聚氢酯橡胶沥青混合料应用研究

□文/王亮

聚氢酯橡胶沥青混合料应用研究

□文/王亮

研究开发了一种新型路面材料——聚氨酯稳定橡胶颗粒混合料。它是以符合一定比例要求的矿质材料与废旧橡胶颗粒组成的混合物为骨架，采用聚氨酯树脂作为结合料，经室温条件下拌和形成的的路面材料。基于胶膜厚和马歇尔稳定度两项指标，进行了聚氨酯稳定橡胶颗粒混合料的配合比设计；开展了有关路用性能研究；分别采用了热老化试验、浸水肯塔堡磨耗试验以及盐冻试验对混合料的耐久性能进行了系统的试验分析；同时模拟车辆轮碾作用，以路面摩擦系数为指标进行了新型路面材料除冰性能的研究。通过与普通沥青混合料以及废橡胶沥青混合料的对比，结果表明：采用聚氨酯粘合剂的聚氨酯废旧橡胶颗粒混合料具有良好的路用性能和耐久性并具有良好的自应力除冰效果。

聚氨酯；橡胶；沥青；混合料

相对于化学除冰而言物理除冰具有不损害路面、除冰效果显著、经济环保等优势。经试验研究发现混合料中加入一定量的橡胶颗粒就可以起到路面破冰除雪的效果，同时又不会破坏生态环境和利用大量废旧轮胎［1～4］。但是对已有的橡胶颗粒沥青混合料的使用研究发现，橡胶颗粒沥青路面虽然可以解决路面冰雪问题，但是普遍存在水稳定性差的问题，而这对道路的使用性能和耐久性造成了很大危害。为弥补橡胶颗粒改性沥青混合料的不足，本文提出了一种新型聚氨酯稳定橡胶颗粒路面材料，主要以聚氨酯作为结合料并加入少量的沥青及机油，利用干拌法掺加废旧橡胶颗粒，经一定温度拌和成型的一种路用混合料并已申请国家专利。本文主要对聚氨酯废旧橡胶混合料的级配组成、拌和成型工艺、路用性能、耐久性能和除冰性能进行室内试验的研究分析。

1　原材料的选择与级配

1.1原材料

1.1.1聚氨酯粘结剂

聚氨酯粘合剂是由多元异氰酸酯与聚酯等多羟基化合物通过缩聚反应而生成，其分子链中含有极性和活泼性很好的异氰酸酯基（—NCO）和氨基甲酸酯这种分子团极易与含有活泼氢的化合物起作用，所以聚氨酯粘合剂具有很强的粘附性能［5］，见表1。聚氨酯粘合剂以其具有高强度、耐腐蚀、环保、经济的优势适用于各行各业。

表1　聚氢酯粘合剂技术指标

1.1.2废旧橡胶颗粒

本文中所采用的橡胶颗粒均为废旧轮胎橡胶颗粒。采用粒径0～4 mm的橡胶颗粒对集料进行替换。本文所采用的橡胶颗粒具体技术指标：含水量0.15%、表观密度1.167、橡胶烃类含量26%、邵氏硬度63，均符合研究技术标准。

1.1.3砂石集料

研究所采用粗细集料各项技术性能指标良好，均满足相应规范要求［6］。

1.1.4沥青及油脂

为保证施工和易性，混合料中需要加入少量的沥青和油脂并且可在一定程度上降低混合料的造价。沥青采用基质沥青A级70#沥青，其主要技术指标均满足规范要求。油脂采用一般的机油。

1.2配合比设计

1.2.1混合料的级配组成

经过研究分析，在原材料的基础上，加入20%（体积）的废旧橡胶颗粒，采用连续级配AC-13，各个级配筛孔通过率见表2。

表2　备个级配筛孔通过率%

研究结合最佳沥青用量确定的方法来确定最佳用胶量，首先根据估算聚氨酯粘合剂膜的厚度确定初始用胶量，然后采用马歇尔试验方法确定最终用胶量，最后得到最佳胶石比为12%。依据拌和和易性及孔隙率对不同沥青和油脂用量的试验方案进行对比试验研究，得到最佳的沥青和油脂用量［7］分别：（沥青+油脂）/聚氨酯粘合剂用量为1∶4、沥青/油脂为3∶1。

