聚氨酯多孔弹性混合料水稳定性影响因素研究

孙晟凯， 汤 雄， 雷 俊， 刘 丽

(四川省交通建设集团股份有限公司， 成都 610000)

随着海绵城市、宁静路面建设理念不断推广，对道路功能性和舒适性的要求逐渐提高，具有排水、降噪等功能的聚氨酯多孔弹性路面逐渐被应用到城市道路中[1-2]。聚氨酯多孔弹性混合料由聚氨酯黏结剂、橡胶颗粒和石料拌和而成[3]，相较于普通沥青混合料具有空隙率大、橡胶颗粒掺量高等特点[4-5]。由于聚氨酯多孔弹性混合料空隙率较大，使得雨天雨水易流入路面内部，进而引发水损害[6-7]。现有研究主要集中于聚氨酯混合料的路用性能。Torzs等[8]使用聚氨酯代替传统的沥青作为一种新型黏合剂与混合物相拌，发现聚氨酯用量为5%左右时，混合料具有较好的抗压、抗拉和抗弯性能，但是水稳定性较差。Sun等[9-10]针对聚合物改性沥青贮存稳定性差、易离析、水损害等问题，制备出了聚氨酯改性沥青对其改性机理进行了研究，发现聚氨酯改性沥青高温性能优于普通SBS改性沥青，但水稳定性并没有得到改善。舒睿等[11]研究了单组分聚氨酯材料微观性能以及聚氨酯与混合物之间的相互联系，随后对路用性能进行测试，结果显示，聚氨酯混合料高低温性能十分显著，但水稳定性能并不理想。孙铭鑫[12]选择聚氨酯作为黏结剂和大孔隙结构，研究了聚氨酯混合料的路用性能和降噪性能，结果发现该混合料具有出色的高温稳定性和低温抗裂性，但水稳定性略待提高。

综上所述，聚氨酯多孔弹性混合料存在水稳定性较差等问题，但较少涉及聚氨酯种类、橡胶颗粒替换量、级配等影响因素对多孔弹性混合料水稳定性的影响研究[13-14]。为此，本文基于浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和浸水飞散试验，分别测试了不同聚氨酯黏结剂、橡胶颗粒替换量、级配3种工况下聚氨酯多孔弹性混合料的水稳定性。

1 原材料

选取5种道路工程常用的聚醚型单组分聚氨酯黏结剂，分别命名为PU-I、PU-II、PU-III、PU-IV、PU-V，其技术指标见表1。5种聚氨酯具有较好的黏附性、抗腐蚀性和较高的强度，适用于道路工程中。

表1 聚氨酯技术指标

常用的石料有花岗岩、石灰岩和玄武岩。其中玄武岩的磨光值最大，与聚氨酯胶黏剂的吸附性好[15-16]。为此本文采用玄武岩集料制备聚氨酯多孔弹性混合料，其力学参数见表2。

表2 石料技术指标

橡胶颗粒是聚氨酯多孔弹性混合料最主要的成分，其粒径大小、粗糙程度等特征对混合料有重要的影响[17]。为了使橡胶颗粒与混合料之间更好地融合，采用等体积置换的方法代替部分石料。本文使用的橡胶颗粒为废旧轮胎橡胶颗粒，其力学参数见表3。

表3 橡胶技术指标

2 试验方法

本文采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和肯塔堡飞散试验评价聚氨酯多孔弹性混合料的水稳定性[18]。

2.1 浸水马歇尔试验

该试验需要对两组样品进行测试，然后将它们进行对比。具体试验步骤为将两组样品存置在一定温度的水箱中，温度设定为60 ℃，第1组样品保温时间为40 min，测试其马歇尔稳定度(MS0)；第2组样品保温时间为2 d，测试其马歇尔稳定度(MS1)，马歇尔残留稳定度(MSR)根据式(1)求得。

(1)

式中：MS0为浸水40 min后的稳定度，kN；MS1为浸水48 h后的稳定度，kN；MSR为马歇尔稳定度，%。

2.2 冻融劈裂试验

该试验需要对两组样品进行测试。第1组置于室温下进行存放；将第2组样品采用饱水试验方法在(98±0.7) kPa真空下储存；随后在样品表面喷洒一层清水，采用密封的袋子将样品进行包裹后放入零下18 ℃冰库中维持16 h；最后将样品放入60 ℃水箱中储存1 d。采用稳定度试验仪进行试验，抗拉强度比(TSR)按式(2)计算。

(2)

式中：R0为无冻融循环试样的抗拉强度，kN；RFT为一次冻融循环后试样的抗拉强度，kN；TSR为抗拉强度比，%。

2.3 浸水飞散试验

该试验是将成型的样品在60 ℃温度的水箱中存置2 d，然后将样品取出后在常温下存置1 d，最后在磨耗仪中进行300次旋转。试验前后分别测定了马歇尔试件的初始质量和最终质量。质量损失可用于表征混合物的水稳定性，其计算公式为

(3)

式中：m0为初试质量，kg；m1为最终质量，kg；Rm为质量损失率，%。

3 聚氨酯混合料水稳定性分析

3.1 不同聚氨酯种类对混合料水稳定性的影响规律

为探究不同聚氨酯黏结剂对多孔弹性混合料水稳定性影响情况，本文采用5种不同的聚醚性单组分聚氨酯黏结剂(PU-I、PU-II、PU-III、PU-IV、PU-V)，采用PAC-13-II级配通过等体积替换20%的橡胶颗粒后进行测试。级配见表4。水稳定性试验结果如图1、图2所示。

