聚氫酯橡膠瀝青混合料應(yīng)用研究

□文/王亮

聚氫酯橡膠瀝青混合料應(yīng)用研究

□文/王亮

研究開發(fā)了一種新型路面材料——聚氨酯穩(wěn)定橡膠顆粒混合料。它是以符合一定比例要求的礦質(zhì)材料與廢舊橡膠顆粒組成的混合物為骨架，采用聚氨酯樹脂作為結(jié)合料，經(jīng)室溫條件下拌和形成的的路面材料。基于膠膜厚和馬歇爾穩(wěn)定度兩項指標，進行了聚氨酯穩(wěn)定橡膠顆粒混合料的配合比設(shè)計；開展了有關(guān)路用性能研究；分別采用了熱老化試驗、浸水肯塔堡磨耗試驗以及鹽凍試驗對混合料的耐久性能進行了系統(tǒng)的試驗分析；同時模擬車輛輪碾作用，以路面摩擦系數(shù)為指標進行了新型路面材料除冰性能的研究。通過與普通瀝青混合料以及廢橡膠瀝青混合料的對比，結(jié)果表明：采用聚氨酯粘合劑的聚氨酯廢舊橡膠顆粒混合料具有良好的路用性能和耐久性并具有良好的自應(yīng)力除冰效果。

聚氨酯；橡膠；瀝青；混合料

相對于化學除冰而言物理除冰具有不損害路面、除冰效果顯著、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)勢。經(jīng)試驗研究發(fā)現(xiàn)混合料中加入一定量的橡膠顆粒就可以起到路面破冰除雪的效果，同時又不會破壞生態(tài)環(huán)境和利用大量廢舊輪胎［1～4］。但是對已有的橡膠顆粒瀝青混合料的使用研究發(fā)現(xiàn)，橡膠顆粒瀝青路面雖然可以解決路面冰雪問題，但是普遍存在水穩(wěn)定性差的問題，而這對道路的使用性能和耐久性造成了很大危害。為彌補橡膠顆粒改性瀝青混合料的不足，本文提出了一種新型聚氨酯穩(wěn)定橡膠顆粒路面材料，主要以聚氨酯作為結(jié)合料并加入少量的瀝青及機油，利用干拌法摻加廢舊橡膠顆粒，經(jīng)一定溫度拌和成型的一種路用混合料并已申請國家專利。本文主要對聚氨酯廢舊橡膠混合料的級配組成、拌和成型工藝、路用性能、耐久性能和除冰性能進行室內(nèi)試驗的研究分析。

1　原材料的選擇與級配

1.1原材料

1.1.1聚氨酯粘結(jié)劑

聚氨酯粘合劑是由多元異氰酸酯與聚酯等多羥基化合物通過縮聚反應(yīng)而生成，其分子鏈中含有極性和活潑性很好的異氰酸酯基（—NCO）和氨基甲酸酯這種分子團極易與含有活潑氫的化合物起作用，所以聚氨酯粘合劑具有很強的粘附性能［5］，見表1。聚氨酯粘合劑以其具有高強度、耐腐蝕、環(huán)保、經(jīng)濟的優(yōu)勢適用于各行各業(yè)。

表1　聚氫酯粘合劑技術(shù)指標

1.1.2廢舊橡膠顆粒

本文中所采用的橡膠顆粒均為廢舊輪胎橡膠顆粒。采用粒徑0～4 mm的橡膠顆粒對集料進行替換。本文所采用的橡膠顆粒具體技術(shù)指標：含水量0.15%、表觀密度1.167、橡膠烴類含量26%、邵氏硬度63，均符合研究技術(shù)標準。

1.1.3砂石集料

研究所采用粗細集料各項技術(shù)性能指標良好，均滿足相應(yīng)規(guī)范要求［6］。

1.1.4瀝青及油脂

為保證施工和易性，混合料中需要加入少量的瀝青和油脂并且可在一定程度上降低混合料的造價。瀝青采用基質(zhì)瀝青A級70#瀝青，其主要技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求。油脂采用一般的機油。

1.2配合比設(shè)計

1.2.1混合料的級配組成

經(jīng)過研究分析，在原材料的基礎(chǔ)上，加入20%（體積）的廢舊橡膠顆粒，采用連續(xù)級配AC-13，各個級配篩孔通過率見表2。

表2　備個級配篩孔通過率%

研究結(jié)合最佳瀝青用量確定的方法來確定最佳用膠量，首先根據(jù)估算聚氨酯粘合劑膜的厚度確定初始用膠量，然后采用馬歇爾試驗方法確定最終用膠量，最后得到最佳膠石比為12%。依據(jù)拌和和易性及孔隙率對不同瀝青和油脂用量的試驗方案進行對比試驗研究，得到最佳的瀝青和油脂用量［7］分別：（瀝青+油脂）/聚氨酯粘合劑用量為1∶4、瀝青/油脂為3∶1。

