聚氨酯超薄磨耗層抗滑性能衰變研究

余 苗,龍承梁,劉曲平

(1. 重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074; 2. 長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安,710064; 3. 重慶市長壽區(qū)云臺中學(xué)校,重慶 401220)

0 引 言

瀝青路面抗滑性能會在荷載和環(huán)境的長期綜合作用下發(fā)生衰變,抗滑性能不足將會導(dǎo)致路面行駛安全性降低。研究表明:瀝青路表面磨耗薄層不僅可以提升原路面的抗滑性能,還可修復(fù)因長時間運(yùn)行而導(dǎo)致路用性能衰退的老舊路面[1]。如今道路較大的運(yùn)營壓力、車輛頻繁制動、超載等現(xiàn)象都對超薄磨耗層的路用性能提出了更高要求。

謝群等[2]研究了不同類型集料對雙組分環(huán)氧樹脂抗滑薄層抗滑性能的影響,發(fā)現(xiàn)彩色陶瓷顆粒、玄武巖和煅燒鋁礬土這3種薄層在經(jīng)歷3 h的磨耗后,抗滑性能衰變速率減緩且趨于平穩(wěn),其中玄武巖的抗磨耗性能最優(yōu);李晶晶等[3]通過調(diào)整不同配比和荷載作用次數(shù),建立了雙組分環(huán)氧樹脂磨耗層的抗滑衰變預(yù)估模型,該模型較好地反映了改性環(huán)氧樹脂用量、骨料用量及粒徑和施工工藝等對磨耗層抗滑衰變規(guī)律的影響;S.TORBRUEGGE等[4]在對瀝青路面超薄磨耗層抗滑性能的分析中明確指出:骨料是影響抗滑性能的主要因素之一;陳輝強(qiáng)等[5]系統(tǒng)研究了雙組分薄層鋪裝材料的綜合性能,證明抗滑薄層具備優(yōu)異的抗滑性能;王火明等[6]研制了一種厚度僅為1～2 mm的新型聚氨酯超薄路面抗滑層,該抗滑層在規(guī)定配合比和施工條件下具有優(yōu)異的抗滑性能和耐磨性能。綜上可知:傳統(tǒng)磨耗層存在抗滑性能衰變率較快、耐久性差等問題,而由高分子膠黏劑和耐磨骨料所制備的超薄磨耗層在提升路用性能方面具有顯著優(yōu)勢,但其取決于膠黏劑性能和骨料性質(zhì)[7-9]。常用的環(huán)氧材料易受光氧老化,單組分聚氨酯材料黏結(jié)強(qiáng)度較低,故具有良好力學(xué)、耐溫變、耐疲勞等性能的雙組分聚氨酯材料成為制備超薄磨耗層的重要選擇之一[10]。然而學(xué)界缺乏對雙組分聚氨酯超薄磨耗層的深入分析,故須對其在不同外界條件作用下的性能衰變展開進(jìn)一步研究。

為深入研究雙組分聚氨酯超薄磨耗層的抗滑性能,分析磨耗層表面宏觀紋理演化對抗滑性能的影響,筆者通過輪胎-路面動態(tài)摩擦儀和激光輪廓掃描儀展開試驗(yàn)研究。通過探析抗滑性能的決定因素,揭示了宏觀紋理演化對抗滑性能衰變的影響規(guī)律,為聚氨酯材料的工程運(yùn)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

1.1.1 聚氨酯

試驗(yàn)采用雙組分聚氨酯作為黏結(jié)材料,由多元醇(甲組分)與異氰酸酯(乙組分)拌和反應(yīng)制備,比例為4∶1。其基本性能如表1。

表1 雙組分聚氨酯基本性能Table 1 Basic properties of two-component polyurethane

1.1.2 骨 料

聚氨酯超薄磨耗層中的骨料是主要的防滑耐磨材料,因此在選取骨料時需要考慮硬度、粒徑、棱角性等眾多因素。硬度較高的骨料能保證磨耗層耐磨性;單一粒徑骨料在固化成型后可使路面具有較好的平整度;棱角性好的骨料可使磨耗層具有足夠的抗滑性[11-12]。聚氨酯超薄磨耗層選用粒徑為3～4 mm的玄武巖作為抗滑耐磨骨料,根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[13],對骨料主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測試,如表2。

