聚氨酯瑪蹄脂混合料的設(shè)計及性能

張 倩，呂榮培，馬 昭，王永衛(wèi)

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055； 2.西安建筑科技大學(xué) 陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，西安 710055； 3.浙江交工集團股份有限公司設(shè)計院分公司，杭州 310000； 4.浙江衢州市江山市公路管理段，浙江 衢州 324100)

1 研究背景

瀝青混合料是一種溫度敏感性高的黏彈性材料，在溫度-荷載耦合作用下極易產(chǎn)生車轍、裂縫等病害[1]。一些性能優(yōu)良的瀝青改性劑雖能減輕路面的病害[2-3]，但不能從根本上解決瀝青材料的缺陷，且熱拌瀝青路面技術(shù)存在高能耗、高排放和高污染的問題[4-5]。冷拌冷鋪瀝青混合料雖然是一種綠色環(huán)保材料，但性能卻難以達到高等級路面的使用要求[6-7]。聚氨酯膠粘劑是目前國際上應(yīng)用較為廣泛的膠粘劑之一，常溫下即可濕固化形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，具有粘結(jié)強度高、高低溫性能好、耐水解的特點[8-10]。

基于此，近年來不少學(xué)者對聚氨酯膠粘劑、集料等混合制成的聚氨酯混合料進行了研究，取得了有益進展。王火明等[11-12]、李汝凱等[13]對多孔聚氨酯碎石混合料(PPM)的路用性能和強度進行試驗研究，提出以強度作為混合料的設(shè)計指標(biāo)。孫銘鑫[14]、Wang等[15-16]利用聚氨酯混合料設(shè)計了多孔隙彈性路面，其具有良好的減振降噪、高低溫、水穩(wěn)定性及耐磨性能。Lin Cong等[17]、李添帥等[18]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的多孔瀝青混合料，多孔聚氨酯混合料能在保證較高力學(xué)強度的條件下獲得更高的有效空隙率，因而透水性能更為優(yōu)異，同時具有良好的抗剝落和吸聲性能。何建彬[19]通過研究不同固化條件下聚氨酯混合料壓實特性的變化規(guī)律，提出以聚氨酯混合料貫入阻力量化其固化反應(yīng)程度的方法。

綜合來看，國內(nèi)外學(xué)者對于聚氨酯混合料的研究多集中于多孔隙透水路面。相較于密實型路面，多孔隙透水路面普遍存在強度不足及使用壽命較短的缺點。因此，本文通過參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范及現(xiàn)有研究成果[20-23]，采用室內(nèi)試驗，設(shè)計出了一種比瀝青混合料性能更為優(yōu)異的密實型聚氨酯瑪蹄脂混合料(Stone Matrix Polyurethane，SMPU)，對SMPU進行配合比設(shè)計，同時對SMPU的路用性能和力學(xué)性能進行測試分析，為SMPU這種環(huán)境友好型路面材料的應(yīng)用與推廣奠定基礎(chǔ)。

2 材料及試驗方法

2.1 原材料

采用的粗集料是粒徑為5～10 mm和10～15 mm的玄武巖碎石，細(xì)集料是粒徑為0～5 mm 的石灰?guī)r機制砂，礦粉為磨細(xì)的玄武巖礦粉。粗集料潔凈干燥、表面粗糙，強度高、棱角性好；細(xì)集料潔凈干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)。粗、細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 集料技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of aggregates

選用木質(zhì)素纖維作為混合料的穩(wěn)定劑，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 木質(zhì)素纖維技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indexes of lignin fiber

聚氨酯膠粘劑采用煙臺萬華公司生產(chǎn)的單組分濕固化型聚氨酯膠粘劑，其技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 聚氨酯膠粘劑技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical indexes of polyurethane

SBS改性瀝青采用浙江銀基石化有限公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青(1-D)型，其技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical indexes of SBS modified asphalt

2.2 試驗方案

參考相關(guān)研究[19]，并借鑒瀝青混合料最佳瀝青用量的確定方法，進行最佳聚氨酯用量(膠石比)的確定：采用肯塔堡飛散試驗確定最小膠石比；采用析漏試驗確定最大膠石比；在膠石比上下限內(nèi)進行馬歇爾試驗，確定最佳膠石比。