1.2.2混合料的拌和成型工藝

首先石料和礦粉180 ℃加熱1 h冷卻至室溫，廢舊橡膠顆粒60 ℃加熱4 h冷卻至室溫，然后石料和廢舊橡膠顆粒加入拌和鍋干拌60 s，接著加入常溫聚氨酯粘結(jié)劑在60 ℃溫度下拌和90 s，接著加入礦粉拌和60 s，最后拌和完成聚氨酯廢舊橡膠顆粒混合料。本研究采用一次成型方式進行混合料室內(nèi)成型。

2　聚氫酯廢舊橡膠混合料路用性能研究

2.1高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是瀝青路面最關(guān)鏈的指標之一，車轍試驗是評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的室內(nèi)試驗方法，按照T 0719-2011《瀝青混合料車轍試驗》條件進行測定。試驗結(jié)果見表3。

表3　聚氫酯廢舊橡膠混合料車轍試驗結(jié)果次/mm

由表3可以看出，聚氨酯廢舊橡膠顆粒混合料的平均動穩(wěn)定度最高，是普通瀝青混合料的平均動穩(wěn)定度10倍以上，是橡膠瀝青混合料的平均動穩(wěn)定度的3倍以上，遠大于設(shè)計要求中規(guī)定的普通瀝青混合料≮800次/mm、改性瀝青混合料≮2 800次/mm的要求，可見聚氨酯廢舊橡膠混合料具有優(yōu)良的高溫抗車轍性能。

2.2水穩(wěn)定性

路面發(fā)生破壞的主要病害其中就包括水損害，瀝青混合料自身的抗水損害能力是決定路面的水穩(wěn)定性的根本性因素。本文采用浸水馬歇爾試驗來判定聚氨酯橡膠混合料的水穩(wěn)定性［8～9］。試驗結(jié)果見表4。

表4　浸水馬歇爾試驗結(jié)果%

由表4可以看出，聚氨酯橡膠混合料的殘留穩(wěn)定度滿足規(guī)范要求，雖然低于普通瀝青混合料，但是要高于橡膠瀝青混合料，這也就說明聚氨酯廢舊橡膠混合料在水穩(wěn)定性方面要優(yōu)于橡膠瀝青混合料，具有良好的抵抗水損害的能力。

2.3滲水性能

在雨雪天氣，即使路面材料本身具有較強的水穩(wěn)定性，但如果滲水嚴重的話，同樣不能保證這條路的使用性能，這就要求路面材料具有足夠的抗?jié)B能力，因此本文對其進行了滲水試驗，試驗結(jié)果見表5。

表5　滲水試驗結(jié)果mL/min

由表5可知，聚氨酯橡膠混合料的滲水系數(shù)大大低于普通瀝青混合料和橡膠瀝青混合料的滲水系數(shù)，同時遠遠符合規(guī)范所要求的范圍，表明聚氨酯廢舊橡膠混合料具有較強的抗?jié)B能力。

3　聚氫酯橡膠混合料耐久性研究

3.1聚氫酯橡膠混合料的老化試驗研究

對于聚氨酯橡膠混合料可以在常溫下拌和的特點，老化性能試驗采用長期老化試驗［10］，按照瀝青混合料長期老化試驗規(guī)范進行。聚氨酯橡膠混合料老化試驗前后結(jié)果見表6。

表6　老化試驗前后結(jié)果對比

由表6可知，老化后的聚氨酯混合料的空隙率變大，但是仍符合規(guī)范要求，穩(wěn)定度數(shù)值基本沒有變化，說明老化后的混合料仍具有良好的高溫穩(wěn)定性。其劈裂強度比有所降低，說明老化后混合料的水穩(wěn)定性有所降低，但仍符合規(guī)范要求。

3.2聚氫酯橡膠混合料的磨耗試驗研究

為評定聚氨酯橡膠混合料在交通荷載反復(fù)作用下混合料的抗剝落以及其粘結(jié)性能，本文對聚氨酯橡膠混合料進行了室內(nèi)磨耗試驗，采用肯塔堡飛散試驗方法，試驗結(jié)果見表7。

表7　肯塔堡飛散試驗結(jié)果%

由表7可知，聚氨酯橡膠混合料飛散損失率都比較小，均＜1%，遠遠優(yōu)于規(guī)范所要求的范圍，說明聚氨酯橡膠混合料在抗松散剝落和抗沖擊性能方面具有很大的優(yōu)勢。