表2 骨料主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indexes of aggregate

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主要儀器包括課題組自主研發(fā)的輪胎-路面動態(tài)摩擦測試儀和激光輪廓掃描儀[14]。通過動態(tài)摩擦儀控制速度、荷載等影響因素來模擬研究車輛輪胎對磨耗層的磨損作用,并實(shí)時記錄胎路間動摩擦系數(shù)fDFC(dynamic friction coefficient);通過激光輪廓掃描儀測定磨耗層輪廓信息,并以此來計算宏觀紋理參數(shù)。

1.2.2 試驗(yàn)方法

試件制作過程:① 成型尺寸為300 mm × 300 mm × 50 mm的瀝青混合料車轍試件;② 將聚氨酯甲、乙組分按照4∶1的質(zhì)量比例混合均勻后制備150 g聚氨酯膠結(jié)料,并均勻涂刷在車轍板試件表面;③ 將適量的玄武巖均勻撒布在試件表面至完全覆蓋聚氨酯膠結(jié)料;④ 待試件固化成型后,掃除表面多余的玄武巖顆粒以便回收利用。

1)激光輪廓掃描試驗(yàn)

激光輪廓掃描儀主要由MTI激光位移感應(yīng)器、XC608雙軸聯(lián)動控制箱及電動十字導(dǎo)軌滑臺組成,并配有內(nèi)含專用軟件的電腦,用于接收與顯示所采集的紋理信息。激光位移感應(yīng)器以激光三角法為工作原理,可計算激光照射點(diǎn)在試件表面上的相對高度,以此獲取路面輪廓信息[15]。

掃描試驗(yàn)時間節(jié)點(diǎn)設(shè)置為磨耗0、 0.5、 1、 2、 4、 6、 8、 10、 12、 14 h后,掃描區(qū)域?yàn)檩嗃E帶上相互垂直的的兩塊40 mm × 100 mm矩形區(qū)域,掃描路徑為S型。激光感應(yīng)器的光點(diǎn)大小為0.03 mm,高度測試范圍為±12 mm,豎向位移控制為0.5 mm,因此每個測量區(qū)域?qū)?0條輪廓線,每條輪廓線長100 mm。測量區(qū)域和掃描路徑見圖1。

圖1 宏觀紋理測量區(qū)域及掃描路徑Fig. 1 Macro texture measurement area and scanning path

2)fDFC測定試驗(yàn)

將已成型試件進(jìn)行fDFC測定試驗(yàn)。磨耗時間設(shè)置與掃描試驗(yàn)時間一致,每次達(dá)到相應(yīng)磨耗次數(shù)后需要稱取試件質(zhì)量,計算前后質(zhì)量差,以便分析骨料的剝落的情況。試驗(yàn)控制變量分別為速度與荷載,整個試驗(yàn)過程均采用8寸實(shí)心輪胎。具體試驗(yàn)工況見表3。

表3 動態(tài)摩擦測試工況Table 3 Dynamic friction test conditions

2 結(jié)果與分析

2.1 抗滑性能衰變過程及機(jī)理分析

2.1.1 磨耗層質(zhì)量損失率分析

聚氨酯超薄磨耗層在輪載作用下,抗滑性能衰變的主要原因之一是骨料剝落。為合理分析磨耗層抗滑性能衰變,需對骨料質(zhì)量損失率進(jìn)行分析。試驗(yàn)時測定磨耗前后試件質(zhì)量損失,以此來評價骨料剝落的情況。骨料質(zhì)量總損失率計算如式(1),階段質(zhì)量損失率計算如式(2)。

(1)

(2)

式中:ω為質(zhì)量總損失率,%;σ為階段質(zhì)量損失率,%;m0為試件未經(jīng)磨耗時質(zhì)量,g;m1為不同磨耗時間試件磨耗后質(zhì)量,g;m2為磨耗層原始質(zhì)量,g;mi和mi+1分別為相鄰磨耗時間前后的試件質(zhì)量,g。

不同工況下骨料質(zhì)量損失規(guī)律如圖2。

圖2 不同工況下骨料質(zhì)量損失規(guī)律Fig. 2 Law of aggregate mass loss under different working conditions