設(shè)置SMA為對照組，采用車轍試驗以及單軸貫入試驗對SMPU的高溫性能進行評價，采用低溫小梁彎曲試驗評價SMPU的低溫抗裂性能，采用浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂試驗評價SMPU的水穩(wěn)定性。

根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，聚氨酯混合料表現(xiàn)出強度高、剛度大、彈性模量大的性質(zhì)，這些性質(zhì)和水泥混凝土相似[11]，因此在不同溫度、不同浸泡方式下進行抗壓強度試驗、抗折強度試驗及劈裂強度試驗，用以評價SMPU的力學(xué)性能并進一步驗證其高低溫性能、水穩(wěn)定性。

上述試驗均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[24]、《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)[25]及《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG 3420—2020)[26]進行。不同浸泡方式下的SMPU強度試驗根據(jù)實際情況自行設(shè)計，試驗方法見下文。

2.3 試件制備

SMPU的拌合溫度為常溫，拌合步驟為：先將粗細(xì)集料、木質(zhì)素纖維倒入拌和鍋中干拌90 s預(yù)混均勻，再加入聚氨酯膠粘劑濕拌90 s，最后加入礦粉拌和90 s至均勻為止。

馬歇爾試件、旋轉(zhuǎn)壓實試件、車轍試件、低溫小梁試件均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[24]制備。

抗壓、抗折及劈裂試驗的立方體試件、棱柱體試件制備方法如下：

(1)立方體試件。采用輪碾法成型300 mm×300 mm×100 mm車轍試件，將車轍試件在常溫下養(yǎng)生24 h，養(yǎng)生結(jié)束后將其切割成100 mm×100 mm×100 mm立方體試件備用。

(2)棱柱體試件。采用靜壓法成型150 mm×150 mm×550 mm棱柱體試件，需分次往試模中放入混合料并立即插搗、砸實、整平，將試件在常溫下養(yǎng)生24 h后脫模備用。

3 配合比設(shè)計

3.1 級配設(shè)計

SMPU的級配設(shè)計以瀝青混合料的級配設(shè)計為參考，初始采用骨架-密實結(jié)構(gòu)的SMA-13型級配，在試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合料中細(xì)集料偏多時，其和易性不足，亦導(dǎo)致聚氨酯膠粘劑用量增加，故對SMA-13級配進行調(diào)整，適當(dāng)降低細(xì)集料的比例，增大粗集料的比例，調(diào)整后的SMPU級配見表5。

表5 SMPU級配設(shè)計Table 5 Design of SMPU’s gradation

3.2 確定最佳膠石比

聚氨酯膠粘劑具有較強的流動性，能在集料表面形成膠漿薄膜，當(dāng)膠粘劑用量過少時，粘結(jié)能力不足，集料容易脫落進而影響混合料的性能。當(dāng)膠粘劑用量超過某一用量后，多余膠粘劑在重力作用下向混合料底部流淌，在底部形成封層，這樣既對強度增長貢獻不大又造成資源浪費。因此，聚氨酯膠粘劑與瀝青膠結(jié)料一樣，存在最佳膠石比。

3.2.1 膠石比范圍的確定

飛散試驗與析漏試驗結(jié)果見圖1。

圖1 飛散試驗與析漏試驗結(jié)果Fig.1 Results of Cantabro scattering loss test and Schellenberg binder drain-down test

從圖1(a)可以看出，隨著膠石比的增大，混合料的飛散損失率隨之減小。膠石比為3%時，混合料的飛散損失率為37.4%，不滿足規(guī)范要求。這是因為膠粘劑過少，不足以完全裹附住集料。膠石比為4%時，混合料的飛散損失率為11.5%，滿足規(guī)范要求。此外，膠石比為5%、6%、7%時，混合料的飛散損失率非常接近，這是因為在這3個膠石比下，膠粘劑可以完全裹附住集料。故最小膠石比取4%。

從圖1(b)可以看出，隨著膠石比的增大，析漏損失率也隨之增大，這是因為未固化的聚氨酯膠粘劑有較好的流動性，同時隨著膠石比增大，聚氨酯膠粘劑與集料充分拌和后形成的膠膜厚度也在增大.當(dāng)膠膜超過一定厚度后，在重力作用下造成聚氨酯膠粘劑流淌，混合料也易產(chǎn)生離析。此外，膠石比為6%時，析漏損失率<0.3%，膠石比為7%時，析漏損失率>0.5%，參考已有研究[19]及SMPU的特點，以0.3%析漏損失率作為控制指標(biāo)，故最大膠石比取6%。

