高分子聚合物混凝土鋪裝材料的開(kāi)發(fā)及路用性能檢測(cè)評(píng)價(jià)

王榮偉，胡占紅，石家磊，李書(shū)飛，徐世法，段文志

0 引 言

中國(guó)氣候夏季炎熱、高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，冬季嚴(yán)寒、溫度降低速率快，而瀝青類(lèi)路面鋪裝材料溫度敏感性強(qiáng)，高溫容易產(chǎn)生車(chē)轍，低溫會(huì)變脆開(kāi)裂，難以達(dá)到鋪裝材料長(zhǎng)壽命的要求。另外，中國(guó)公路存在著嚴(yán)重的超限重載情況，層間剪力大，瀝青類(lèi)材料層間結(jié)合薄弱，層間黏結(jié)失效的情況極易發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致面層材料產(chǎn)生裂縫破壞。傳統(tǒng)瀝青類(lèi)材料已不能滿足中國(guó)的交通需求，高分子聚合物因具有良好的高低溫性能、較高的強(qiáng)度、廣泛的黏結(jié)適用性[1]，可以成為瀝青材料的優(yōu)質(zhì)替代品，因此開(kāi)發(fā)出一種以高分子聚合物為膠結(jié)料的新型鋪裝材料具有重要的理論意義及工程價(jià)值。本文對(duì)適合作為混凝土膠結(jié)料的高分子聚合物進(jìn)行初步的開(kāi)發(fā)和選擇，并進(jìn)行新型高分子聚合物混凝土的配合比設(shè)計(jì)與路用性能驗(yàn)證。

1 高分子膠結(jié)料的開(kāi)發(fā)與選擇

本文所采用的高分子膠結(jié)料由聚氨酯類(lèi)高分子聚合物、活性氫組分、緩凝劑、增稠劑、異氰酸酯固化劑和高分子纖維組成。

膠結(jié)料剪切強(qiáng)度與固化劑的含量和聚氨酯類(lèi)高分子的種類(lèi)有關(guān)[2]。固化劑是一類(lèi)增進(jìn)或控制固化反應(yīng)的物質(zhì)或混合物。聚氨酯的固化是指經(jīng)過(guò)縮合、閉環(huán)、加成或催化等化學(xué)反應(yīng)，使熱固性聚氨酯發(fā)生不可逆的變化，而這一過(guò)程需要添加固化劑來(lái)完成的。通過(guò)試驗(yàn)研究，得到剪切強(qiáng)度隨固化劑含量變化的曲線，如圖1所示。

從圖1中可以看出，隨著固化劑含量的增加，膠結(jié)料的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，并且在固化劑摻量為5%時(shí)達(dá)到峰值。這是因?yàn)楣袒瘎┛梢允共牧戏肿又g的結(jié)合力增大，從而增加了剪切強(qiáng)度。達(dá)到一定程度時(shí)，分子間作用力表現(xiàn)為斥力，此時(shí)形成的物質(zhì)性質(zhì)較脆，剪切強(qiáng)度較低[3]。因此，本文選取固化劑含量為5%。

圖1 膠結(jié)料剪切強(qiáng)度隨固化劑含量的變化曲線

本文選取了3種不同的聚氨酯類(lèi)高分子聚合物進(jìn)行合成?？紤]適宜的固化時(shí)間和增強(qiáng)剪切強(qiáng)度的條件，選擇固化劑含量為5%和6%，緩凝劑摻量為5%、6%、7%，增稠劑摻量為1%、2%、3%進(jìn)行試驗(yàn)，得到不同高分子膠結(jié)料性能，如表1所示。

由表1可知，當(dāng)黏結(jié)劑主要成分為1-MOCA加成物時(shí)，4種黏結(jié)劑都容易拌合。綜合考慮，黏結(jié)劑1-4可操作時(shí)間較長(zhǎng)、常溫固化時(shí)間較短、剪切強(qiáng)度較高、綜合性能更優(yōu)越。

當(dāng)黏結(jié)劑主要成分為2-MOCA加成物時(shí)，剪切強(qiáng)度較高，考慮在施工中需要有充足的可操作時(shí)間，并且盡量減少固化時(shí)間來(lái)開(kāi)放通行，相比之下黏結(jié)劑2-2性能更加優(yōu)越且易于拌合。