由圖2可知:隨著試件磨耗時間增加,骨料質(zhì)量損失逐漸增加,當(dāng)磨耗時間超過6 h后,質(zhì)量損失速率整體放緩。由圖2(a)、圖2(c)表明:以速度和荷載為變量時,骨料質(zhì)量損失均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系;由圖2(b)、圖2(d)表明:所有試件經(jīng)歷初期磨耗后,表面松散骨料大量剝落,磨耗0.5 h后質(zhì)量損失幅度開始下降,并在后續(xù)磨耗中變小直至趨于穩(wěn)定,后期骨料質(zhì)量損失基本服從指數(shù)關(guān)系。由此可知:試驗(yàn)初期,磨耗層表面黏結(jié)不牢固的骨料逐漸脫落,導(dǎo)致路面構(gòu)造深度衰減速率較快;隨著荷載增大,胎面對磨耗層的應(yīng)力也增大,骨料就越容易被剝落;隨著速度加快,單位時間內(nèi)的磨耗次數(shù)增多,骨料質(zhì)量損失也隨之增加;當(dāng)磨耗到一定程度后,磨耗層表面松散骨料已基本剝落,宏觀紋理演化度變小且趨于平穩(wěn),剩余黏結(jié)良好的骨料則繼續(xù)提供摩阻力。

2.1.2 動態(tài)磨耗試驗(yàn)結(jié)果分析

為更好地反映聚氨酯超薄磨耗層在不同因素作用下的抗滑性能,筆者設(shè)定了5種工況來分析抗滑性能衰變規(guī)律。試驗(yàn)過程中,磨耗層隨著骨料剝落而逐漸顯現(xiàn)出一條完整輪跡帶,以其中一組試驗(yàn)為例,磨耗過程中表面形貌變化見圖3。

圖3 磨耗層試驗(yàn)過程變化Fig. 3 Changes in the testing process of the wear layer

不同工況下的fDFC衰變規(guī)律如圖4。由圖4可看出:以荷載和速度為變量時,隨著磨耗時間增加,磨耗層fDFC均發(fā)生不同程度的衰減現(xiàn)象;當(dāng)試驗(yàn)荷載為250 N時,速度減小,fDFC反而增大,其整體衰減速率升高;當(dāng)試驗(yàn)速度為30 km/h時,荷載增加,磨耗層fDFC隨之增大,后續(xù)衰減幅度將會升高。

圖4 不同工況下的fDFC衰變規(guī)律Fig. 4 Decay law of dynamic friction coefficient under different working conditions

fDFC與骨料質(zhì)量損失的關(guān)系如圖5。由圖5可知:磨耗層fDFC與骨料階段質(zhì)量損失率(σ)和階段總質(zhì)量損失率(ω)均存在較強(qiáng)的多項式關(guān)系,決定系數(shù)R2分別為0.583 3和0.902 2。由分析可知:速度、荷載和骨料質(zhì)量損失是影響聚氨酯超薄磨耗層fDFC衰減的主要因素。整個試驗(yàn)過程中,fDFC衰變曲線可分為3個階段:快速衰變、緩慢衰變和衰變穩(wěn)定?？焖偎プ兤谥饕阅ズ膶颖砻嫠缮⒌墓橇蟿兟錇橹?表面粗糙度降低,導(dǎo)致此時的fDFC衰減較快;當(dāng)與基面黏結(jié)性差的骨料相繼剝落后,進(jìn)入以骨料表面磨光、磨損為主的緩慢衰變期;隨著輪載持續(xù)作用,骨料剝落和磨損達(dá)到一定程度,抗滑性能衰變進(jìn)入穩(wěn)定階段。

圖5 fDFC與骨料質(zhì)量損失的關(guān)系Fig. 5 Relationship between dynamic friction coefficient and aggregate mass loss

為進(jìn)一步明確磨耗層抗滑性能隨加速加載磨耗時間的衰減規(guī)律,筆者采用對數(shù)公式進(jìn)行擬合回歸[16-18],如式(3)。

Y=Pln(X)+K

(3)

式中:Y為對應(yīng)時刻的fDFC;X為磨耗時間;P、K分別為回歸系數(shù)。

fDFC與磨耗時間的擬合關(guān)系見表4。

表4 磨耗層抗滑性能衰變與磨耗時間關(guān)系擬合Table 4 Fitting relation between the decay of the slip resistance of the wear layer and the wear time