1.2.2混合料的拌和成型工艺

首先石料和矿粉180 ℃加热1 h冷却至室温，废旧橡胶颗粒60 ℃加热4 h冷却至室温，然后石料和废旧橡胶颗粒加入拌和锅干拌60 s，接着加入常温聚氨酯粘结剂在60 ℃温度下拌和90 s，接着加入矿粉拌和60 s，最后拌和完成聚氨酯废旧橡胶颗粒混合料。本研究采用一次成型方式进行混合料室内成型。

2　聚氢酯废旧橡胶混合料路用性能研究

2.1高温稳定性

高温稳定性是沥青路面最关链的指标之一，车辙试验是评价沥青混合料高温稳定性的室内试验方法，按照T 0719-2011《沥青混合料车辙试验》条件进行测定。试验结果见表3。

表3　聚氢酯废旧橡胶混合料车辙试验结果次/mm

由表3可以看出，聚氨酯废旧橡胶颗粒混合料的平均动稳定度最高，是普通沥青混合料的平均动稳定度10倍以上，是橡胶沥青混合料的平均动稳定度的3倍以上，远大于设计要求中规定的普通沥青混合料≮800次/mm、改性沥青混合料≮2 800次/mm的要求，可见聚氨酯废旧橡胶混合料具有优良的高温抗车辙性能。

2.2水稳定性

路面发生破坏的主要病害其中就包括水损害，沥青混合料自身的抗水损害能力是决定路面的水稳定性的根本性因素。本文采用浸水马歇尔试验来判定聚氨酯橡胶混合料的水稳定性［8～9］。试验结果见表4。

表4　浸水马歇尔试验结果%

由表4可以看出，聚氨酯橡胶混合料的残留稳定度满足规范要求，虽然低于普通沥青混合料，但是要高于橡胶沥青混合料，这也就说明聚氨酯废旧橡胶混合料在水稳定性方面要优于橡胶沥青混合料，具有良好的抵抗水损害的能力。

2.3渗水性能

在雨雪天气，即使路面材料本身具有较强的水稳定性，但如果渗水严重的话，同样不能保证这条路的使用性能，这就要求路面材料具有足够的抗渗能力，因此本文对其进行了渗水试验，试验结果见表5。

表5　渗水试验结果mL/min

由表5可知，聚氨酯橡胶混合料的渗水系数大大低于普通沥青混合料和橡胶沥青混合料的渗水系数，同时远远符合规范所要求的范围，表明聚氨酯废旧橡胶混合料具有较强的抗渗能力。

3　聚氢酯橡胶混合料耐久性研究

3.1聚氢酯橡胶混合料的老化试验研究

对于聚氨酯橡胶混合料可以在常温下拌和的特点，老化性能试验采用长期老化试验［10］，按照沥青混合料长期老化试验规范进行。聚氨酯橡胶混合料老化试验前后结果见表6。

表6　老化试验前后结果对比

由表6可知，老化后的聚氨酯混合料的空隙率变大，但是仍符合规范要求，稳定度数值基本没有变化，说明老化后的混合料仍具有良好的高温稳定性。其劈裂强度比有所降低，说明老化后混合料的水稳定性有所降低，但仍符合规范要求。

3.2聚氢酯橡胶混合料的磨耗试验研究

为评定聚氨酯橡胶混合料在交通荷载反复作用下混合料的抗剥落以及其粘结性能，本文对聚氨酯橡胶混合料进行了室内磨耗试验，采用肯塔堡飞散试验方法，试验结果见表7。

表7　肯塔堡飞散试验结果%

由表7可知，聚氨酯橡胶混合料飞散损失率都比较小，均＜1%，远远优于规范所要求的范围，说明聚氨酯橡胶混合料在抗松散剥落和抗冲击性能方面具有很大的优势。

3.3聚氢酯橡胶混合料盐冻试验研究

在寒冷的冬季，路面受到冰雪冻融的危害，为除冰大量使用除冰盐，对路面造成损害。为直观的分析聚氨酯橡胶混合料在冻融和盐同时作用下的性能变化，本文结合水泥混凝土室内盐冻试验方法对聚氨酯废旧橡胶混合料进行了盐冻试验，试验结果见表8。

