聚氨酯弹性材料组成设计及路用性能研究

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'聚氨酯弹性材料组成设计及路用性能研究'
分类号:U414 10710-2015121176 硕 士 学 位 论 文 聚氨酯弹性材料组成设计及路用性能研究 仝玎朔 导师姓名职称 沙爱民 教授 申请学位类别 硕士 学科专业名称 道路与铁道工程 论文提交日期 2018 年 4 月 17 日 论文答辩日期 2018 年 5 月 11 日 学位授予单位 长安大学 Study on Composition Design and Pavement Performance of Polyurethane Elastic Material A Thesis Submitted for the Degree of Master Candidate::Tong Dingshuo Supervisor::Prof. Sha Aimin Chang’an University, Xi’an, China i 摘 要 我国北方地区经常出现道路结冰现象,冰层会降低路面的摩擦系数且附着在路表难 以清除,严重影响交通安全。国内外对此做了大量研究,提出了多种用于路表除冰的功 能型路面,本文在以上研究的基础上,使用聚氨酯胶粘剂、石料和橡胶颗粒作为原料并 以一定的配合比和成型方法得到一种新型路用材料,该种材料具有较好的弹性性能,在 车辆荷载的作用下发生较大变形从而达到除冰、抑冰的目的。 本文针对聚氨酯弹性材料的特点,提出了满足该种材料使用的性能要求,并根据该 要求选取了适宜的原材料。对比不同粒径橡胶颗粒对混合料强度和水稳定性能的影响, 确定了橡胶颗粒的掺入粒径。 本文通过对聚氨酯弹性材料进行配合比设计,选取了适宜的石料级配和橡胶颗粒掺 入方式,提出采用飞散损失率和劈裂强度作为配合比设计的控制指标,分析了不同胶水 用量和橡胶颗粒掺量对混合料性能的影响,并提出了聚氨酯弹性材料最佳用胶量的确定 方法。通过对混合料的成型方法进行研究,确定了混合料的最佳拌合温度、最佳拌合时 间和最佳击实方式。对混合料的养护工艺进行研究,分析了养护温度和时间对混合料试 件强度的影响。 通过对聚氨酯弹性材料的路用性能试验,分析了橡胶颗粒掺量和胶水用量对混合料 抗车辙性能、水稳定性能、弯曲性能、疲劳性能和抗滑性能的影响,试验结果表明:在 较高的胶水用量和适宜的橡胶颗粒掺量情况下,混合料的路用性能良好。为了研究聚氨 酯弹性材料的除冰机理及除冰效果,本文采用 ABAQUS 有限元软件进行仿真,分析了 荷载作用下聚氨酯弹性材料表面冰层的应力响应,以及弹性层厚度、弹性层模量、冰层 厚度等因素对冰层应力响应的影响,采用室内试验的方式,对该种材料的除冰效果进行 了验证。 关键词:道路工程,路面结冰,橡胶颗粒,聚氨酯胶粘剂,配合比设计 ii Abstract The phenomenon of road icing often occurs in the northern part of China. The ice layer will reduce the friction coefficient of the road surface, and it is difficult to remove from the road surface, which will seriously affect the traffic safety. A lot of research has been done at home and abroad, and a variety of functional pavement used for road surface deicing is put forward. On the basis of the above research, this paper uses polyurethane adhesive, stone material and rubber particles as raw materials and obtains a new road material with certain mix design and molding method. The material has good elastic properties, under the action of vehicle load, large deformation occurs in the pavement, so as to achieve the purpose of clearing ice. In view of the characteristics of polyurethane