當(dāng)黏結(jié)劑主要成分為3-MOCA加成物時(shí)，固化時(shí)間都較短，黏結(jié)劑3-1的可操作時(shí)間較長(zhǎng)、強(qiáng)度最高、綜合性能更優(yōu)越。

綜上分析，選取3-1型黏結(jié)劑進(jìn)行高分子聚合物混凝土的研究。

2 高分子聚合物混凝土的配合比設(shè)計(jì)

高分子聚合物混合料是在常溫下拌合，相較于熱拌和溫拌瀝青混合料來(lái)說(shuō)不需要加熱，因而更加環(huán)保和節(jié)能。然而，高分子聚合物混合料是一種新材料，目前并沒(méi)有統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和流程，本文根據(jù)已有的成功經(jīng)驗(yàn)并經(jīng)過(guò)理論計(jì)算得到混合料級(jí)配[4]，再根據(jù)新型高分子聚合物混合料的預(yù)期性能進(jìn)行膠石比的確定。

2.1 原材料性能

集料在混合料中起到整體骨架和填充作用，不同顆粒大小的集料在混合料中的作用不同，所以相應(yīng)的技術(shù)要求也不同。普通的道路材料選用的石料為石灰?guī)r，而石灰?guī)r的強(qiáng)度較低，不能滿足高性能高分子聚合物混凝土的要求，因此本文采用的集料是堅(jiān)硬、耐久性能好的玄武巖，石料產(chǎn)地為北京，各集料性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2~4。

2.2 高分子聚合物混凝土級(jí)配

AC型瀝青混凝土是中國(guó)典型的路面結(jié)構(gòu)形式，是連續(xù)級(jí)配，即各檔料的用量是連續(xù)的，逐級(jí)填隙。其混合料屬于懸浮密實(shí)型骨架，混合料中存在大量細(xì)集料，粗集料含量相對(duì)較少，粗集料之間距離較大，懸浮于細(xì)集料中，沒(méi)有形成接觸?；旌狭蠌?qiáng)度構(gòu)成中，內(nèi)摩阻力較小，黏結(jié)力較強(qiáng)，對(duì)溫度變化反應(yīng)敏感，在高溫環(huán)境下容易產(chǎn)生變形[5]。但是，由于混合料空隙率小，十分密實(shí)，可以有效地防止水的滲透，具有較好的水穩(wěn)定性。本文選取AC-10作為高分子聚合物混凝土的級(jí)配。

表2 細(xì)集料試驗(yàn)結(jié)果

表3 粗集料試驗(yàn)結(jié)果

表1 高分子膠結(jié)料的組成及性能

表4 礦粉試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)集料篩分結(jié)果，使2.36 mm篩孔通過(guò)率小于45%，接近設(shè)計(jì)級(jí)配范圍的中值，初定配合比為5~10 mm礦料、機(jī)制砂、礦粉的比例為46495，級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。

注：為繪制方便，橫坐標(biāo)未按比例標(biāo)注。

2.3 最佳膠石比的確定

目前，聚合物混凝土在建筑工程方面的應(yīng)用主要作為預(yù)制構(gòu)件、老舊建筑的修復(fù)加固材料，在交通工程方面作為道路的快速修補(bǔ)材料[6]。綜合來(lái)看，與普通水泥混凝土相比，高分子聚合物混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)度高，并且可在常溫或低溫下固化形成強(qiáng)度，且具有優(yōu)良的耐水、耐腐蝕性能。應(yīng)用于快速修補(bǔ)的聚合物混凝土由于固化速度太快、硬度太大，無(wú)法用作路面鋪裝材料，因此本文根據(jù)現(xiàn)有聚合物混凝土的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合設(shè)計(jì)級(jí)配，初定2.4 路用性能分析7.0%、7.5%、8.0%三種膠石比對(duì)其進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，從而確定最佳膠石比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由于高分子聚合物混凝土為熱固性材料，60 ℃的馬歇爾穩(wěn)定度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通瀝青混合料的穩(wěn)定度，因此在最佳膠石比的確定過(guò)程中，穩(wěn)定度與流值因素的意義不大。相對(duì)于普通瀝青來(lái)說(shuō)，高分子聚合物的造價(jià)較高，在設(shè)計(jì)級(jí)配的條件下，8.0%膠石比已有較好的施工和易性，且孔隙率較小，混合料足夠密實(shí)，因此確定最佳膠石比為8.0%。