綜上所述，SMPU的膠石比范圍為4%～6%。

3.2.2 最佳膠石比的確定

依據(jù)SMPU的膠石比范圍，選取4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%共5個膠石比，進行馬歇爾試驗。馬歇爾試驗結(jié)果見表6。

表6 SMPU馬歇爾試驗結(jié)果Table 6 Result of Marshall test on SMPU

根據(jù)表6試驗結(jié)果，通過計算得到SMPU的最佳膠石比為5.3%，下文所用SMPU最佳膠石比均控制為5.3%。

4 路用性能研究

4.1 高溫性能

車轍試驗與單軸貫入強度試驗結(jié)果見表7。

表7 車轍試驗與單軸貫入試驗結(jié)果Table 7 Results of rutting test and uniaxial penetration test

由表7可知，SMPU在最佳膠石比下的動穩(wěn)定度和貫入強度約為SMA的5.24倍和8.5倍，這表明聚氨酯膠粘劑對混合料高溫性能的提升效果遠大于SBS改性瀝青。SMPU試件的車轍深度和最大貫入深度均小于SMA試件，主要原因是瀝青為溫感性極強的材料，高溫下極易產(chǎn)生塑性變形，而聚氨酯是由長鏈段原料與短鏈段原料聚合而成的嵌段聚合物，軟鏈段使聚氨酯具有良好的力學(xué)性能，硬鏈段則賦予聚氨酯良好的高溫性能，故SMPU在完全固化后，即使處于高溫環(huán)境下也幾乎不會發(fā)生塑性變形。

4.2 低溫抗裂性能

根據(jù)試驗所得到的試件破壞時的最大荷載和跨中撓度,計算試件破壞時的抗彎拉強度、梁底最大彎拉應(yīng)變和破壞時的彎曲勁度模量，最后對試驗數(shù)據(jù)進行處理，將試驗結(jié)果匯總見表8。

表8 低溫彎曲試驗結(jié)果Table 8 Results of bending test at low temperature

由表8可知，2種混合料的抗彎拉強度相近，但SMPU的最大彎拉應(yīng)變約為SMA最大彎拉應(yīng)變的8.1倍，且SMPU的彎曲勁度模量遠小于SMA的彎曲勁度模量，如4.1節(jié)所述，軟鏈段能賦予聚氨酯良好的力學(xué)性能，使聚氨酯在低溫下仍有較好的柔韌性，而SBS改性瀝青在低溫下的柔韌性差，易發(fā)生塑性變形，表明SMPU的低溫性能遠優(yōu)于SMA。

4.3 水穩(wěn)定性能

浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗結(jié)果見表9。

表9 浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗結(jié)果Table 9 Results of water-immersion Marshall Test and freeze-thaw split test

從表9可知，2種混合料的殘留穩(wěn)定度均大于規(guī)范要求，并且SMPU的殘留穩(wěn)定度大于SMA的殘留穩(wěn)定度。這可能是因固化后的聚氨酯膠粘劑能阻止外部水的侵入，加之混合料的級配為密級配，空隙率較小，將試件浸泡在水中時，水對聚氨酯的粘附性幾乎沒有影響，集料與聚氨酯膠粘劑粘結(jié)依舊牢固。與SBS的TSR值(凍融強度劈裂比)相比，SMPU的TSR值較小，無法滿足規(guī)范要求，這可能是因SBS改性瀝青在被試件內(nèi)部的結(jié)冰水凍脹破壞后能在60 ℃水浴下軟化恢復(fù)，但固化后的聚氨酯膠粘劑卻因為具有優(yōu)異的高溫性能而無法在60 ℃水浴下軟化，因而出現(xiàn)較大的凍融劈裂強度損失。從2種材料凍融劈裂前后強度的絕對值來看，SMPU凍融劈裂前后強度的絕對值均高于SMA，有研究表明[19]，經(jīng)凍融后的混合料，若其劈裂強度≥0.6 MPa，則可認(rèn)為其具有較好水穩(wěn)定性，SMPU凍融后劈裂強度遠高于0.6 MPa，這表明TSR值可能并不適用于評價SMPU的水穩(wěn)定性。

