聚氨酯多孔彈性混合料水穩(wěn)定性影響因素研究

孫晟凱， 湯 雄， 雷 俊， 劉 麗

(四川省交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司， 成都 610000)

隨著海綿城市、寧靜路面建設(shè)理念不斷推廣，對(duì)道路功能性和舒適性的要求逐漸提高，具有排水、降噪等功能的聚氨酯多孔彈性路面逐漸被應(yīng)用到城市道路中[1-2]。聚氨酯多孔彈性混合料由聚氨酯黏結(jié)劑、橡膠顆粒和石料拌和而成[3]，相較于普通瀝青混合料具有空隙率大、橡膠顆粒摻量高等特點(diǎn)[4-5]。由于聚氨酯多孔彈性混合料空隙率較大，使得雨天雨水易流入路面內(nèi)部，進(jìn)而引發(fā)水損害[6-7]?，F(xiàn)有研究主要集中于聚氨酯混合料的路用性能。Torzs等[8]使用聚氨酯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的瀝青作為一種新型黏合劑與混合物相拌，發(fā)現(xiàn)聚氨酯用量為5%左右時(shí)，混合料具有較好的抗壓、抗拉和抗彎性能，但是水穩(wěn)定性較差。Sun等[9-10]針對(duì)聚合物改性瀝青貯存穩(wěn)定性差、易離析、水損害等問題，制備出了聚氨酯改性瀝青對(duì)其改性機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)聚氨酯改性瀝青高溫性能優(yōu)于普通SBS改性瀝青，但水穩(wěn)定性并沒有得到改善。舒睿等[11]研究了單組分聚氨酯材料微觀性能以及聚氨酯與混合物之間的相互聯(lián)系，隨后對(duì)路用性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，聚氨酯混合料高低溫性能十分顯著，但水穩(wěn)定性能并不理想。孫銘鑫[12]選擇聚氨酯作為黏結(jié)劑和大孔隙結(jié)構(gòu)，研究了聚氨酯混合料的路用性能和降噪性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該混合料具有出色的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，但水穩(wěn)定性略待提高。

綜上所述，聚氨酯多孔彈性混合料存在水穩(wěn)定性較差等問題，但較少涉及聚氨酯種類、橡膠顆粒替換量、級(jí)配等影響因素對(duì)多孔彈性混合料水穩(wěn)定性的影響研究[13-14]。為此，本文基于浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和浸水飛散試驗(yàn)，分別測(cè)試了不同聚氨酯黏結(jié)劑、橡膠顆粒替換量、級(jí)配3種工況下聚氨酯多孔彈性混合料的水穩(wěn)定性。

1 原材料

選取5種道路工程常用的聚醚型單組分聚氨酯黏結(jié)劑，分別命名為PU-I、PU-II、PU-III、PU-IV、PU-V，其技術(shù)指標(biāo)見表1。5種聚氨酯具有較好的黏附性、抗腐蝕性和較高的強(qiáng)度，適用于道路工程中。

表1 聚氨酯技術(shù)指標(biāo)

常用的石料有花崗巖、石灰?guī)r和玄武巖。其中玄武巖的磨光值最大，與聚氨酯膠黏劑的吸附性好[15-16]。為此本文采用玄武巖集料制備聚氨酯多孔彈性混合料，其力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 石料技術(shù)指標(biāo)

橡膠顆粒是聚氨酯多孔彈性混合料最主要的成分，其粒徑大小、粗糙程度等特征對(duì)混合料有重要的影響[17]。為了使橡膠顆粒與混合料之間更好地融合，采用等體積置換的方法代替部分石料。本文使用的橡膠顆粒為廢舊輪胎橡膠顆粒，其力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 橡膠技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

本文采用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)評(píng)價(jià)聚氨酯多孔彈性混合料的水穩(wěn)定性[18]。

2.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

該試驗(yàn)需要對(duì)兩組樣品進(jìn)行測(cè)試，然后將它們進(jìn)行對(duì)比。具體試驗(yàn)步驟為將兩組樣品存置在一定溫度的水箱中，溫度設(shè)定為60 ℃，第1組樣品保溫時(shí)間為40 min，測(cè)試其馬歇爾穩(wěn)定度(MS0)；第2組樣品保溫時(shí)間為2 d，測(cè)試其馬歇爾穩(wěn)定度(MS1)，馬歇爾殘留穩(wěn)定度(MSR)根據(jù)式(1)求得。

(1)

