張新雨,任瑞波,孫敏
(山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)
隨著我國(guó)公路建設(shè)的迅速發(fā)展,道路質(zhì)量的要求也越來越高。傳統(tǒng)水泥混凝土路面由于存在施工和養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、防滑性能不足等問題而被瀝青路面取代[1]。交通量的日益增加使瀝青道路出現(xiàn)了車轍、疲勞、水損害、耗能和污染大等問題[2]。聚氨酯(Polyurethane,PU)是一種新型濕固性高分子材料,由于其混合料可以冷拌冷鋪,極大地降低能源消耗,現(xiàn)已成為道路工程領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。聚氨酯膠結(jié)料最早應(yīng)用于空隙彈性路面,其混合料(Poroelastic Road Surfaces,PERS)由聚氨酯聚合物、橡膠粉顆粒和集料組成。孫銘鑫[3]通過試驗(yàn)研究給出了PERS混合料配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素,評(píng)價(jià)了路用性能,推薦了層間處理方案。肖慶一等[4]推薦了混合料合理級(jí)配類型,制備的PERS混合料可以有效地破除冰雪。排水路面具有抵抗車輛滑移、減輕行車水霧、降低道路噪音等優(yōu)點(diǎn),可有效減少城市雨洪災(zāi)害和水污染[5]。因此,有些學(xué)者將聚氨酯作為排水路面的結(jié)合料應(yīng)用于輕交通道路。王唐斌[6]采用聚氨酯結(jié)合料,設(shè)計(jì)了排水人行道的材料組成和結(jié)構(gòu),并研究了集料特性對(duì)混合料性能的影響,聚氨酯碎石混合料(Porous Polyurethane Mixture,PPM)在輕交通排水路面上效果良好。2017年以來,聚氨酯混合料替代大孔徑排水式磨耗層(Open Graded Friction Courses,OGFC)成為熱點(diǎn),CHEN等[7-8]采用單組分聚氨酯制備PPM,發(fā)現(xiàn)聚氨酯可以提高PPM的抗磨性能,且噪音吸收功能優(yōu)于OGFC。LU等[9]試驗(yàn)研究了聚氨酯透水混合料(Polyurethane Bounded Pervious Mixture,PUPM)的主要力學(xué)性能,與德國(guó)常規(guī)多孔瀝青混合料(Porous Asphalt Concrete,PA)的性能對(duì)比可知,PUPM的水力傳導(dǎo)性和聲學(xué)性能均優(yōu)于PA。李添帥等[10]研究了PUPM的關(guān)鍵性能,對(duì)比分析了PUPM和PA的路用性能和排水功能,結(jié)果表明PUPM的力學(xué)性能優(yōu)異,其排水功能遠(yuǎn)優(yōu)于PA??梢?,目前聚氨酯材料在道路工程領(lǐng)域已經(jīng)有了較多研究,取得了一定成果,但對(duì)于聚氨酯代替瀝青作為結(jié)合料方面,大多集中于聚氨酯混合料功能性路面開發(fā),所研發(fā)的聚氨酯混合料多采用骨架空隙結(jié)構(gòu),而此結(jié)構(gòu)存在水穩(wěn)定性問題,反復(fù)凍融循環(huán)對(duì)其耐久性會(huì)產(chǎn)生較大影響[11]。在混合料組成設(shè)計(jì)上,目前缺乏對(duì)懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)和骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)聚氨酯混合料的組成設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)指標(biāo)、強(qiáng)度形成規(guī)律和溫度穩(wěn)定性方面的研究。
基于此,在懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)聚氨酯混合料(Polyurethane Concrete-13,PC-13)和骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)聚氨酯混合料(Stone Matrix Polyurethane-13,SMP-13)的礦料組成設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,推薦凍融劈裂比和空隙率等指標(biāo)作為聚氨酯混合料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo),并確定聚氨酯結(jié)合料用量;通過劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和馬歇爾試件體積變化分析不同環(huán)境溫度對(duì)密實(shí)結(jié)構(gòu)聚氨酯混合料強(qiáng)度和體積變化影響;全面監(jiān)測(cè)不同環(huán)境溫度下,充分接觸空氣時(shí)聚氨酯結(jié)合料的黏度變化,分析聚氨酯結(jié)合料的施工可操作性;開展車轍試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)以評(píng)價(jià)聚氨酯混合料的溫度穩(wěn)定性。