5 力學(xué)性能研究

5.1 溫度對SMPU力學(xué)性能的影響

5.1.1 溫度對SMPU強度的影響

SMPU的抗壓、抗折和劈裂強度力學(xué)性能試驗結(jié)果見表10。參考《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D40—2011)[27]，試驗數(shù)據(jù)變異系數(shù)控制在0.15內(nèi)。

表10 不同溫度下SMPU抗壓、抗折和劈裂強度試驗結(jié)果Table 10 Test results of compressive strength,flexural strength,and splitting tensile of SMPU at different temperatures

由表10可知，隨著溫度的升高，SMPU的3種強度先增加后降低，在25 ℃時，SMPU的3種強度均達到平均值最大。SMPU在-15 ℃時的抗壓強度、抗折強度和劈裂強度分別為在25 ℃時的71.8%、66.0%和72.9%，強度下降可能是因為集料內(nèi)部存在少量的水分，在低溫下于集料表面結(jié)成冰膜,影響了聚氨酯膠粘劑與石料的粘附，進而導(dǎo)致強度下降。SMPU在80 ℃時的抗壓強度、抗折強度和劈裂強度分別為在25 ℃時的52.5%、45.0%和54.8%。這說明在溫度較高的條件下，SMPU強度損失較大。主要原因是聚氨酯中的異氰酸酯基團與氨基甲酸酯或脲鍵反應(yīng)，產(chǎn)生交聯(lián)鍵，所生成的氨基甲酸酯、脲基甲酸酯或二脲在溫度過高時很不穩(wěn)定，易發(fā)生水解，故導(dǎo)致SMPU強度下降較快。通過對10、25、60 ℃時SMPU強度進行對比，可發(fā)現(xiàn)在路面正常工作溫度范圍內(nèi)，SMPU的溫度敏感性低，溫度的變化對其強度影響較小。

5.1.2 溫度對SMPU韌性的影響

折壓比是被許多學(xué)者用以衡量材料韌性的一個重要指標(biāo)，通常認(rèn)為折壓比越大材料的韌性越好，折壓比的計算公式為

η=(fr/fcu)×100%。

(1)

式中：η為折壓比(%)；fr為抗折強度(MPa)；fcu為抗壓強度(MPa)。

不同溫度下SMPU的折壓比見圖2。從圖2可以看出，隨著溫度的升高，SMPU的折壓比先增加后降低，在25 ℃時出現(xiàn)最大值，這是因為聚氨酯膠粘劑在溫度較低時表現(xiàn)出一定的脆性，導(dǎo)致SMPU的韌性減小，而在溫度較高時，聚氨酯膠粘劑強度下降，加之混合料中存在一些空隙，導(dǎo)致抗折強度下降較快，因而折壓比減小。

圖2 不同溫度下SMPU的折壓比Fig.2 Compression ratio of SMPU at different temperatures

5.2 不同浸泡方式對SMPU力學(xué)性能的影響

通過自行設(shè)計的干濕循環(huán)和全浸泡試驗研究水對SMPU抗壓強度、抗折強度、劈裂強度的影響。干濕循環(huán)和全浸泡試驗方案如下：

(1)干濕循環(huán)試驗。制備SMPU抗壓試件、抗折試件以及劈裂試件，每種試件制備3個，將3組試件分別放入清水中(室溫)浸泡，浸泡時使液面高出試件10 mm左右，然后封上塑料薄膜，以免水分蒸發(fā)，并定時補水至規(guī)定高度。3組試件在室溫條件下浸泡8 h，隨之在室溫條件下干燥16 h。然后再次浸入溶液中，進行下一個循環(huán)，即1 d為1個循環(huán)，試驗周期為14 d。干濕循環(huán)試驗結(jié)束后，對3組試件分別進行抗壓強度、抗折強度、劈裂強度試驗。

(2)全浸泡試驗。制備SMPU抗壓試件、抗折試件以及劈裂試件，每種試件制備3個，將3組試件分別放入清水中(室溫)進行浸泡，浸泡時使液面高出試件10 mm左右，然后封上塑料薄膜，以免水分蒸發(fā)，并定時補水至規(guī)定高度，試驗周期為14 d。全浸泡試驗結(jié)束后，對3組試件分別進行抗壓強度、抗折強度、劈裂強度試驗。

