鋼橋面鋪裝聚合物合金制備與性能評價

楊波，何兆益，劉攀，李凱，盛興躍，李璐

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336)

為降低橋梁的恒載，減小超大跨徑鋼橋的建設(shè)難度，國內(nèi)外研究者們專門針對鋼橋面鋪裝輕質(zhì)高強化進行了一定的研究，主要集中在輕質(zhì)瀝青混凝土方面[1-3]。然而，研究尚不夠深入，仍處于理論階段，現(xiàn)實中鋪筑的大多為實驗路，并且輕質(zhì)集料在施工過程中存在破碎現(xiàn)象，輕質(zhì)瀝青混凝土存在級配退化現(xiàn)象[4]，極大地限制了輕質(zhì)瀝青混凝土鋪裝在大跨徑鋼橋中的應(yīng)用。

聚合物合金材料是將兩種或兩種以上不同種類的高聚物通過物理或化學(xué)方法共混[5-7]，可通過多元復(fù)合改性賦予材料高強的突出優(yōu)勢，同時可實現(xiàn)材料輕質(zhì)化。本文開發(fā)出一種輕質(zhì)高強的聚合物合金材料來實現(xiàn)鋼橋面鋪裝的薄層化、輕量化。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

聚苯硫醚-聚丙烯(PPS/β-PP)、熱塑性彈性體、增韌樹脂、硬質(zhì)瀝青、無機填料等均為工業(yè)級。

SHJ75B雙螺桿擠出機;XBOS-8.5T微型注塑機;HY-751電動加硫成型機;YHS-229WG微機控制電子萬能實驗機;WDW-3100微機控制電子萬能實驗機;HL1303C高低溫實驗箱;SYD-0719型自動車轍實驗儀等。

1.2 聚合物合金制備

將PPS/β-PP聚合物合金主體材料與熱塑性彈性體40%、增韌樹脂60%、硬質(zhì)瀝青60%及無機填料40%通過雙螺桿擠出機進行多元復(fù)配，制備鋼橋面鋪裝聚合物合金材料。

1.3 性能測試

1.3.1 拉伸性能 成型聚合物合金材料啞鈴形試件，進行拉伸實驗，測試?yán)鞆姸群蛿嗔焉扉L率，實驗溫度(23±2) ℃，拉伸速率200 mm/min。

1.3.2 剪切強度 成型90 mm×90 mm的組合結(jié)構(gòu)試件，聚合物合金鋪裝結(jié)構(gòu)與鋼板以及鋪裝結(jié)構(gòu)層間采用自制環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑[8]，用量0.4～0.5 kg/m2，待其固化完成后在實驗溫度下保溫5 h以上，進行拉拔實驗和剪切實驗，測試?yán)渭羟袕姸?，實驗溫?5 ℃和60 ℃。

1.3.3 車轍實驗 按照“鋪裝下面層材料+自制環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑+鋪裝上面層材料”成型300 mm×300 mm 的高溫車轍板，進行車轍實驗，測試動穩(wěn)定度和車轍深度，輪壓(0.7±0.05) MPa，實驗溫度60 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物合金制備影響因素分析

考察熱塑性彈性體、增韌樹脂用量、硬質(zhì)瀝青及無機填料用量對聚合物合金材料性能的影響。

2.1.1 熱塑性彈性體 考察熱塑性彈性體用量對PPS/β-PP聚合物合金主體材料拉伸性能的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 熱塑性彈性體用量對PPS/β-PP拉伸性能影響Fig.1 Effect of thermoplastic elastomer dosage on PPS/β-PP tensile performance

由圖1可知，隨著熱塑性彈性體用量的增加，PPS/β-PP的拉伸強度逐漸下降，斷裂伸長率逐漸增大。一方面，熱塑性彈性體的加入使PPS/β-PP分子鏈被破壞，分子間作用力變?nèi)酢Ａ硪环矫?，由于熱塑性彈性體的強度及模量均相對較小，使得體系整體的屈服應(yīng)力減小，進而拉伸強度下降。同時，熱塑性彈性體中的軟段能被高度拉伸并帶著PPS/β-PP分子鏈一同伸展，顯著提高材料的斷裂伸長率。兼顧拉伸強度和斷裂伸長率，初步確定熱塑性彈性體合理用量為40%。

2.1.2 增韌樹脂 考察增韌樹脂用量對PPS/β-PP聚合物合金主體材料拉伸性能的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 增韌樹脂用量對PPS/β-PP拉伸性能影響Fig.2 Effect of toughened resin dosage on PPS/β-PP tensile performance