聚氨酯結(jié)合料為煙臺(tái)萬華公司的單組分濕固化聚氨酯結(jié)合料,如圖1所示,具體技術(shù)指標(biāo)見表1。集料來自濟(jì)南市港溝拌合站,為0~3、3~5、5~10和10~15 mm 4檔玄武巖集料以及礦粉,集料篩分采用16、13.2、4.75、2.36、0.6、0.3、0.075 mm固定尺寸套篩篩分,結(jié)果見表2。
表2 集料篩分?jǐn)?shù)據(jù)表
圖1 聚氨酯結(jié)合料圖
表1 聚氨酯技術(shù)指標(biāo)表
(1)聚氨酯混合料馬歇爾試件成型
常溫下,將按比例配制的集料在拌鍋中攪拌30 s,待攪拌完畢后,將對(duì)應(yīng)比例聚氨酯結(jié)合料加入集料中攪拌60 s,待攪拌完畢,再將礦粉加入拌鍋攪拌60 s。拌合均勻后,出料,取適量混合料,馬歇爾擊實(shí)儀雙面擊實(shí)50次成型試件。
(2)劈裂試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)
采用瀝青混合料綜合壓力試驗(yàn)機(jī)如圖2所示,按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[12]進(jìn)行劈裂試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn),干劈裂實(shí)驗(yàn)常溫25℃下直接加載,凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)照組25℃水浴保溫2 h后室溫下立即加載,實(shí)驗(yàn)組-18℃保溫16 h后,再在25℃水浴保溫2 h,室溫下立即加載,加載速率均為50 mm/min。
圖2 瀝青混合料綜合壓力試驗(yàn)機(jī)
(3)布氏黏度試驗(yàn)
按照J(rèn)TG E20—2011[12]中的方法及要求,采用布氏黏度儀進(jìn)行聚氨酯的旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)。聚氨酯膠結(jié)料與瀝青密度不同,取樣時(shí)盛料管取樣膠結(jié)料約12 g。試驗(yàn)轉(zhuǎn)子和盛料管需置于20、30、40℃等3種溫度下保溫1.5 h后,再在試驗(yàn)設(shè)備保溫至所需溫度。黏度數(shù)值穩(wěn)定后,每個(gè)試驗(yàn)溫度下,每隔60 s讀數(shù)一次,取連續(xù)3次讀數(shù)的均值為測(cè)定值。
(4)車轍試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)
按照J(rèn)TG E20—2011[12]中的方法開展PC-13和SMP-13車轍試驗(yàn)和低溫小梁彎曲試驗(yàn)。車轍板為常溫下制作,靜置48 h后脫模,再靜置48 h后進(jìn)行車轍試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為60℃、試件保溫時(shí)間>5 h、輪壓為0.7 MPa、試驗(yàn)時(shí)間為60 min。低溫彎曲試驗(yàn)的溫度為-10℃,其加載速率為50 mm/min。
已有研究表明,凍融循環(huán)對(duì)聚氨酯混合料影響較大[13],故選用凍融劈裂強(qiáng)度比作為礦料組成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)。PC-13混合料和SMP-13混合料級(jí)配設(shè)計(jì)見表3和4,級(jí)配曲線圖如圖3所示,分別制作膠石比(聚氨酯質(zhì)量比集料質(zhì)量)為4.5%的PC-13和SMP-13馬歇爾試件,室溫下帶模養(yǎng)生24 h后脫模養(yǎng)生3 d,將脫模后的試件按照規(guī)范方法進(jìn)行凍融劈裂實(shí)驗(yàn),試件的凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表5。
表5 級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果表
圖3 聚氨酯混合料級(jí)配曲線設(shè)計(jì)圖
表3 PC-13類型級(jí)配設(shè)計(jì)表(通過百分率) %
表4 SMP-13類型級(jí)配設(shè)計(jì)表(通過百分率) %