elastic material, this paper puts forward the performance requirements to meet the requirements of this material, and selects suitable raw materials according to the requirements. The effect of rubber particles size on the strength and water stability of mixture is studied, and the particle size of rubber particles is determined. In this paper, through the mix design of polyurethane elastic material, the suitable stone gradation and rubber particle mixing method are selected. Choose the cantabro loss rate and splitting strength as the mix design control index. The effects of different amount of glue and rubber particles on the properties of the mixture are analyzed. The method for determining the optimum glue consumption of polyurethane elastomers is also presented. By studying the forming method of mixture, the best mixing temperature, mixing time and compaction mode are determined. The curing process of the mixture is studied, and the influence of curing temperature and time on the strength of the mixture is also studied. Through the test of road performance of polyurethane elastic material, the effects of rubber particle dosage and glue amount on the anti-rutting performance, water stability, bending, fatigue and skid resistance of the mixture are analyzed. The experimental results show that the road performance of the mixture is good under the condition of higher glue dosage and suitable rubber particle dosage. In order to study the deicing mechanism and deicing effect of polyurethane elastomers, ABAQUS finite element software is used for simulation. The stress iii response of the surface ice layer of the polyurethane elastic material under loading, and the influence of the elastic layer thickness, the elastic layer modulus and the thickness of the ice layer on the stress response of the ice layer are analyzed. The deicing effect of the polyurethane elastic material is verified by indoor test. Key words: road engineering, pavement icing, rubber particles, polyurethane adhesives, mixture ratio design iv 目目 录录 第一章 绪论 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 道路用聚氨酯材料研究现状 2 1.2.2 弹性除冰雪路面研究现状 5 1.3 本文主要研究内容 . 