由圖2可知，隨著增韌樹脂用量的增加，PPS/β-PP的拉伸強度逐漸下降，斷裂伸長率逐漸增大。增韌樹脂對體系起到了增柔增韌的作用，但其對PPS/β-PP的影響弱于熱塑性彈性體。兼顧拉伸強度和斷裂伸長率，初步確定增韌樹脂合理用量為60%。

2.1.3 硬質(zhì)瀝青 考察硬質(zhì)瀝青用量對PPS/β-PP聚合物合金主體材料拉伸性能的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 硬質(zhì)瀝青用量對PPS/β-PP拉伸性能影響Fig.3 Effect of hard asphalt dosage on PPS/β-PP tensile performance

由圖3可知，加入硬質(zhì)瀝青后，PPS/β-PP的拉伸強度降低，斷裂伸長率先上升后下降。硬質(zhì)瀝青低摻量時，對PPS/β-PP體系分子鏈起到了潤滑作用，高摻量時，形成連續(xù)體系，會對體系產(chǎn)生消極作用。硬質(zhì)瀝青可以適當(dāng)降低材料成本，且不會明顯降低其斷裂伸長率。兼顧拉伸強度和成本，初步確定硬質(zhì)瀝青合理用量為60%。

2.1.4 無機填料 考察無機填料用量對PPS/β-PP聚合物合金主體材料拉伸性能的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，無機填料對PPS/β-PP的拉伸強度影響較小，對其斷裂伸長率影響較大。無機填料的加入阻礙了PPS/β-PP體系分子鏈的運動，從而降低了合金體系的變形能力，隨著用量的增加，阻礙效果越明顯。因此其用量不宜過多，不然會顯著降低材料的斷裂伸長率，也不宜過少，否則起不到降低成本的目的。兼顧斷裂伸長率和成本，初步確定無機填料合理用量為40%。

圖4 無機填料用量對PPS/β-PP拉伸性能影響Fig.4 Effect of inorganic filler dosage on PPS/β-PP tensile performance

2.1.5 用量優(yōu)化 為了進一步對鋼橋面鋪裝聚合物合金材料的制備工藝進行優(yōu)化，進行了L9(34)的正交實驗，考察指標(biāo)為拉伸強度和斷裂伸長率，因素水平見表1,結(jié)果見表2。

表1 因素水平表Table 1 Factor and level

表2 正交實驗結(jié)果Table 2 Design and results of orthogonal test

由表2可知，4種外加劑對聚合物合金材料拉伸強度影響的顯著性主次順序為D>A>C>B，即熱塑性彈性體用量>硬質(zhì)瀝青用量>增韌樹脂用量>無機填料用量，表明熱塑性彈性體用量對材料的拉伸強度影響顯著，而無機填料用量影響較小。各個因素的較佳水平為A1B2C2D1：熱塑性彈性體用量20%，增韌樹脂用量60%，硬質(zhì)瀝青用量40%，無機填料用量40%。

由表2可知，4種外加劑對聚合物合金材料斷裂伸長率影響的顯著性主次順序為D>B>C>A，即熱塑性彈性體用量>無機填料用量>增韌樹脂用量>硬質(zhì)瀝青用量，表明熱塑性彈性體用量對聚合物合金材料斷裂伸長率影響顯著，而硬質(zhì)瀝青用量影響較小。各個因素的較佳水平分別為A2B1C3D3：熱塑性彈性體用量60%，增韌樹脂用量80%，硬質(zhì)瀝青用量60%，無機填料用量20%。

在正交實驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計了表3的對比實驗，其他條件為：硬質(zhì)瀝青用量60%，增韌樹脂用量70%。

綜合考慮聚合物合金材料性能和成本，較佳配方為：35%熱塑性彈性體+70%增韌樹脂+60%硬質(zhì)瀝青+35%無機填料，此時，聚合物合金材料的拉伸強度35.10 MPa，斷裂伸長率43.56%。

表3 對比實驗結(jié)果Table 3 Results of comparative test

2.2 聚合物合金鋪裝層路用性能評價

鋼橋面鋪裝聚合物合金材料的綜合性能見表4。

表4 鋼橋面鋪裝聚合物合金綜合性能Table 4 Comprehensive performance of polymer alloy for steel deck pavement

由表4可知，該材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、高溫性能、低溫性能和防水性能，且密度低于瀝青混凝土，完全滿足鋼橋面鋪裝對材料提出的苛刻要求，并實現(xiàn)鋼橋面鋪裝的輕質(zhì)高強。

2.3 聚合物合金鋪裝結(jié)構(gòu)性能評價

經(jīng)過大量實體工程應(yīng)用，“下面層澆注式瀝青混凝土GA+上面層改性瀝青混合料SMA”已成為國內(nèi)鋼橋面主流鋪裝方案。在此，本文提出“下面層聚合物合金+上面層高彈改性瀝青混合料SMA10”的新型鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，采用聚合物合金代替澆注式瀝青混凝土。進一步研究聚合物合金鋪裝結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能和高溫性能。