式中：MS0為浸水40 min后的穩(wěn)定度，kN；MS1為浸水48 h后的穩(wěn)定度，kN；MSR為馬歇爾穩(wěn)定度，%。

2.2 凍融劈裂試驗(yàn)

該試驗(yàn)需要對(duì)兩組樣品進(jìn)行測(cè)試。第1組置于室溫下進(jìn)行存放；將第2組樣品采用飽水試驗(yàn)方法在(98±0.7) kPa真空下儲(chǔ)存；隨后在樣品表面噴灑一層清水，采用密封的袋子將樣品進(jìn)行包裹后放入零下18 ℃冰庫中維持16 h；最后將樣品放入60 ℃水箱中儲(chǔ)存1 d。采用穩(wěn)定度試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度比(TSR)按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：R0為無凍融循環(huán)試樣的抗拉強(qiáng)度，kN；RFT為一次凍融循環(huán)后試樣的抗拉強(qiáng)度，kN；TSR為抗拉強(qiáng)度比，%。

2.3 浸水飛散試驗(yàn)

該試驗(yàn)是將成型的樣品在60 ℃溫度的水箱中存置2 d，然后將樣品取出后在常溫下存置1 d，最后在磨耗儀中進(jìn)行300次旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)前后分別測(cè)定了馬歇爾試件的初始質(zhì)量和最終質(zhì)量。質(zhì)量損失可用于表征混合物的水穩(wěn)定性，其計(jì)算公式為

(3)

式中：m0為初試質(zhì)量，kg；m1為最終質(zhì)量，kg；Rm為質(zhì)量損失率，%。

3 聚氨酯混合料水穩(wěn)定性分析

3.1 不同聚氨酯種類對(duì)混合料水穩(wěn)定性的影響規(guī)律

為探究不同聚氨酯黏結(jié)劑對(duì)多孔彈性混合料水穩(wěn)定性影響情況，本文采用5種不同的聚醚性單組分聚氨酯黏結(jié)劑(PU-I、PU-II、PU-III、PU-IV、PU-V)，采用PAC-13-II級(jí)配通過等體積替換20%的橡膠顆粒后進(jìn)行測(cè)試。級(jí)配見表4。水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

表4 PAC-13-II級(jí)配組成設(shè)計(jì)

圖1 不同聚氨酯黏結(jié)劑對(duì)MSR和TSR的影響

圖2 不同聚氨酯黏結(jié)劑對(duì)Rm的影響

由圖1、圖2可以看出，PU-III多孔彈性混合料的MSR和TSR在5種聚氨酯混合料中為最大值，質(zhì)量損失率Rm在5種聚氨酯混合料中為最小值。其馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別達(dá)到了87.4%和81.5%，相較于PU-IV多孔彈性混合料分別增加了8.1%和13.2%。浸水飛散試驗(yàn)的質(zhì)量損失為2.6%，相較PU-IV多孔彈性混合料降低了9.2%。說明PU-III多孔彈性混合料水穩(wěn)定性最好，PU-IV多孔彈性混合料水穩(wěn)定性最差。這是因?yàn)镻U-IV聚氨酯黏結(jié)劑的黏結(jié)力較低，與石料和橡膠顆粒黏附性較差，導(dǎo)致其水穩(wěn)定性較弱。因此在實(shí)際工程當(dāng)中聚氨酯結(jié)合料的比選尤為重要，黏結(jié)力高的聚氨酯其混合料的水穩(wěn)定性能較好。

3.2 不同橡膠顆粒替換量對(duì)聚氨酯多孔混合料水穩(wěn)定性的影響規(guī)律

為探究橡膠顆粒對(duì)聚氨酯多孔彈性混合料水穩(wěn)定性影響情況，本文以PU-III型聚氨酯黏結(jié)劑和PERS級(jí)配為研究對(duì)象，將橡膠顆粒篩分為1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm后與石料進(jìn)行等體積替換，體積替換比分別為0%、12.5%、25%，研究不同橡膠顆粒替換量對(duì)聚氨酯多孔混合料水穩(wěn)定性的影響。PERS級(jí)配見表5。試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

表5 PERS級(jí)配組成設(shè)計(jì)