3.3聚氫酯橡膠混合料鹽凍試驗研究

在寒冷的冬季，路面受到冰雪凍融的危害，為除冰大量使用除冰鹽，對路面造成損害。為直觀的分析聚氨酯橡膠混合料在凍融和鹽同時作用下的性能變化，本文結(jié)合水泥混凝土室內(nèi)鹽凍試驗方法對聚氨酯廢舊橡膠混合料進行了鹽凍試驗，試驗結(jié)果見表8。

表8　鹽凍試驗結(jié)果%

由表8可知，隨著鹽溶液濃度的升高，聚氨酯橡膠混合料的質(zhì)量損失率都有所上升，但是損失率基本＜3%，表明此級配在粘結(jié)性和空隙率方面占優(yōu)勢，可以很好抵抗鹽溶液的侵蝕。同時隨著鹽溶液濃度的增加，聚氨酯橡膠混合料的劈裂強度比有所下降，但完全符合要求。綜合鹽凍試驗上述兩個指標表明聚氨酯混合料具有良好的耐久性。

4　聚氫酯橡膠顆粒混合料除冰性能的研究

聚氨酯橡膠顆粒混合料作為新型路面材料，主要是為解決冬季路面冰雪問題。本文以室內(nèi)試驗為基礎(chǔ)對聚氨酯橡膠顆粒混合料除冰雪性能進行研究。結(jié)合路面破冰試驗儀設(shè)計原理自行改裝車轍試驗作為除冰雪試驗儀，標準輪胎接地壓強為0.7 MPa，每碾壓10 min，迅速將試板取出，測試輪跡帶內(nèi)BPN值，然后再放回，重復(fù)此過程，累計碾壓70 min后終止試驗。綜合考慮冬季降雪時氣溫以及路表能夠結(jié)冰，試驗溫度設(shè)定為-5 ℃。利用擺式摩擦儀測定試車轍板試件擺值（BPN值）來表示破冰效果。

4.1試驗現(xiàn)象

試驗現(xiàn)象見圖1。

圖1　除冰效果1

由圖1可以看到，經(jīng)過相同時間車輪荷載的反復(fù)作用，普通瀝青混凝土車轍板表面的冰層沒有明顯破碎，橡膠瀝青混合料出現(xiàn)較為明顯的破碎帶，但沒有聚氨酯橡膠顆粒混合料車轍板表面的冰層破碎明顯。

4.2除冰效果分析

對混合料進行除冰試驗，分別測定其BPN變化值，試驗結(jié)果見圖2。

圖2　除冰試驗BPN變化情況

由圖3可知，隨著車輪荷載的反復(fù)作用下，普通瀝青混合料BPN值略有回升，但是變化不大，說明普通瀝青混合料不具有破除冰的功能。橡膠瀝青混合料和聚氨酯橡膠顆粒混合料的車轍板的BPN值都有明顯的增加，但聚氨酯橡膠混合料的BPN值增加更大，最終表面冰層逐漸消失，路面裸露出來，BPN的最終值和未進行破冰試驗的車轍板的BPN值接近。

5　結(jié)語

本文研究開發(fā)了一種新型的聚氨酯穩(wěn)定橡膠路面材料并基于膠膜厚和馬歇爾穩(wěn)定度兩項指標，進行了聚氨酯穩(wěn)定橡膠顆粒混合料的配合比設(shè)計，研究并提出了這種材料的合理級配組成及其拌和成型工藝。

通過對路用性能進行室內(nèi)試驗，結(jié)果表明：聚氨酯橡膠混合料的路用性能普遍超過或達到普通瀝青混合料以及橡膠瀝青混合料的各項性能指標，滿足其路面使用要求。

分別采用了熱老化試驗、浸水肯塔堡磨耗試驗以及鹽凍試驗對混合料的耐久性能進行了系統(tǒng)的試驗分析，結(jié)果表明：聚氨酯混合料抗老化性能顯著，表面顆粒不易脫落，具有良好的抗剝落性能，同時具有很好的抵抗鹽凍的能力。總的來看聚氨酯橡膠混合料具有良好的耐久性。

模擬車輛輪碾作用，以路面摩擦系數(shù)為指標進行了新型路面材料除冰性能的研究，結(jié)果表明：聚氨酯橡膠混合料除冰效果優(yōu)于橡膠瀝青混合料，具有更強的自應(yīng)力除冰能力。

聚氨酯廢舊橡膠路面材料作為一種新型的路面材料，具有良好的路用性能、耐久性能和除冰效果，同時可以減少對環(huán)境的污染和充分利用廢舊輪胎，直接與間接經(jīng)濟效益非常可觀，具有進一步研究和推廣價值。

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U414

C

1OO8-3197（2O16）O1-64-O4

2O16-O1-O8

王亮/男，1983年出生，工程師，上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院天津分院，從事市政工程設(shè)計工作。

□DOI編碼：1O.3969/j.issn.1OO8-3197.2O16.O1.O22