分析表3可知,PC-13混合料的礦粉用量比傳統(tǒng)AC-13(Asphalt Concrete)混合料高,原因是所取石料品質(zhì)有別,0~3和3~5 mm兩檔集料中細(xì)顆粒較少,需要更多礦粉補(bǔ)充細(xì)顆粒。分析表5可知,3種PC-13級(jí)配干劈裂抗拉強(qiáng)度均在5~6 MPa之間,凍融后劈裂強(qiáng)度>2 MPa,遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)基質(zhì)瀝青混合料,雖然凍融劈裂強(qiáng)度比較小,但凍融后劈裂強(qiáng)度仍大于基質(zhì)瀝青混合料,因此滿足路面使用需求,基于凍融前后的劈裂強(qiáng)度和凍融強(qiáng)度劈裂比選用級(jí)配2作為PC-13混合料最佳級(jí)配,級(jí)配2礦粉用量接近傳統(tǒng)AC-13混合料。3種SMP-13級(jí)配的干劈裂抗拉強(qiáng)度差別較小,但均大于傳統(tǒng)基質(zhì)瀝青混合料[11],其值最高可達(dá)4 MPa,凍融后劈裂強(qiáng)度仍大于傳統(tǒng)基質(zhì)瀝青混合料,凍融劈裂強(qiáng)度比較小且3種級(jí)配差別較小,基于劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比,選用級(jí)配3作為SMP-13混合料最佳級(jí)配。
按上述礦料最佳級(jí)配,分別成型4組不同膠石比的PC-13和SMP-13馬歇爾試件,PC-13的膠石比分別設(shè)置為3.5%、4%、4.5%、5%,SMP-13的膠石比分別設(shè)置為4%、4.5%、5%、5.5%,基于水穩(wěn)定性的要求,推薦采用凍融前后劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度比、毛體積密度和空隙率等指標(biāo)來確定最佳膠石比,試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。
圖4 膠石比指標(biāo)測(cè)試結(jié)果圖
對(duì)于兩種密級(jí)配聚氨酯混合料,隨著膠石比增加,干劈裂抗拉強(qiáng)度、浸水2 h后劈裂強(qiáng)度、凍融后劈裂強(qiáng)度均先增加后減小,兩種混合料均在4.5%膠石比時(shí)劈裂強(qiáng)度最大??障堵蕜t呈遞減趨勢(shì),毛體積密度和凍融劈裂強(qiáng)度比在4.5%膠石比時(shí)較為合適,因此確定兩種混合料的最佳膠石比均為4.5%。對(duì)比兩種不同級(jí)配,PC-13混合料凍融前后的劈裂強(qiáng)度大于SMP-13混合料,但凍融劈裂比小于SMP-13混合料,PC-13混合料空隙率要比SMP-13混合料小,PC-13的礦料級(jí)配更密實(shí),固化后劈裂強(qiáng)度較大。
聚氨酯結(jié)合料是一種濕固性膠黏劑,環(huán)境條件是聚氨酯材料固化反應(yīng)速度的關(guān)鍵影響因素,因此有必要研究不同環(huán)境溫度下聚氨酯材料強(qiáng)度的形成情況,以分析其形成機(jī)理,并確定聚氨酯混合料的養(yǎng)生時(shí)間和開放交通時(shí)間,為聚氨酯混合料設(shè)計(jì)及施工養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。另外,與骨架空隙結(jié)構(gòu)不同,密實(shí)結(jié)構(gòu)聚氨酯混合料固化過程中存在膨脹問題,需研究混合料強(qiáng)度形成過程中的體積變化規(guī)律。
根據(jù)PC-13和SMP-13的礦料級(jí)配和膠石比,成型馬歇爾試件,在20、30和40℃的環(huán)境溫度下分別養(yǎng)生3、6、12、24、36、48和72 h后,室溫下立即測(cè)試試件的劈裂強(qiáng)度,劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖5和6所示。
圖5 PC-13混合料劈裂強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律圖
圖6 SMP-13混合料劈裂強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律圖
由圖5和6可知,在20和30℃環(huán)境溫度下,PC-13和SMP-13前期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢:PC-13混合料的強(qiáng)度前48 h從0.1 MPa增長(zhǎng)到1.2 MPa,48 h后其值迅速增長(zhǎng),96 h后趨于穩(wěn)定達(dá)到4.6 MPa;SMP-13混合料的強(qiáng)度前48 h從0.1 MPa增長(zhǎng)到約1 MPa,48 h后其值迅速增長(zhǎng),96 h趨于穩(wěn)定達(dá)到3.8 MPa。在40℃環(huán)境溫度下,兩種混合料強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)相似,0~12 h強(qiáng)度值增長(zhǎng)幅度較小,12 h后其強(qiáng)度開始迅速增長(zhǎng),48 h后增長(zhǎng)減緩,96 h后趨于穩(wěn)定。橫向?qū)Ρ韧瑴囟韧B(yǎng)護(hù)時(shí)間下的兩種混合料,SMP-13劈裂強(qiáng)度比PC-13低。分析圖4和5,聚氨酯混合料完全形成強(qiáng)度所需時(shí)間約為4 d。聚氨酯混合料路面開放交通或者鋪筑下一層的時(shí)間則應(yīng)根據(jù)施工環(huán)境和條件決定,熱拌瀝青混合料溫度<50℃即可開放通車,此時(shí)對(duì)應(yīng)的劈裂強(qiáng)度約為1.5 MPa,以此為標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)氣溫>30℃時(shí),施工后18 h即可滿足強(qiáng)度開放交通,當(dāng)氣溫為20~30℃時(shí),宜在施工后48 h開放交通。