圖3 不同橡膠顆粒替換量對(duì)MSR和TSR的影響

圖4 不同橡膠顆粒替換量對(duì)Rm的影響

由圖3、圖4可以看出，隨著橡膠顆粒替換量的增加，聚氨酯多孔彈性混合料MSR和TSR逐漸增大，浸水飛散試驗(yàn)的質(zhì)量損失Rm近似線性減小。當(dāng)橡膠顆粒替換量達(dá)到25%時(shí)，其MSR和TSR分別達(dá)到了87.3%和81.4%。較未摻加橡膠顆粒狀態(tài)下分別提高了16.8%和13.5%。橡膠顆粒替換量達(dá)到25%時(shí)，其浸水飛散試驗(yàn)的質(zhì)量損失為12.6%，較未摻加橡膠顆粒狀態(tài)下降低了14.7%。說明橡膠顆粒的加入提高了聚氨酯多孔彈性混合料的水穩(wěn)定性，這是由于橡膠顆粒和聚氨酯均為有機(jī)高分子材料，二者分子極性較為接近，橡膠顆粒摻量越高，聚氨酯與集料的黏結(jié)效果越好，混合料的水穩(wěn)定性越高。此外當(dāng)橡膠顆粒摻量達(dá)到25%，聚氨酯多孔彈性混合料Rm平均值只有12.6%，完全滿足規(guī)范要求。解決了大孔隙結(jié)構(gòu)抗飛散性較差的問題，說明聚氨酯多孔彈性混合料抗飛散性能更好。

3.3 不同級(jí)配對(duì)聚氨酯多孔彈性混合料水穩(wěn)定性的影響規(guī)律

為探究不同級(jí)配對(duì)聚氨酯多孔彈性混合料水穩(wěn)定性影響，本文采用PU-III型聚氨酯黏結(jié)劑替換0%橡膠顆粒后對(duì)PERS、PAC-13-I、PAC-13-II、OGFC四種不同級(jí)配進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和浸水飛散試驗(yàn)。PAC-13-II見表3，PERS見表4，PAC-13-I和OGFC見表6、表7。通過測(cè)量得到PERS平均空隙率為25%，PAC-13-I平均空隙率為19%，PAC-13-II平均空隙率為17%，OGFC平均空隙率為15%。具體水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

表6 PAC-13-I級(jí)配組成設(shè)計(jì)

表7 OGFC級(jí)配組成設(shè)計(jì)

圖5 不同級(jí)配對(duì)MSR和TSR的影響

圖6 不同級(jí)配對(duì)Rm的影響

從圖5、圖6可以看出，不同級(jí)配的聚氨酯多孔彈性混合料TSR和MSR有很大差異。其中空隙率最小的是PERS級(jí)配，其MSR和TSR分別為70.5%和67.9%，相較于OGFC級(jí)配分別下降了19.2%和15.5%。浸水飛散試驗(yàn)的質(zhì)量損失Rm為23.7%，相較于OGFC級(jí)配增加了22.3%。說明摻加細(xì)集料有利于提高聚氨酯混合料的水穩(wěn)定性。PERS級(jí)配的水穩(wěn)定性最差，這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)時(shí)混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易變形，導(dǎo)致強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低。在磨耗儀的滾筒內(nèi)進(jìn)行飛散時(shí)，大部分集料都比較容易脫落。在實(shí)際工程當(dāng)中應(yīng)控制空隙率大小，從而保證道路的水穩(wěn)定性，防止路面發(fā)生水損害。

4 結(jié)論

1)由5種不同聚氨酯材料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果可以看出，PU-III聚氨酯多孔彈性混合料水穩(wěn)定性最好，PU-IV混合料水穩(wěn)定性最差。在實(shí)際工程當(dāng)中應(yīng)比選不同聚氨酯黏結(jié)劑，改善路面的水穩(wěn)定性。

2)當(dāng)橡膠顆粒替換量不斷增多時(shí)，聚氨酯多孔彈性混合料的MSR和TSR呈線性增長，飛散損失Rm有不同程度的降低，說明橡膠顆粒對(duì)聚氨酯多孔彈性混合料水穩(wěn)定性的增長有促進(jìn)作用。

3)PAC-13-I、PAC-13-II和OGFC級(jí)配的聚氨酯多孔彈性混合料MSR和TSR高于PERS，且所用級(jí)配的空隙率與其水穩(wěn)定性負(fù)增長，說明細(xì)集料的加入有利于提高聚氨酯多孔彈性混合料的水穩(wěn)定性。為滿足路用性能的同時(shí)保證混合料具有較大的空隙率，因此本文推薦選擇PAC-13-I級(jí)配制備聚氨酯多孔彈性混合料。