經(jīng)干濕循環(huán)與全浸泡試驗后，6組SMPU試件強度試驗結(jié)果見表11。試驗數(shù)據(jù)變異系數(shù)控制在0.15內(nèi)。

對表11的數(shù)據(jù)進行處理，將其與未進行浸泡試驗的數(shù)據(jù)做對比，見圖3。

表11 不同浸泡方式下SMPU強度試驗結(jié)果Table 11 Test result of flexural strength of SMPU at different temperatures

由圖3可以看出，經(jīng)過干濕循環(huán)與全浸泡后，SMPU的3種強度值均下降，但依舊保持在較高水平。干濕循環(huán)和全浸泡下其抗壓強度分別下降了6.5%和4.4%，抗折強度分別下降了7.3%和5.1%，劈裂強度分別下降了6.1%和4.1%，這表明，相較于全浸泡，干濕循環(huán)對SMPU強度的影響較大。強度下降的原因可能是水通過混合料的空隙浸入到了聚氨酯膠粘劑中，使得膠粘劑的粘附性減小，從而導(dǎo)致混合料強度的減小。SMPU折壓比的變化規(guī)律與強度的變化規(guī)律一致，干濕循環(huán)對韌性的影響最大。

圖3 浸泡試驗前后聚氨酯混合料試件強度變化和折壓比Fig.3 Changes in the strength and compression ratio of SMPU specimens before and after immersion test

5.3 SMPU抗折強度與劈裂強度轉(zhuǎn)換式

由于聚氨酯膠粘劑在常溫下會快速固化，使其試件的成型難度遠大于瀝青混凝土與水泥混凝土，每一次試件的制作都需要高昂的人力與時間成本，因而建立基于SMPU抗壓強度的抗折強度與劈裂強度的轉(zhuǎn)換式具有重要意義。

根據(jù)上訴試驗數(shù)據(jù)，參考水泥混凝土的強度轉(zhuǎn)換式[27]，進行擬合分析，得到如圖4所示的SMPU抗壓強度-抗折強度與抗壓強度-劈裂強度的函數(shù)關(guān)系式。對系數(shù)進行簡化得到基于SMPU抗壓強度的抗折強度與劈裂強度轉(zhuǎn)換式。

圖4 SMPU抗壓強度-抗折強度關(guān)系和抗壓強度-劈裂強度關(guān)系Fig.4 Relations of compressive strength against flexural strength and splitting tensile strength of SMPU

fr=0.1fcu1.2,

(2)

ft,s=0.1fcu0.9。

(3)

式中ft,s為SMPU劈裂強度。

從圖4可知，SMPU擬合出的方程與試驗結(jié)果具有較高的相關(guān)性，這表明所建立的強度轉(zhuǎn)換式能較準(zhǔn)確預(yù)測出密實型聚氨酯混合料的抗折強度與劈裂強度。

6 結(jié) 論

本文通過參照瀝青混凝土和水泥混凝土試驗規(guī)程，結(jié)合室內(nèi)試驗，進行了SMPU配合比設(shè)計，并對其路用性能和力學(xué)性能展開試驗測試與分析，得到以下結(jié)論：

(1)針對細(xì)集料偏多時，混合料和易性不足，易導(dǎo)致聚氨酯膠粘劑用量增加的問題，對SMA-13級配進行調(diào)整，得到了適用于SMPU的級配，并確定出SMPU最佳膠石比為5.3%。

(2)混合料的優(yōu)劣很大程度上取決于所用膠結(jié)料，聚氨酯膠粘劑優(yōu)異的粘附性、高低溫性能和耐水解性能在SMPU的路用性能及力學(xué)性能上均得到了體現(xiàn)。但負(fù)溫-水的耦合作用會對SMPU造成較大影響，這一影響機理仍需進一步深入研究。

(3)依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，擬合分析得到了SMPU抗壓-抗折強度和抗壓-劈裂強度轉(zhuǎn)換式，可為密實型聚氨酯混合料強度方面的研究提供參考。

(4)SMPU作為一種性能強大的環(huán)境友好型路面材料，可為綠色公路的建設(shè)及道路交叉口、高速公路進出口、收費站等路面變形嚴(yán)重區(qū)域提供良好的借鑒作用。