聚氨酯混合料養(yǎng)護(hù)溫度越高,形成強(qiáng)度越快,原因在于聚氨酯混合料的固化反應(yīng)是一種化學(xué)縮合反應(yīng)過程,其反應(yīng)方程式由式(1)[14]表示為
由于空氣中的水分或混合料體系中含有活潑性氫等物質(zhì),會(huì)與聚氨酯結(jié)合料發(fā)生反應(yīng)形成脲鍵而促進(jìn)交聯(lián)固化,使聚氨酯混合料逐漸固化形成強(qiáng)度,最后形成立體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此,環(huán)境溫度越高,聚氨酯凝膠速度越快[15],官能團(tuán)反應(yīng)越劇烈,固化時(shí)間越短,形成強(qiáng)度也就越快。
密實(shí)結(jié)構(gòu)聚氨酯混合料在固化反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生一定程度的體積膨脹,為研究體積膨脹形成規(guī)律及其安定性,監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度分別為20、30和40℃下帶模養(yǎng)生3、6、12、24、36、48和72 h的馬歇爾試件高度,記錄各養(yǎng)生時(shí)長(zhǎng)下養(yǎng)生完畢較試件剛成型時(shí)的高度差,以此分析其體積安定性。試驗(yàn)結(jié)果如圖7和8所示。
圖7 PC-13混合料高度發(fā)展規(guī)律圖
圖8 SMP-13混合料高度發(fā)展規(guī)律圖
由圖7和8可知,體積變化速率方面,在20和30℃下,0~12 h體積形成速率較快,之后試件體積緩慢增加,48 h后體積增長(zhǎng)速率變大;而在40℃下,試件體積在成型后3 h內(nèi)增長(zhǎng)迅速,達(dá)到總增加量的一半,在24 h之后增長(zhǎng)速度減緩??傮w積變化量的大小在不同環(huán)境溫度依次為40、30、20℃,即溫度越高混合料體積變化量越大,且SMP-13的體積變化量大于PC-13混合料。聚氨酯混合料會(huì)有膨脹現(xiàn)象產(chǎn)生體積差,主要是由于聚氨酯混合料的固化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生CO2氣體,溫度較高,固化反應(yīng)速率較快,強(qiáng)度形成快,同時(shí)體積膨脹也快;溫度較低時(shí),固化反應(yīng)速率較慢,強(qiáng)度形成慢,體積膨脹也慢;在混合料整體強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)后,溫度對(duì)混合料的強(qiáng)度和體積影響變小[16]。
為研究聚氨酯的固化特性,為施工可操作時(shí)間提供參考,分析了不同溫度下聚氨酯的布氏黏度隨時(shí)間變化的規(guī)律[17]。所用聚氨酯為單組分濕固化材料,與空氣中少量的水反應(yīng)而固化,為加速這一進(jìn)程,采用攪拌機(jī)攪拌聚氨酯,加大聚氨酯與空氣的接觸。試驗(yàn)溫度為20、30和40℃時(shí),攪拌機(jī)攪拌速度為300 rpm,隔0.5 h取樣一次,測(cè)定同溫度下的布氏黏度,黏度試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。
由圖9可知,試驗(yàn)溫度越高,聚氨酯的初始黏度越低。在不同試驗(yàn)溫度下,黏度均以平緩速率增長(zhǎng),均在5 h后黏度增長(zhǎng)速率變大。20℃下初始黏度最大,隨時(shí)間變化的總增長(zhǎng)量也最大,從初始的2.1 Pa·s到3 Pa·s攪拌用時(shí)約為5 h,從2.1 Pa·s到5 Pa·s攪拌用時(shí)約為7.5 h;而30℃下攪拌7.5 h聚氨酯布氏黏度從0.9 Pa·s變化到2.5 Pa·s;40℃下攪拌7.5 h后聚氨酯布氏黏度從0.6 Pa·s變化到1.6 Pa·s。對(duì)比苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(Styrene-Butadiene-Styrene Block Copolymers,SBS)改性瀝青施工技術(shù)要求135℃黏度<3 Pa·s,表明聚氨酯結(jié)合料具有足夠的施工可操作時(shí)間。聚氨酯布氏黏度的變化和固化強(qiáng)度的形成有關(guān),體系的初始溫度對(duì)體系的流變性和固化有明顯的影響[15],高的初始溫度對(duì)應(yīng)于低的黏度和快速的凝膠。