7 1.4 技术路线 . 8 第二章 聚氨酯弹性材料的原材料技术指标 10 2.1 聚氨酯胶粘剂 . 10 2.1.1 聚氨酯胶粘剂的选择 10 2.1.2 聚氨酯胶粘剂有效质量确定 . 11 2.2 橡胶颗粒 . 12 2.2.1 橡胶颗粒的选择 12 2.2.2 橡胶颗粒的技术指标测定 12 2.3 石料 . 15 2.3.1 石料的选择 15 2.3.2 石料的技术指标测定 15 2.4 橡胶颗粒掺入方式 . 16 2.4.1 橡胶颗粒掺入方式确定 16 2.4.2 橡胶颗粒掺入粒径的确定 17 2.5 本章小结 . 19 第三章 聚氨酯弹性材料的材料组成设计 20 3.1 配合比设计 . 20 3.1.1 橡胶颗粒掺量的确定 20 3.1.2 混合料结构类型的确定 20 3.1.3 级配设计 21 3.1.4 胶结料用量估算 22 3.2 配合比试验 . 24 3.2.1 试验指标的选取 24 3.2.2 体积指标 26 3.2.3 混合料肯塔堡飞散试验 28 3.2.4 混合料劈裂试验 30 3.2.5 最佳胶水用量的确定 32 v 3.3 聚氨酯弹性材料试件成型工艺 . 33 3.3.1 聚氨酯弹性材料的拌合工艺 34 3.3.2 聚氨酯混合料成型工艺 36 3.3.3 小结 38 3.4 聚氨酯弹性材料试件养护 . 39 3.4.1 聚氨酯弹性材料的强度形成机理 39 3.4.2 养护温度对聚氨酯弹性材料强度形成的影响 40 3.4.3 养护时间对聚氨酯弹性材料强度形成的影响 41 3.4.4 小结 42 3.5 本章小结 . 42 第四章 聚氨酯弹性材料的路用性能 44 4.1 抗车辙能力 . 44 4.1.1 抗车辙能力评价方法及适用性 44 4.1.2 橡胶颗粒掺量对抗车辙性能的影响 45 4.1.3 胶水用量对抗车辙性能的影响 46 4.2 水稳定性 . 47 4.2.1 试验方法 47 4.2.2 橡胶颗粒掺量对水稳定性的影响 48 4.2.3 胶水用量对水稳定性的影响 49 4.3 弯曲性能 . 51 4.3.1 试验方法 51 4.3.2 橡胶颗粒掺量对弯曲性能的影响 52 4.3.3 胶水用量对弯曲性能的影响 54 4.4 疲劳性能 . 56 4.4.1 试验方法 56 4.4.2 试验结果及分析 57 4.5 抗滑性能 . 58 4.5.1 抗滑性能测试方法及适用性 58 4.5.2 橡胶颗粒掺量对抗滑性能的影响 59 4.5.3 胶水用量对抗滑性能的影响 60 4.5.4 长期抗滑性能 61 4.6 本章小结 . 62 第五章 聚氨酯弹性材料除冰试验及机理分析 64 5.1 路面冰层特性分析 . 64 5.1.1 冰的物理力学特性 64 5.1.2 荷载作用下路面冰层的破坏特征 65 vi 5.2 室内除冰试验 . 65 5.2.1 试验方法 65 5.2.2 除冰试验现象及分析 66 5.2.3 橡胶颗粒掺量对除冰效果的影响 68 5.2.4 冰层厚度对除冰效果的影响 69 5.3 聚氨酯弹性材料路面冰层的有限元模拟 . 69 5.3.1 有限元模型的建立 69 5.3.2 聚氨酯弹性材料路面冰层受力分析 71 5.4 冰层应力响应影响因素研究 . 75 5.4.1 弹性层厚度对冰层应力响应的影响 75 5.4.2 弹性层模量对冰层应力响应的影响 77 5.4.3 路表冰层厚度对冰层应力响应的影响 79 5.5 本章小结 . 81 主要结论及进一步研究建议 82 主要结论 82 进一步研究建议 83 参考文献 85 致 谢 89 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 我国北方地区气温较低,冬季的最低气温在 0℃以下,当发生降雨或降雪时,公路 和城市道路的表面会在汽车轮胎的反复碾压下形成冰层。由于冰层的存在,路面的附着 系数减小,汽车轮胎的附着力也随之减小,车辆在行驶的过程中极易发生打滑、侧移, 造成交通事故。尤其在一些特殊路段,如盘山公路下坡路段、市政道路平交口等需要车 辆频繁制动的路段,车辆在紧急制动的情况下其方向会失去控制,从而造成严重的后果 [1]。 