2.3.1 粘結(jié)性能 聚合物合金鋪裝結(jié)構(gòu)與鋼板以及鋪裝結(jié)構(gòu)層間的拉拔剪切實驗結(jié)果見表5。

表5 聚合物合金鋪裝結(jié)構(gòu)拉拔剪切實驗結(jié)果Table 5 Results of tensile shear tests on polymer alloy pavement structure

由表5可知，無論鋪裝結(jié)構(gòu)與鋼板或是鋪裝結(jié)構(gòu)層間的25 ℃拉拔強度均>2.5 MPa，25 ℃剪切強度均>3.5 MPa，優(yōu)于傳統(tǒng)鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)。隨著溫度升高，聚合物合金鋪裝結(jié)構(gòu)的粘結(jié)強度隨之減小，即使在60 ℃下，鋪裝結(jié)構(gòu)亦具有較為優(yōu)異的粘結(jié)性能。

2.3.2 高溫性能 聚合物合金鋪裝結(jié)構(gòu)的車轍實驗結(jié)果見表6和圖5。

表6 聚合物合金鋪裝結(jié)構(gòu)車轍實驗結(jié)果Table 6 Rutting test results of polymer alloy pavement structure

由表6可知，聚合物合金鋪裝結(jié)構(gòu)具有良好的高溫性能，優(yōu)于傳統(tǒng)的澆注式瀝青混凝土鋪裝體系(60 ℃動穩(wěn)定度在6 000次/mm左右)和雙層改性瀝青混合料SMA鋪裝體系(60 ℃動穩(wěn)定度在 7 000次/mm 左右)，說明聚合物合金能提高鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的高溫性能。由圖5可知，不同鋪裝層厚度對結(jié)構(gòu)的高溫性能影響較大，具體表現(xiàn)為高彈改性瀝青混合料SMA10鋪裝層厚度越小，聚合物合金鋪裝層厚度越大，則鋪裝結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度就越大，這是因為高彈改性瀝青混合料SMA10的高溫性能本就弱于聚合物合金。綜合考慮，推薦合適的鋪裝層厚度為2.0 cm+3.5 cm或1.5 cm+3.0 cm。

圖5 鋪裝層厚度對聚合物合金鋪裝結(jié)構(gòu)高溫性能影響Fig.5 Effect of laying thickness on high-temperature performance of polymer alloy pavement structure

3 結(jié)論

(1)熱塑性彈性體、增韌樹脂、硬質(zhì)瀝青及無機填料均能顯著影響PPS/β-PP聚合物合金的拉伸性能。其中，熱塑性彈性體和增韌樹脂有利于提高聚合物合金材料的斷裂伸長率，卻會降低其拉伸強度；硬質(zhì)瀝青將降低聚合物合金材料的拉伸強度，對其斷裂伸長率影響較小；無機填料對聚合物合金材料的拉伸強度影響較小，但會顯著降低其斷裂伸長率。初步確定熱塑性彈性體用量40%、增韌樹脂用量60%、硬質(zhì)瀝青用量60%和無機填料用量40%。

(2)熱塑性彈性體用量對聚合物合金材料的拉伸強度影響最大，硬質(zhì)瀝青用量和增韌樹脂用量次之，無機填料用量影響最小；熱塑性彈性體用量對聚合物合金材料的斷裂伸長率影響最大，無機填料用量和增韌樹脂用量次之，硬質(zhì)瀝青用量影響最小。優(yōu)選出聚合物合金材料的較佳配方為35%熱塑性彈性體+70%增韌樹脂+60%硬質(zhì)瀝青+35%無機填料，此時聚合物合金材料具有較佳的綜合性能，其拉伸強度可達(dá)35.10 MPa，斷裂伸長率為43.56%，并能最大限度地降低材料成本。

(3)聚合物合金材料完全滿足鋼橋面鋪裝對材料提出的苛刻要求，并實現(xiàn)鋼橋面鋪裝的輕質(zhì)高強，提出了“聚合物合金+高彈改性瀝青混合料SMA10”的新型鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)。采用自制環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑時，該鋪裝結(jié)構(gòu)25 ℃拉拔強度>2.5 MPa，25 ℃剪切強度>3.5 MPa，表現(xiàn)出良好的粘結(jié)性能；不同鋪裝層厚度的鋪裝結(jié)構(gòu)60 ℃動穩(wěn)定度均>7 000 次/mm，其高溫性能優(yōu)于傳統(tǒng)的鋪裝結(jié)構(gòu)，推薦合適的鋪裝層厚度為2.0 cm+3.5 cm或1.5 cm+3.0 cm。