彩色超薄磨耗層抗滑性能研究

董元帥 樊云龍 何建彬

摘 ? ? ?要： 將礦粉與聚氨酯樹脂相結(jié)合成新型聚氨酯涂層，并撒鋪防滑粒料形成彩色超薄磨耗層。采用萬能試驗(yàn)機(jī)、小型加速加載試驗(yàn)機(jī)、擺式儀等設(shè)備研究分析聚氨酯樹脂的拉伸性能以及超薄磨耗層的抗滑性能，結(jié)果表明：礦粉的摻入能提高樹脂的拉伸強(qiáng)度與韌性，但隨著摻量的增加而逐漸降低。較空白樣而言，摻入礦粉的超薄磨耗層的抗滑性能優(yōu)于空白樣，并能降低工程成本。通過回歸分析得出指數(shù)模型y=A?e（-x/B）+C能合理的描述其抗滑性能與荷載作用之間的關(guān)系。

關(guān) ?鍵 ?詞：彩色超薄磨耗層;聚氨酯;拉伸性能;抗滑性能;回歸分析

中圖分類號：TQ050.4+25; U414 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）08-1660-04

Abstract： The mineral powder was combined with the polyurethane resin to form a new polyurethane coating， and the non-slip pellets were sprinkled to form a color ultra-thin wear layer. The universal testing machine， small accelerated loading test machine， pendulum instrument and other equipment were used to study and analyze the tensile properties of polyurethane resin and the anti-sliding performance of ultra-thin wear layer. The results showed that the incorporation of mineral powder improved the tensile strength and toughness of resin. Compared with the blank sample， the ultra-thin wear layer incorporated by the mineral powder had better anti-sliding performance than the blank sample， which could reduce the engineering cost. The exponential model y =A?e（-x/B）+C obtained through regression analysis can reasonably describe the relationship between its anti-sliding performance and loading.

Key words： Color ultra-thin wear layer; Polyurethane; Tensile properties; Anti-sliding properties; Regression analysis

瀝青路面經(jīng)過車輛荷載作用和長時間的環(huán)境因素影響，路面的抗滑性能將會漸漸下降，將會增加車輛的剎車距離并容易導(dǎo)致滑移，從而引起嚴(yán)重的交通事故[1]。如果僅僅是路面抗滑性能下降，而非路面結(jié)構(gòu)破壞的情況，將原路面銑刨重修的成本較高，所以需要新的技術(shù)用于恢復(fù)原瀝青路面的抗滑性能，例如微表處、同步碎石封層、霧封層、超薄磨耗層等。相對于微表處和霧封層，超薄磨耗層具有施工時間短、保護(hù)路基、提高路面性能、透水降噪性好，壽命長等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。

有研究表明在聚合物中摻入適量的無機(jī)粒子，能增強(qiáng)聚合物的物理性能，并且可以在一定程度上改善其體積穩(wěn)定性[4]。陳縣萍[5]將少量納米Al2O3粒子的加入到聚氨酯中，結(jié)果表明，Al2O3對聚氨酯具有增韌和增強(qiáng)的作用。葛琦[6]采用環(huán)氧樹脂與耐磨顆粒形成薄層環(huán)氧鋪裝材料，通過加速加載試驗(yàn)后，測得其具有良好的抗滑性能。董昭[7]采用簡單的指數(shù)模型和對數(shù)模型對試件與加載次數(shù)之間的關(guān)系分別進(jìn)行了擬合，結(jié)果表明，這兩種簡單的模型均不能擬合成功，需要改動公式才能準(zhǔn)確的描述出試件的抗滑衰變規(guī)律。

針對路面抗滑性能衰減的問題以及聚氨酯本身的缺陷問題，本文將研究一種彩色聚氨酯類超薄抗磨耗層，研究其抗滑性能衰變狀況，并建立合理的公式模型，為之后的研究者以及工程建設(shè)提供參考。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?原材料

試驗(yàn)采用油性聚氨酯樹脂、礦粉、陶瓷粒料。本文采用的油性聚氨酯是一種雙組分樹脂，A組分為異氰酸酯固化劑，B組分為多元醇，將A與B組分按1∶2混合快速攪拌1～2 min，形成聚氨酯樹脂膠粘劑。聚氨酯樹脂膠粘劑主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，礦粉與陶瓷粒料基本物理性能如表2所示。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