盡管不同組別磨耗層的工況不同,但擬合結(jié)果均表明:fDFC衰變與磨耗時間在總體上服從對數(shù)關(guān)系(R2均大于0.95)。由此可知:聚氨酯磨耗層的抗滑性能衰變呈現(xiàn)出先快后慢直至穩(wěn)定的趨勢。

2.2 宏觀紋理演化與抗滑性能的多元回歸分析

2.2.1 激光掃描數(shù)據(jù)處理

1)鏡像處理

因由激光輪廓掃描儀采集到的數(shù)據(jù)繪制而成的圖形與實(shí)際觀測相反,因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行鏡像處理。

2)去噪處理

在宏觀數(shù)據(jù)采集完成后,得到的原始數(shù)據(jù)中往往會存在異常點(diǎn),為更好地反映出路表整體情況,采用線性插值方式消除異常值。

3)傾斜修正

磨耗層制作工藝不足以做到使試件表面完全水平,導(dǎo)致測出的輪廓線會存在一定傾斜度。為了消除試件表面傾斜對宏觀紋理參數(shù)計算的影響,采用線性函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合修正。

4)確定水平面

為了合理反映磨耗層表面特征,需分別確定每條輪廓線的水平面。將每條輪廓線的500個數(shù)據(jù)從小到大排列,取中位數(shù)為絕對水平面,對輪廓線進(jìn)行上下平移。以其中一條斷面輪廓曲線為例,其處理過程見圖6。

圖6 斷面輪廓數(shù)據(jù)處理過程Fig. 6 Data processing process of section profile

2.2.2 宏觀紋理指標(biāo)的篩選及回歸分析

為了從多方面分析宏觀紋理演化與聚氨酯超薄磨耗層抗滑性能之間的關(guān)系,筆者選取平均斷面深度hMPD、輪廓算數(shù)平均偏差Ra、輪廓均方根偏差Rq、輪廓算數(shù)平均斜率Δa、輪廓均方根斜率Δq、輪廓算數(shù)平均波長λa、均方根波長λq、偏度Rsk、峰度Ku、平均高程差hMDE和表面磨損指數(shù)kSBI這4類11個紋理參數(shù)指標(biāo)[19-22],參數(shù)注釋見圖7,相關(guān)計算見表5。為從眾多參數(shù)中選取具有代表性的表征參數(shù),同時避免因參數(shù)間共線性而導(dǎo)致預(yù)估模型不準(zhǔn)確的問題,需對參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。若兩個指標(biāo)間決定系數(shù)R2<0.6,說明這二者描述了不同的宏觀紋理特征[21]。

圖7 表面輪廓參數(shù)示意Fig. 7 Schematic diagram of surface profile parameters

表5 表面輪廓參數(shù)計算公式Table 5 Calculation formula of surface profile parameters

決定系數(shù)R2的矩陣如表6。由表6可見:紋理指標(biāo)中hMPD與Ra、Rq、Δq之間存在顯著相關(guān)性(R2>0.80),hMPD與λq、hMDE存在較強(qiáng)相關(guān)性(R2>0.65),表明這6個指標(biāo)對磨耗層宏觀紋理特征描述類似,因此僅保留常用的hMPD作為影響指標(biāo),其余5個指標(biāo)可舍去;同理,Δa與λa相關(guān)性較強(qiáng)(R2>0.70),可保留后者。剩余指標(biāo)Rsk、Ku和kSBI相互之間沒有明顯相關(guān)性,因此均可納入回歸模型中。

表6 決定系數(shù)R2矩陣Table 6 Matrix of the determination coefficients R2

借助SPSS將選出的6個參數(shù)進(jìn)行多元逐步回歸分析,所得最優(yōu)模型的決定系數(shù)R2=0.708,且未充分利用各類參數(shù)指標(biāo)。鑒于此,筆者嘗試通過SAS分析軟件,構(gòu)建相應(yīng)的多元二次多項式模型。

為便于分析,將所有自變量綜合成一個合成向量,記為M1=[hMPDλaRskKukSBI],則二次多項式的回歸模型表示為[22]:

(4)