表4 PAC-13-II级配组成设计

图1 不同聚氨酯黏结剂对MSR和TSR的影响

图2 不同聚氨酯黏结剂对Rm的影响

由图1、图2可以看出，PU-III多孔弹性混合料的MSR和TSR在5种聚氨酯混合料中为最大值，质量损失率Rm在5种聚氨酯混合料中为最小值。其马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比分别达到了87.4%和81.5%，相较于PU-IV多孔弹性混合料分别增加了8.1%和13.2%。浸水飞散试验的质量损失为2.6%，相较PU-IV多孔弹性混合料降低了9.2%。说明PU-III多孔弹性混合料水稳定性最好，PU-IV多孔弹性混合料水稳定性最差。这是因为PU-IV聚氨酯黏结剂的黏结力较低，与石料和橡胶颗粒黏附性较差，导致其水稳定性较弱。因此在实际工程当中聚氨酯结合料的比选尤为重要，黏结力高的聚氨酯其混合料的水稳定性能较好。

3.2 不同橡胶颗粒替换量对聚氨酯多孔混合料水稳定性的影响规律

为探究橡胶颗粒对聚氨酯多孔弹性混合料水稳定性影响情况，本文以PU-III型聚氨酯黏结剂和PERS级配为研究对象，将橡胶颗粒筛分为1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm后与石料进行等体积替换，体积替换比分别为0%、12.5%、25%，研究不同橡胶颗粒替换量对聚氨酯多孔混合料水稳定性的影响。PERS级配见表5。试验结果如图3、图4所示。

表5 PERS级配组成设计

图3 不同橡胶颗粒替换量对MSR和TSR的影响

图4 不同橡胶颗粒替换量对Rm的影响

由图3、图4可以看出，随着橡胶颗粒替换量的增加，聚氨酯多孔弹性混合料MSR和TSR逐渐增大，浸水飞散试验的质量损失Rm近似线性减小。当橡胶颗粒替换量达到25%时，其MSR和TSR分别达到了87.3%和81.4%。较未掺加橡胶颗粒状态下分别提高了16.8%和13.5%。橡胶颗粒替换量达到25%时，其浸水飞散试验的质量损失为12.6%，较未掺加橡胶颗粒状态下降低了14.7%。说明橡胶颗粒的加入提高了聚氨酯多孔弹性混合料的水稳定性，这是由于橡胶颗粒和聚氨酯均为有机高分子材料，二者分子极性较为接近，橡胶颗粒掺量越高，聚氨酯与集料的黏结效果越好，混合料的水稳定性越高。此外当橡胶颗粒掺量达到25%，聚氨酯多孔弹性混合料Rm平均值只有12.6%，完全满足规范要求。解决了大孔隙结构抗飞散性较差的问题，说明聚氨酯多孔弹性混合料抗飞散性能更好。

3.3 不同级配对聚氨酯多孔弹性混合料水稳定性的影响规律

为探究不同级配对聚氨酯多孔弹性混合料水稳定性影响，本文采用PU-III型聚氨酯黏结剂替换0%橡胶颗粒后对PERS、PAC-13-I、PAC-13-II、OGFC四种不同级配进行浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和浸水飞散试验。PAC-13-II见表3，PERS见表4，PAC-13-I和OGFC见表6、表7。通过测量得到PERS平均空隙率为25%，PAC-13-I平均空隙率为19%，PAC-13-II平均空隙率为17%，OGFC平均空隙率为15%。具体水稳定性试验结果如图5、图6所示。

表6 PAC-13-I级配组成设计

表7 OGFC级配组成设计

图5 不同级配对MSR和TSR的影响

图6 不同级配对Rm的影响

从图5、图6可以看出，不同级配的聚氨酯多孔弹性混合料TSR和MSR有很大差异。其中空隙率最小的是PERS级配，其MSR和TSR分别为70.5%和67.9%，相较于OGFC级配分别下降了19.2%和15.5%。浸水飞散试验的质量损失Rm为23.7%，相较于OGFC级配增加了22.3%。说明掺加细集料有利于提高聚氨酯混合料的水稳定性。PERS级配的水稳定性最差，这是因为当进行冻融劈裂试验时混合料内部结构容易变形，导致强度和稳定性降低。在磨耗仪的滚筒内进行飞散时，大部分集料都比较容易脱落。在实际工程当中应控制空隙率大小，从而保证道路的水稳定性，防止路面发生水损害。

4 结论

1)由5种不同聚氨酯材料的水稳定性试验结果可以看出，PU-III聚氨酯多孔弹性混合料水稳定性最好，PU-IV混合料水稳定性最差。在实际工程当中应比选不同聚氨酯黏结剂，改善路面的水稳定性。

2)当橡胶颗粒替换量不断增多时，聚氨酯多孔弹性混合料的MSR和TSR呈线性增长，飞散损失Rm有不同程度的降低，说明橡胶颗粒对聚氨酯多孔弹性混合料水稳定性的增长有促进作用。

3)PAC-13-I、PAC-13-II和OGFC级配的聚氨酯多孔弹性混合料MSR和TSR高于PERS，且所用级配的空隙率与其水稳定性负增长，说明细集料的加入有利于提高聚氨酯多孔弹性混合料的水稳定性。为满足路用性能的同时保证混合料具有较大的空隙率，因此本文推荐选择PAC-13-I级配制备聚氨酯多孔弹性混合料。