降溫涂層的耐輪碾性能.采用水泥板(剛性板)作為降溫涂層載體,將路用降溫涂層均勻涂刷于水泥板表面,放置在通風(fēng)處干燥48 h.常溫下以標(biāo)準(zhǔn)軸載分別對(duì)其兩個(gè)平行位置進(jìn)行碾壓1 h,觀察降溫涂層表面狀況,并測(cè)量碾壓位置的縱向變形量,計(jì)算耐輪碾系數(shù).高溫、低溫及凍融循環(huán)試驗(yàn)條件與3.2.1小節(jié)一致,故不再贅述.

耐輪碾系數(shù)計(jì)算公式為

WI=(d2-d0)/(d1-d0)×100%,

(2)

式中:WI為耐輪碾系數(shù);d0為未涂刷降溫涂層試件厚度,mm;d1為碾壓試驗(yàn)前試件總厚度,mm;d2為碾壓試驗(yàn)后試件總厚度,mm.

基于復(fù)合工況的路用降溫涂層耐輪碾性能試驗(yàn)結(jié)果如表8所示.

表8 負(fù)荷工況路用降溫涂層耐輪碾試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知:不同環(huán)境條件下,路用降溫涂層在經(jīng)過負(fù)荷輪碾壓后,表面狀況良好,未出現(xiàn)裂縫,無剝落;路用降溫涂層均出現(xiàn)了一定程度的縱向變形量,但縱向變形量較小,基本在0.25 mm上下變化,最大僅為0.40 mm;高溫耐輪碾系數(shù)均在90%以上,這表明不同環(huán)境下,路用降溫涂層具有良好的耐輪碾性能,能夠很好地抵御道路行車車輪碾壓荷載的破壞作用.

由表8還可知:路用降溫涂層在低溫條件下,耐輪碾性能最優(yōu);持續(xù)高溫下,路用降溫涂層的耐輪碾系數(shù)出現(xiàn)略微下降,基本保持在92%以上;凍融循環(huán)條件下,路用降溫涂層的耐輪碾系數(shù)相對(duì)較差,但也能夠保持在90%以上.

3.2.3 耐磨耗性能

在高溫、溫變及化學(xué)腐蝕等條件下,路用降溫涂層自身性質(zhì)可能會(huì)發(fā)生改變,而伴隨著行車輪胎摩擦力的不斷作用下,會(huì)對(duì)降溫涂層產(chǎn)生磨耗.筆者采用高溫、溫變及化學(xué)腐蝕等因素模擬降溫涂層磨耗使用環(huán)境,評(píng)價(jià)路用降溫涂層的復(fù)合耐磨耗性能.試驗(yàn)依據(jù)T 0752—2011《稀漿混合料濕輪磨耗試驗(yàn)》,利用濕輪磨耗試驗(yàn)?zāi)＞?規(guī)格為300 mm×300 mm×6 mm,中間有直徑279 mm的圓孔)在油毛氈上制作試件,60 ℃干燥16 h后,涂刷降溫涂層,放置于通風(fēng)處干燥48 h.將試件進(jìn)行磨耗試驗(yàn),經(jīng)過規(guī)定的轉(zhuǎn)數(shù)后,除去殘留在試件上的疏松磨屑,再次稱量試件,并記錄質(zhì)量,計(jì)算質(zhì)量損耗.高溫及凍融循環(huán)試驗(yàn)條件與前述3.2.1小節(jié)一致,化學(xué)腐蝕試驗(yàn)需將制備好的試件分別放入15%NaOH溶液、10%HCl溶液及120#溶劑汽油中浸泡48 h.基于復(fù)合工況的路用降溫涂層耐磨耗性能試驗(yàn)結(jié)果如表9所示.

根據(jù)表9分析可知:在不同環(huán)境條件下,路用降溫涂層的磨耗損失量較小,基本在0.150 g上下浮動(dòng),最大為0.171 g,均小于規(guī)范0.2 g的限值要求;磨耗質(zhì)量損失率基本在0.15%上下浮動(dòng),這表明路用降溫涂層具有良好的耐磨耗性能,能夠抵御汽車輪胎磨耗帶來的磨耗質(zhì)量損失.

表9 復(fù)合工況下路用降溫涂層耐磨耗試驗(yàn)結(jié)果

路用降溫涂層的高溫和低溫磨耗質(zhì)量損失相差較小,而化學(xué)腐蝕條件下的磨耗質(zhì)量損失量相對(duì)較大,主要是由于化學(xué)腐蝕在一定程度上改變了路用降溫涂層的表面性質(zhì),增大了輪胎與降溫涂層表面的摩擦力,從而造成了降溫涂層磨耗損失增加.

4 結(jié) 論

1) 選定環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂、降溫改性劑、陶土、鐵綠及二醇雙環(huán)氧稀釋劑等一系列路用降溫涂層原材料,制備了具有良好降溫效果的新型路用降溫涂層AC和BC,其中,AC降溫涂層的降溫效果最高可到9 ℃以上,BC最高也達(dá)到7 ℃以上.

2) 路用降溫涂層的耐水性能、耐溫變性能、耐化學(xué)腐蝕性能及耐磨耗性能優(yōu)良,試驗(yàn)結(jié)果均能滿足相關(guān)規(guī)范要求,這表明路用降溫涂層的耐久性良好,能夠滿足道路應(yīng)用的耐久性需求.

3) 在不同環(huán)境條件下,路用降溫涂層的平均壓縮高度較小,其中最大壓縮量為1.6 mm,最小僅為0.2 mm;耐壓系數(shù)均保持在93%以上,其中,低溫耐壓系數(shù)最高,均在98%以上;其次為高溫耐壓系數(shù),均保持在95%以上;凍融耐壓系數(shù)最小,但也在93%以上.

4) 在不同環(huán)境條件下,路用降溫涂層在經(jīng)過負(fù)荷輪碾壓后,表面狀況良好,未出現(xiàn)裂縫,無剝落,縱向變形量較小,基本在0.25 mm上下浮動(dòng),最大僅為0.40 mm,而且耐輪碾系數(shù)均在90%以上.

5) 在高溫、凍融循環(huán)及化學(xué)腐蝕條件下,不同類型路用降溫涂層的磨耗損失量較小,均在0.150 g上下浮動(dòng),滿足規(guī)范的相關(guān)限值要求,這表明不同類型路用降溫涂層具有良好的耐磨耗性能,能夠很好地抵御汽車輪胎的磨耗作用.