試驗(yàn)涉及的儀器與設(shè)備包括常規(guī)玻璃儀器、干燥烘箱（主要用于干燥陶瓷顆粒和礦粉）、滄州鑫興生產(chǎn)的BM-3型擺式摩擦系數(shù)測定儀、上海松頓儀器制造有限公司生產(chǎn)的WDW-2電子萬能試驗(yàn)機(jī)（最大荷載為2 kN）、招商局重慶交通科學(xué)研究院研究設(shè)計(jì)的小型加速加載試驗(yàn)機(jī)。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 ?拉伸試驗(yàn)

將A與B組分按1∶2混合快速攪拌1～2 min，然后將摻量（40%、60%、80%、100%）的礦粉分別添加進(jìn)去，并快速攪拌2 min形成樹脂膠粘劑，最后倒入拉伸試模中，室溫固化3 d后取出。

本試驗(yàn)選用萬能試驗(yàn)機(jī)的薄膜薄片拉伸模式對樹脂試件進(jìn)行研究，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.3—2006。試驗(yàn)參數(shù)：測試溫度為20 ℃，拉伸速度為2 mm·min-1。試驗(yàn)結(jié)果見表3、圖1。

由表3可知，隨著礦粉的摻量增多，樹脂膠粘劑的斷裂拉伸應(yīng)變減少，而樹脂膠粘劑的拉伸斷裂應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和拉伸屈服應(yīng)力都逐漸增大。

由應(yīng)力與應(yīng)變曲線圖可知，通過origin軟件分析可以得到不同礦粉摻量下圍成的面積，分別為空白組0%為1.77、礦粉摻量40%為2.78、礦粉摻量60%為2.14、礦粉摻量80%為2.08、礦粉摻量100%為2.07。其曲線面積越大，代表著樹脂膠粘劑的韌性越好，因此礦粉的加入將會提高樹脂膠粘劑的韌性，原因可能是礦粉與聚氨酯樹脂基體間有較強(qiáng)的界面作用，同時與聚氨酯樹脂軟硬相間有更好的相混合程度，所以礦粉對PU有聚氨酯樹脂的增強(qiáng)和增韌作用。但是，過多的礦粉加入對聚氨酯樹脂的增強(qiáng)效果不大，這可能是因?yàn)榈V粉含量太高而分散不均勻。所以綜合考慮礦粉的摻量選擇為40%。

2.2 ?彩色超薄磨耗層抗滑耐久性研究

1）彩色超薄磨耗層試件的制作

①選擇一塊的標(biāo)準(zhǔn)的瀝青混合料車轍板，并將其表面清理干凈;

②先將聚氨酯樹脂A、B組分按1∶2混合攪拌，再將40%摻量的礦粉和6%摻量的鐵紅粉摻入到聚氨酯樹脂中，并攪拌2 min后制備成具有紅色的聚氨酯樹脂膠黏劑;

③將瀝青混合料車轍板四周用膠帶圍住，并超出2 mm距離減少樹脂的滲漏，然后將適量的樹脂膠黏劑通過工具均勻地涂抹在車轍板上，涂抹厚度約為1 mm;

④將陶瓷顆粒滿鋪在涂層表面，待聚氨酯膠黏劑固化后，將其表面未粘接牢固的陶瓷顆粒清理干凈，最后形成彩色超薄磨耗層（如圖2所示）;

⑤最后制作空白樣車轍板，不添加礦粉，其余條件一致。

2）彩色超薄磨耗層抗滑衰變研究

本試驗(yàn)采用加速加載試驗(yàn)機(jī)對彩色超薄磨耗層進(jìn)行模擬車輛荷載作用，并使用擺式儀和人工鋪沙法研究分析其抗滑性能。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法參照ASTM E660—90，試驗(yàn)參數(shù)：試驗(yàn)溫度為20 ℃，工作輪胎為四個充氣輪胎，運(yùn)作速度60 r·min-1，輪胎接地壓強(qiáng)約0.7 MPa，試驗(yàn)總時間為10 h，每2 h測1次擺值和構(gòu)造深度。試件試驗(yàn)前后對照如圖3-4所示，試驗(yàn)結(jié)果如表4。

