高分子材料在公路路基排水工程中應用研究

邢瑞民

(錫林郭勒盟乾圖交通設計有限責任公司，內蒙古 錫林浩特 026000)

隨著我國經濟建設和社會發展的需要，不僅公路的通達深度、廣度需要增加，而且社會對公路服務水平的需求也在不斷提高，但由于多種自然災害的影響，公路的服務功能明顯受到了制約，其中水害就是公路經常發生的災害。做好公路水害的防治工作，加強和改進公路路基線外排水工程建設，是提高公路整體服務功能以適應社會需求的行之有效的方法。

1 公路路基線外排水設施應用現狀

水害是公路經常發生的災害，由于不能及時排水而導致路面、路基、邊坡等受到侵害已成為公路病害的主要根源之一。

目前，對于公路路基線外排水系統的設計，多數采用溝渠典型結構形式的圬工砌體。在綜合排水系統設計中，常用的路基地面排水設施包括邊溝、截水溝、排水溝、跌水、急流槽、渡槽、倒虹吸及積水池等。這些排水設施分別設在路基的不同部位，各自的排水功能、布置要求或構造形式均有所差異，橫斷面形式主要有梯形、矩形、三角形及流線型等，構造常采用的材料有漿砌片石、栽砌卵石和水泥混凝土預制塊等防護。

漿砌(干砌)片石和混凝土排水設施又稱硬化排水設施，是高等級公路常采用的一種排水設施。硬化排水設施邊溝結構規范標準，抗洪能力強，但這種邊溝很容易淤塞，需要經常清理養護。此外，這種排水設施對環境也造成了極為嚴重的破壞。圬工砌體設施的材料主要以砂、石、水泥為主，大量開采砂、石會嚴重破壞生態環境和消耗資源，大量運輸砂石材料會對地表植被造成嚴重的破壞。圬工砌體設施的施工季節性較強，工期和質量都難以控制，工程造價高、成本大，建成以后不可移動、適宜性較差。

為實現交通新的跨越式發展目標達到“綠色公路”的要求，在公路建設中積極采用新材料、新工藝、新技術，全面提倡“安全、環保、舒適、和諧”的設計新理念，以達到節約資源、保護環境、促進公路建設與自然相和諧的目的。在推動設計理念和水平全面提升的形勢下，從材料應用、設計方法到施工技術方面，有待于探索一種新型的線外排水設施來避免上述圬工砌筑所帶來的環境污染和安全隱患，已成為當務之急。

2 高分子材料在公路建設中的應用現狀

高分子材料是由低分子化合物經過聚合反應而形成的具有巨大相對分子質量的一類化合物。塑料作為高分子合成材料之一，由于其具有質量輕、加工方便、產品美觀實用等特點，頗受人們青睞，被廣泛應用在各行各業，從我們的日常生活到高精尖的技術領域，都離不開塑料制品。如輸送燃氣用的高密度聚乙烯管，輸送熱水用的聚丙烯管以及具有一定承載靜液壓能力的聚氯乙烯給水管和排水管等。由于高分子合成塑料具有原料來源豐富、價格低廉、可塑性強、彈性好、強度高等獨特的性能，在大規模的經濟建設中發揮了重要的作用，尤其在公路、鐵道、水運、水利、電力等一些基本設施建設中起到了舉足輕重的作用，并且仍然不斷地在開拓新的應用領域。

雖然我國的塑料工業已取得了舉世矚目的成就，而且應用領域也在不斷地拓寬。但目前有關塑料在公路建設中的應用技術研究僅局限于各種土工合成材料(塑料在巖土工程中統稱合成材料)，基本集中在加筋土擋墻、軟基加固、路面反射裂紋防治和橋臺加筋處理等方面。所以，加大高分子塑料在公路建設中的應用已經變得刻不容緩。

3 公路路基線外排水設施高分子材料的選用、改性及其性能研究

聚氯乙烯(PVC)塑料具有良好的綜合機械性能、耐化學腐蝕和電絕緣性，在三大通用塑料中價格最低、性價比最優。PVC塑料已經在建筑管道、塑料門窗、塑料墻板等產品中得到了廣泛的應用。

基于PVC優良的綜合機械性能和良好的性價比，可以選用PVC塑料作為高分子公路路基線外排水設施的基材。但為了滿足內蒙古地區氣候寒冷、紫外線輻射強、日照時間長、晝夜溫差大、使用過程中冷熱循環次數多的氣候特點，需對PVC進行改性，以提高PVC塑料的低溫抗沖擊性能、耐紫外光老化和熱氧老化性能。

為了改善PVC的韌性，一直以來，國內外眾多學者致力于新的增韌方法和增韌途徑的研究。采用氯化聚乙烯(CPE)和核殼型聚丙烯酸酯樹脂(ACR)復合增韌PVC以改善其抗沖擊性能，同時通過摻加紫外線吸收劑、光穩定劑和熱穩定劑等來改善PVC塑料的耐紫外光老化和熱氧老化性能，將其良好的性價比發揮出來，從而用于制備綜合性能優良的PVC公路路基線外排水設施。