表8　盐冻试验结果%

由表8可知，随着盐溶液浓度的升高，聚氨酯橡胶混合料的质量损失率都有所上升，但是损失率基本＜3%，表明此级配在粘结性和空隙率方面占优势，可以很好抵抗盐溶液的侵蚀。同时随着盐溶液浓度的增加，聚氨酯橡胶混合料的劈裂强度比有所下降，但完全符合要求。综合盐冻试验上述两个指标表明聚氨酯混合料具有良好的耐久性。

4　聚氢酯橡胶颗粒混合料除冰性能的研究

聚氨酯橡胶颗粒混合料作为新型路面材料，主要是为解决冬季路面冰雪问题。本文以室内试验为基础对聚氨酯橡胶颗粒混合料除冰雪性能进行研究。结合路面破冰试验仪设计原理自行改装车辙试验作为除冰雪试验仪，标准轮胎接地压强为0.7 MPa，每碾压10 min，迅速将试板取出，测试轮迹带内BPN值，然后再放回，重复此过程，累计碾压70 min后终止试验。综合考虑冬季降雪时气温以及路表能够结冰，试验温度设定为-5 ℃。利用摆式摩擦仪测定试车辙板试件摆值（BPN值）来表示破冰效果。

4.1试验现象

试验现象见图1。

图1　除冰效果1

由图1可以看到，经过相同时间车轮荷载的反复作用，普通沥青混凝土车辙板表面的冰层没有明显破碎，橡胶沥青混合料出现较为明显的破碎带，但没有聚氨酯橡胶颗粒混合料车辙板表面的冰层破碎明显。

4.2除冰效果分析

对混合料进行除冰试验，分别测定其BPN变化值，试验结果见图2。

图2　除冰试验BPN变化情况

由图3可知，随着车轮荷载的反复作用下，普通沥青混合料BPN值略有回升，但是变化不大，说明普通沥青混合料不具有破除冰的功能。橡胶沥青混合料和聚氨酯橡胶颗粒混合料的车辙板的BPN值都有明显的增加，但聚氨酯橡胶混合料的BPN值增加更大，最终表面冰层逐渐消失，路面裸露出来，BPN的最终值和未进行破冰试验的车辙板的BPN值接近。

5　结语

本文研究开发了一种新型的聚氨酯稳定橡胶路面材料并基于胶膜厚和马歇尔稳定度两项指标，进行了聚氨酯稳定橡胶颗粒混合料的配合比设计，研究并提出了这种材料的合理级配组成及其拌和成型工艺。

通过对路用性能进行室内试验，结果表明：聚氨酯橡胶混合料的路用性能普遍超过或达到普通沥青混合料以及橡胶沥青混合料的各项性能指标，满足其路面使用要求。

分别采用了热老化试验、浸水肯塔堡磨耗试验以及盐冻试验对混合料的耐久性能进行了系统的试验分析，结果表明：聚氨酯混合料抗老化性能显著，表面颗粒不易脱落，具有良好的抗剥落性能，同时具有很好的抵抗盐冻的能力。总的来看聚氨酯橡胶混合料具有良好的耐久性。

模拟车辆轮碾作用，以路面摩擦系数为指标进行了新型路面材料除冰性能的研究，结果表明：聚氨酯橡胶混合料除冰效果优于橡胶沥青混合料，具有更强的自应力除冰能力。

聚氨酯废旧橡胶路面材料作为一种新型的路面材料，具有良好的路用性能、耐久性能和除冰效果，同时可以减少对环境的污染和充分利用废旧轮胎，直接与间接经济效益非常可观，具有进一步研究和推广价值。

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U414

C

1OO8-3197（2O16）O1-64-O4

2O16-O1-O8

王亮/男，1983年出生，工程师，上海市城市建设设计研究总院天津分院，从事市政工程设计工作。

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