式中:A1為二次項系數(shù)矩陣;B1為一次項系數(shù)矩陣;C1為常數(shù)項。

在進(jìn)行對M1的多種組合回歸后,得到的最高決定系數(shù)R2=0.890 3,但在對其模型參數(shù)檢驗(yàn)與因子檢驗(yàn)時均發(fā)現(xiàn)不顯著項和不顯著因子,這說明僅通過宏觀紋理演化不能合理地描述磨耗層的抗滑性能。故在考慮宏觀紋理的同時引入磨耗層骨料階段質(zhì)量損失率(σ)和階段總質(zhì)量損失率(ω)作為自變量,記為M2=[X1X2X3σω](X1～X3均可取hMPD、λa、Rsk、Ku、kSBI),再次進(jìn)行二次多項式回歸分析。

當(dāng)M2=[hMPDλakSBIσω]時,模型各方面檢驗(yàn)均滿足要求,模型參數(shù)A2、B2、C2的計算結(jié)果見式(5)。

A2=

B2=[0.909 6 0.088 4 0.919 5 -0.019 4 -0.157 1]

C2=-1.280 7

(5)

二次多項式模型參數(shù)檢驗(yàn)如表7。從表7可知:二次項模型決定系數(shù)R2=0.989 0,殘差平方和僅為0.000 237,模型線性項、二次項、交互項及模型總體F檢驗(yàn)的P值均小于0.05,這說明自變量與因變量之間的回歸關(guān)系顯著。表8給出了對回歸模型因子進(jìn)一步的檢驗(yàn)結(jié)果,所有因子項F檢驗(yàn)的P值均小于0.05,說明各因子回歸系數(shù)顯著。SAS回歸結(jié)果表明:在考慮宏觀紋理演化的同時,結(jié)合磨耗層階段質(zhì)量損失率(σ)和階段總質(zhì)量損失率(ω)的回歸多元二次多項式模型能較為準(zhǔn)確地描述聚氨酯超薄磨耗層不同磨耗階段后的抗滑性能。

表7 二次多項式模型參數(shù)檢驗(yàn)Table 7 Parameter test of quadratic polynomial model

表8 二次多項式模型因子檢驗(yàn)Table 8 Factor test of quadratic polynomial model

3 結(jié) 論

基于不同速度和荷載作用,筆者對聚氨酯超薄磨耗層的抗滑性能及衰變規(guī)律進(jìn)行了研究,分析了表面宏觀紋理演化對抗滑性能的影響,得出以下結(jié)論:

1)動態(tài)磨耗試驗(yàn)表明:速度、荷載和骨料質(zhì)量損失是影響磨耗層抗滑性能衰變的主要因素,其中骨料質(zhì)量損失是速度和荷載對磨耗層作用的直觀反映。速度值和荷載值越大,則骨料質(zhì)量損失率越高,磨耗層抗滑性能衰變越快。試驗(yàn)前期,磨耗層骨料質(zhì)量損失是導(dǎo)致抗滑性能衰變的主要原因;試驗(yàn)中后期,骨料質(zhì)量損失率大幅降低且基本服從指數(shù)關(guān)系,磨耗層的抗滑性能趨于穩(wěn)定。

2)聚氨酯超薄磨耗層表面宏觀紋理特征與抗滑性能密切相關(guān),因此選取幅度特征、間距特征、形狀特征與綜合特征這4類指標(biāo),對試驗(yàn)過程中fDFC與宏觀紋理演化的關(guān)系展開研究。為避免指標(biāo)間高度相關(guān)而導(dǎo)致的回歸模型共線性問題,對所有參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析?；诖?得知hMPD、λa、Rsk、Ku和kSBI分別描述了不同的宏觀紋理特征,可用于建立其與fDFC的回歸模型。

3)基于磨耗層表面構(gòu)造研究,在進(jìn)行宏觀紋理與fDFC之間的多次回歸分析后,引入骨料階段質(zhì)量損失(σ)和階段總質(zhì)量損失(ω)作為自變量,最終得到包含hMPD、λa、kSBI、σ和ω這5個因子的多元二次多項式回歸模型,R2=0.989 0,可準(zhǔn)確描述聚氨酯超薄磨耗層宏觀紋理演化與抗滑性能的關(guān)系。

4)樹脂類超薄磨耗層在今后的設(shè)計運(yùn)用中,除了需要研究速度、荷載等外界因素的影響外,更須充分考慮骨料與膠黏劑間的黏結(jié)強(qiáng)度,進(jìn)而有效降低骨料的剝落概率,確保能持續(xù)提供豐富的宏觀紋理,以便磨耗層長期保持良好的抗滑性能。