目前對(duì)于高分子聚合物混凝土用作路面鋪裝材料的研究較少，尚無(wú)針對(duì)高分子聚合物混凝土路用性能而設(shè)計(jì)的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。在開(kāi)發(fā)出有針對(duì)性的、完整的試驗(yàn)方法前，為了初步評(píng)價(jià)新型高分子聚合物混凝土材料的性能，本文按照普通瀝青混合料的路用性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)70 ℃、0.7 MPa下的車(chē)轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)其高溫穩(wěn)定性，通過(guò)10 ℃的低溫小梁彎曲試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其低溫抗裂性能，通過(guò)15 ℃、1 200 με條件下的疲勞試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其疲勞壽命。在高分子聚合物混凝土的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，多次試驗(yàn)結(jié)果表明，高分子聚合物混凝土的凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）約在40%左右，但試驗(yàn)組（經(jīng)過(guò)1次或多次凍融循環(huán)的試件）的劈裂強(qiáng)度仍高于普通瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度，因此本文采用凍融循環(huán)剩余劈裂強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)混合料的水穩(wěn)定性。選擇最終的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，根據(jù)瀝青混合料的試驗(yàn)方法制作試件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表5 AC-10型高分子聚合物混凝土的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表6 高分子聚合物混凝土的路用性能檢測(cè)結(jié)果

瀝青混合料中，高溫穩(wěn)定性較好的為抗車(chē)轍劑改性瀝青混合料（KAC），其動(dòng)穩(wěn)定度一般在7 000~10 000次·mm－1，低溫抗裂性能較好的為改性SMA瀝青混合料，其最大低溫彎拉應(yīng)變?yōu)? 500~4 500 με，而由于新型高分子聚合物混凝土為熱固性材料，溫度敏感性低，其動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到了69 750 次·mm－1、最大彎拉應(yīng)變達(dá)到48 762 με，兩項(xiàng)性能均較目前最優(yōu)瀝青混合料的性能提升近10倍；在抗疲勞性能方面，大微應(yīng)變（1 200 με）條件下，疲勞壽命較高的SMA瀝青混合料一般為20萬(wàn)次左右，新型高分子聚合物混凝土韌性較好，疲勞壽命達(dá)到了168萬(wàn)次，是SMA瀝青混合料疲勞壽命的8倍左右；在水穩(wěn)定性能方面，本文針對(duì)新型高分子聚合物混凝土提出了新的評(píng)價(jià)指標(biāo)——凍融循環(huán)剩余劈裂強(qiáng)度，新型高分子聚合物混凝土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后剩余劈裂強(qiáng)度仍能達(dá)到0.8 MPa，這與目前水穩(wěn)定性較好的SMA瀝青混合料不經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)時(shí)的強(qiáng)度類(lèi)似，完全滿足路面使用要求。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本文采用聚氨酯類(lèi)材料，通過(guò)調(diào)節(jié)固化劑、緩凝劑、增稠劑等的用量，開(kāi)發(fā)出了有足夠可工作時(shí)間及強(qiáng)度、適合作為路面鋪裝混合料膠結(jié)料的高分子聚合物。

（2）為與高分子聚合物性能相匹配，選用了性能優(yōu)良的玄武巖作為混合料集料。通過(guò)馬歇爾方法進(jìn)行了AC-10型高分子聚合物混凝土的級(jí)配設(shè)計(jì)，綜合考慮造價(jià)因素及混合料的密實(shí)性，確定了8.0%的最佳膠石比，初步完成了高分子聚合物的配合比設(shè)計(jì)。

（3）按照瀝青混合料的評(píng)價(jià)方法對(duì)高分子聚合物混凝土進(jìn)行了路用性能評(píng)價(jià)分析，并提出了針對(duì)于高分子聚合物混凝土的水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)——凍融循環(huán)剩余強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型高分子聚合物混凝土為熱固性材料，溫度敏感性低，其動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到了69 750次·mm－1、最大彎拉應(yīng)變達(dá)到48 762 με，兩項(xiàng)性能均較目前最優(yōu)瀝青混合料性能提升近10倍；在抗疲勞性能方面，大微應(yīng)變（1 200 με）條件下，新型高分子聚合物混凝土韌性較好，疲勞壽命達(dá)到了168萬(wàn)次，是SMA瀝青混合料疲勞壽命的8倍左右；在水穩(wěn)定性能方面，新型高分子聚合物混凝土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后剩余劈裂強(qiáng)度仍能達(dá)到0.8 MPa，完全滿足路面使用要求。