3.1 公路路基線外排水設施用改性PVC的制備

將100份PVC、4份復合鉛鹽熱穩定劑、2份加工助劑、1份硬脂酸鈣、0.5份聚乙烯蠟、2份二氧化鈦、10份CPE、一定量的核殼ACR、紫外吸收劑UV326和受阻胺光穩定劑Tinuvin770在高速混合機中充分混合，然后將混合料置于雙輥混煉機上于175℃下開煉10min后，在平板硫化機于185℃、15MPa的條件下熱壓5min，再在一定壓力下冷定形7min，壓制成150mm×150mm×2mm和150mm×100mm×4mm的板材，即得改性PVC高分子材料。

3.2 改性PVC的熱氧老化試驗

將制備的改性PVC板材置于401AB熱空氣老化箱內按照《塑料熱空氣暴露試驗方法》GB7141-92進行熱氧老化試驗，老化溫度為(80±1)℃，老化時間分別為4d、7d、10d、15d和20d。

3.3 改性PVC板材的性能測試與結構表征

3.3.1 拉伸性能測試。在萬能制樣機上將改性PVC樣板切割制成150mm×10mm×2mm的啞鈴型試樣，然后在電子萬能材料試驗機上按《塑料拉伸性能試驗方法》(GB-T 1040.2-2006)標準進行拉伸性能測試，拉伸速度為10mm/min，測試溫度為室溫，每組試樣3個，測試結果取其算術平均值。

3.3.2 沖擊性能測試。將改性PVC板材制備成80mm×10mm×4mm的簡支梁沖擊樣條，銑制缺口，缺口剩余尺寸為3.2mm，在簡支梁沖擊試驗機上進行簡支梁缺口沖擊性能測試，每組試樣5個，測試結果取算術平均值。

3.3.3 動態機械熱分析(DMA)。改性PVC板材的動態機械熱分析。雙懸臂梁模式，溫度掃描范圍為-100～150℃，升溫速率為3℃/min，頻率為1Hz，試樣尺寸為60mm×15mm×2mm。

3.3.4 改性PVC板材的性能研究。通過熔體共混法制備了PVC公路路基線外排水設施。反映了ACR/CPE二元共混對PVC拉伸性能的影響。力學性能測試結果顯示，ACR和CPE的添加雖然在一定程度上降低了PVC公路路基線外排水設施的拉伸強度，但二者復配使用能顯著提高該共混物的沖擊韌性。

3.3.5 推薦生產配方。考慮到PVC公路路基線外排水設施要滿足我國北方地區氣候寒冷、紫外線輻射強烈的特殊要求，并基于上述對改性PVC的力學性能、抗老化性能的綜合分析，提出了改性PVC高分子材料的推薦生產配方，見表1。

表1 推薦配方

抗沖改性劑CPE和核殼ACR能夠賦予PVC較好的低溫沖擊性能，UV326和Tinuvin770能夠顯著提高PVC的抗老化能力，少量的環氧大豆油可進一步改善PVC的低溫柔韌性。

以PVC為基本原料，采用氯化聚乙烯(CPE)和核殼型聚丙烯酸酯樹脂(ACR)復合增韌，顯著提高了PVC的常溫和低溫沖擊韌性，同時借助于UV326紫外線吸收劑和Tinuvin770光穩定劑，有效改善了ACR/CPE/PVC共混物的抗光氧老化性能。該改性PVC材料具有優良的力學性能和抗紫外老化性能，經紫外老化1 000h后，經1kg落錘沖擊不脆裂。

4 高分子材料在公路路基線外排水設施的應用

①以PVC為基本原料，通過采用氯化聚乙烯(CPE)和核殼型聚丙烯酸酯樹脂(ACR)復合增韌制備的高分子材料，開發適合于公路路基線外排水用設施的高分子材料。②采用擠出成型工藝加工PVC急流槽，并對生產制造的改性PVC急流槽的力學性能和老化性能進行了試驗評價。結果表明：經加工成型的改性PVC急流槽具有優良的抗沖擊性能和耐老化性能，綜合力學性能優越，能夠很好地滿足北方寒冷地區以及強紫外線輻射地區的公路路基排水需要和氣候特點。③高分子急流槽具有加工成型方便、安裝簡便、可重復使用、易于拆卸等優點。工業化生產制備的高分子急流槽已在實際工程中進行了試用，效果良好。

因此，工程實踐中加快高分子PVC材料的應用推廣，采用PVC為基材，通過ACR和CPE復合增韌及加入UV326紫外線吸收劑和Tinuvin770光穩定劑制備的高分子，可以有效提高公路路基線外排水設施的低溫抗沖擊性能、抗老化性能，可滿足紫外線輻射強，日照時間長，晝夜溫差大，使用過程中冷熱循環次數多的內蒙古地區氣候特點。相比較而言，對于一些線外水流流量強度較小的地方，可以大力推廣高分子PVC材料的應用推廣。