圖9 不同溫度下聚氨酯布氏黏度變化規(guī)律圖
通過車轍試驗(yàn)研究聚氨酯混合料的高溫穩(wěn)定性,進(jìn)行PC-13和SMP-13的車轍試驗(yàn),并與懸浮密實(shí)型基質(zhì)瀝青試件AC-13、骨架密實(shí)型SBS改性瀝青試件(Asphalt Matrix Mixture,SMA-13)進(jìn)行比較,試驗(yàn)溫度為60℃、輪壓為0.7 MPa,車轍試驗(yàn)后試件轍痕如圖10所示,車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。
圖10 車轍痕跡圖
圖11 車轍試驗(yàn)結(jié)果圖
由車轍試驗(yàn)結(jié)果可知,PC-13混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別是AC-13、SMA-13混合料的42和18倍,SMP-13混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別是AC-13、SMA-13混合料的18和9倍,且聚氨酯混合料的車轍深度遠(yuǎn)小于AC-13、SMA-13混合料的車轍深度,表明聚氨酯混合料的高溫性能非常優(yōu)異。分析原因,聚氨酯膠黏劑固化后形成了交聯(lián)網(wǎng)狀體系,體系黏結(jié)力大,同時(shí)對(duì)集料的裹覆力也大大加強(qiáng)[18],體系受溫度影響小,使得聚氨酯混合料的高溫穩(wěn)定性得到較大提升。
通過低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)聚氨酯混合料的低溫穩(wěn)定性,切割車轍板成型PC-13和SMP-13混合料小梁試件,荷載加載速率為50 mm/min、溫度為-10℃,并與懸浮密實(shí)基質(zhì)瀝青試件(AC-13)、骨架密實(shí)型SBS改性瀝青試件(SMA-13)進(jìn)行對(duì)比分析,低溫小梁如圖12所示,試驗(yàn)結(jié)果見表6。
圖12 低溫小梁圖
表6 低溫小梁試驗(yàn)結(jié)果表
分析表6可知,對(duì)于兩種結(jié)構(gòu)的聚氨酯混合料,PC-13混合料在-10℃下被破壞時(shí)的跨中撓度和彎拉應(yīng)變均最大,對(duì)應(yīng)的彎拉勁度模量低,低溫性能良好,而SMP-13混合料在-10℃下破壞時(shí)的跨中撓度和彎拉應(yīng)變均較大,彎拉勁度模量最小,低溫性能良好。與AC-13和SMA-13混合料相比,PC-13混合料的低溫彎曲應(yīng)變分別是AC-13、SMA-13混合料的2.3和2.1倍,SMP-13混合料的低溫彎曲應(yīng)變分別是AC-13、SMA-13混合料的2和1.8倍,表明聚氨酯混合料低溫性能優(yōu)于常規(guī)瀝青混合料。分析原因,聚氨酯結(jié)合料固化后形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有效地穩(wěn)定了混合料結(jié)構(gòu)體系[17],提高了混合料的低溫穩(wěn)定性。
采用劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度比和空隙率等指標(biāo)進(jìn)行密級(jí)配聚氨酯混合料配合比設(shè)計(jì),監(jiān)測(cè)不同環(huán)境溫度下馬歇爾試件強(qiáng)度和體積變化,研究不同溫度下聚氨酯布氏黏度變化,進(jìn)行車轍試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn),主要得到以下結(jié)論:
(1)PC-13和SMP-13的最佳膠石比為4.5%。密實(shí)結(jié)構(gòu)聚氨酯混合料完全固化時(shí)間約為96 h,環(huán)境溫度>30℃時(shí),建議施工后18 h開放交通;環(huán)境溫度為20~30℃時(shí),建議施工48 h后開放交通。20~40℃環(huán)境溫度下,施工可操作時(shí)間>7.5 h,滿足施工要求。密實(shí)結(jié)構(gòu)聚氨酯混合料的高低溫穩(wěn)定性均優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料。
(2)根據(jù)路面結(jié)合料的功能和使用特點(diǎn)所開發(fā)的聚氨酯結(jié)合料較少,性能有待優(yōu)化;對(duì)于混合料體積膨脹問題是否對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響需要進(jìn)一步分析;聚氨酯混合料的水穩(wěn)定性能和疲勞性能以及聚氨酯混合料空隙率測(cè)試和計(jì)算方法仍需開展進(jìn)一步研究。