試驗(yàn)總時間為10 h，一共加載次數(shù)為14.4萬次，相當(dāng)于輕交通一年的行車量。從圖3、圖4可得，摻入礦粉的超薄磨耗層表面基本無變化，防滑粒料未脫落?？瞻讟釉嚰砻孀兓淮螅欠阑Ａ洗嬖跇O少數(shù)脫落。由表4可知，隨著加載時間增加，兩組試件的擺值前期衰減很快，而逐漸降低并趨于穩(wěn)定，但均大于45，滿足規(guī)范要求。兩組試件的構(gòu)造深度MTD也隨著加載時間增加而逐漸降低并在8h后趨于穩(wěn)定。含有礦粉試件的擺值均大于未添加礦粉的空白樣試件，原因是礦粉提高了樹脂的強(qiáng)度與韌性，所以提高了彩色超薄磨耗層整體性能，抗拉能力與抗剪能力也更好。較構(gòu)造深度而言，兩組試件的差距不大。

采用origin軟件中的指數(shù)模型（如公式1）對兩組超薄磨耗層的擺值和構(gòu)造深度進(jìn)行擬合與回歸分析。擺值與構(gòu)造深度衰減擬合曲線如圖5-6所示，回歸參數(shù)如表5所示。

由圖5、圖6與表5結(jié)果分析可以得出，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2均在0.98以上，所以采用此模型能很好的擬合出超薄抗滑磨耗層的抗滑性能指標(biāo)與荷載作用時間的關(guān)系。四組試驗(yàn)的指數(shù)模型擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2平均值為0.990 9，標(biāo)準(zhǔn)差為0.006 3，變異系數(shù)為0.6%，標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)都很小，即以此模型來評價彩色超薄磨耗層的抗滑衰減規(guī)律更具有合理性。

3 ?結(jié)論

1）在聚氨酯樹脂中加入40%礦粉可以提高其抗拉伸強(qiáng)度，所制備的超薄磨耗層具有高強(qiáng)度、高韌性的優(yōu)點(diǎn)。由于礦粉的摻入，單位面積涂層的樹脂用量將會減少，所以能降低一部分工程成本。

2）通過抗滑衰變試驗(yàn)表明，聚氨酯超薄磨耗層在加載14.4萬次后，抗滑性能趨于平穩(wěn)，并且遠(yuǎn)大于高速路規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。所以聚氨酯超薄磨耗層可以用于恢復(fù)抗滑性能不足的老瀝青路面，也可以用于新建路面，既能提高新建瀝青路面的抗滑性能以及耐久性，又基本不增加路面標(biāo)高。

3）將顏料加入聚氨酯超薄磨耗層形成彩色超薄磨耗層，可用于美化旅游公路和人行道，以及普通道路危險路段，在提高抗滑性能的同時色彩艷麗能夠給予駕駛者以警示作用，提高行車的安全性。

4）通過origin軟件的回歸分析，最能反映出彩色超薄磨耗層的抗滑衰減規(guī)律的是指數(shù)模型y = A?e （-x/B） +C。通過這個模型能預(yù)測出服務(wù)期內(nèi)的彩色超薄磨耗層抗滑情況，可為道路養(yǎng)護(hù)者提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳庭然. 超薄磨耗層在高速公路養(yǎng)護(hù)中的施工技巧及優(yōu)點(diǎn)[J]. 城市建筑， 2014（2）：291-291.

[2]曹祥.跬步積則千里至訪濟(jì)寧圣通源公路工程有限公司周凱[J].工程機(jī)械與維修，2014（5）：130-131.

[3]溫麗瑗，張戰(zhàn)軍，袁凱恒，等.瀝青路面養(yǎng)護(hù)劑的研究現(xiàn)狀及展望[J].當(dāng)代化工，2019，48（1）：84-87.

[4]傅鑫， 楊松， 朱鳳磊，等. 聚氨酯彈性體改性方法及研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)與粘合， 2013， 35（4）：62-66.

[5]陳縣萍， 王貴友， 徐強(qiáng)，等. 聚氨酯/Al2O3納米復(fù)合材料的制備和性能[J]. 功能高分子學(xué)報(bào)， 2008（2）：123-127.

[6]葛琦. 薄層環(huán)氧鋪裝材料抗滑性能研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)， 2018.

[7]董昭. 加速磨耗試驗(yàn)與瀝青路面材料抗滑性能衰變規(guī)律研究[D]. 西安：長安大學(xué)， 2011.