图图 1.1 冬季道路结冰冬季道路结冰 目前,道路养护部门一般采用以下几种方法来去除道路表面的冰层:清除法,主要 依靠人力或除雪机械清扫道路表面的积雪,该方法费时费力,效率较低,如遇到强降水 天气,清扫过后的路面很快就又被新的积雪覆盖;融化法,如在道路表面撒布融雪剂, 但是大量撒布融雪剂还会造成环保问题,在道路内部铺设热管,该种方法效果较好并且 不影响交通,但是成本较高且技术复杂;抑制法,如铺设抗冰涂层和自应力弹性路面, 该种方法效果好,成本低,抑制道路冰层的形成也就从根本上解决了道路结冰的问题, 但橡胶颗粒沥青混合料存在耐久性较差的问题,因此其推广应用受到限制[2-6]。 同时,我国作为工业大国,每年会产生大量的废旧橡胶,仅废旧轮胎的产量就多达 140 万吨/年,而回收量不到 20 万吨/年[7]。对于大部分废旧橡胶多采用填埋、焚烧甚至 随意丢弃的方式处理,由于废旧橡胶内含有有毒有害的化学成分,在自然环境下又难以 长安大学硕士学位论文 2 降解, 因此带来了严峻的环境污染问题[8]。 废旧橡胶的回收方式有以下几种: 直接利用, 如废旧轮胎可以作为防撞设施布置到道路两侧;燃烧热能利用,如将废旧橡胶无害化处 理后,用作发电厂的燃料;制成胶粉再利用,利用物理剪切或冰冻破碎的方法,将废旧 橡胶制作成一定规格的胶粉,用作沥青的改性或其他混合料的外加剂[9]。 针对以上问题,有学者提出将废旧橡胶颗粒添加到沥青混合料中,形成了一种具有 一定变形能力的新型路面材料[10]。 由该种材料铺筑形成的路面在行车荷载的作用下会产 生局部变形,在车轮的反复碾压下可以抑制道路冰层的形成,并且可以使已经形成的冰 层开裂破碎,达到除冰雪的目的[11]。该种路面材料不仅解决了道路结冰的问题,同时消 耗了大量的废旧橡胶颗粒,一举两得。但一系列的研究发现,由于在沥青混合料中加入 了橡胶颗粒, 改变了混合料的结构和材料间的接触状态, 橡胶颗粒容易从道路表面脱落, 影响了道路的使用性能[12]。 为了能够改善以上问题,有学者提出使用聚合物胶粘剂、橡胶颗粒和石料以一定的 比例组成一种新型路面材料, 该种路面材料弹性模量较小, 车辆行驶时会发生较大形变, 冰层内部产生裂纹并破碎。在聚合物胶粘剂的选择方面,环氧树脂和聚氨酯胶粘剂是使 用最广泛的两种聚合物胶粘剂,但是环氧树脂的在低温环境下的变形性能较差,并不适 用于长期处在低温条件下的橡胶颗粒除冰雪路面,聚氨酯胶粘剂的粘结强度高,稳定性 好,适用性广泛,因此适用于弹性除冰路面材料。现有针对该种材料的研究尚在起步阶 段,设计的方法尚不明确,路用性能也未得到充分验证。本文针对以上为题,对聚氨酯 弹性材料的配合比设计方法、材料成型及养护方法和路用性能及除冰效果进行探究,为 该种新型材料的推广应用提供参考。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 道路用聚氨酯材料研究现状 聚氨酯粘结剂起源于上世纪三十年代的德国,并在航空工程中得到了广泛的应用。 随着合成工艺的改进和新型原材料的出现,聚氨酯粘结剂的应用愈加广泛[13]。聚氨酯粘 结剂分子链中含有氨基甲酸酯基团(-NHCOO-)或异氰酸酯基(-NCO) ,根据所含 基团的不同,聚氨酯粘结剂可以分为两大类:多异氰酸酯和聚氨酯。聚氨酯粘结剂粘结 强度高、水稳定性好,具有良好的高低温性能和较好的稳定性,在汽车制造、制鞋、包 第一章 绪论 3 装、日用品以及交通土建领域应用广泛[14-15]。 根据用途不同,可将聚氨酯胶水分为通用型聚氨酯胶水、建筑用聚氨酯胶水、导电 聚氨酯胶水、压敏聚氨酯胶水、水性聚氨酯胶水等;根据使用方法的不同,又可分为单 组份聚氨酯胶水和双组份聚氨酯胶水两种。单组份聚氨酯胶水操作简单,使用方便,但 是其强度形成较慢。双组份聚氨酯胶水分为主剂和固化剂,使用时需要将固化剂按照一 定比例与主剂混合,搅拌均匀后即可使用。双组份聚氨酯虽然操作稍显复杂,但是可以 通过调节主剂与固化剂的比例来调节固结时间,因此使用范围更大。 随着科学技术的进步和经济水平的发展,以及政府和民众对环境保护的日益重视, 环保型路面在公路工程中的应用也愈加广泛。大孔隙排水降噪路面、弹性除冰雪路面、 尾气吸收路面等新型路面材料在保证路用性能的同时又满足了低碳、环保的要求,是未 来道路材料的发展方向。聚氨酯胶黏剂作为一种新型材料,具有粘结力强、耐久性好以 及环境友好、污染小的特点,已经开始在道路工程中应用。 目前,聚氨酯胶粘剂在道路工程中的应用主要有以下几个方面: (1)道路裂缝修补 沥青路面在温度收缩、地基不均匀沉降以及路面基层的反射作用下会产生裂缝。裂 缝会降低路面的整体性,同时汇集在道路表面的水会顺着裂缝渗入道路基层及路基中, 降低基层和路基的强度, 并且在低温下发生冻胀, 影响行车的同时还会降低路面的寿命。 因此,当沥青路面出现裂缝时应及时进行处理,防止病害进一步发展。目前常采用注浆 法来修补, 即在路面裂缝处用注浆材料进行灌注, 注浆材料固结后会阻止水进一步深入, 并提高路面的整体强度。聚氨酯注浆材料操作简单,流动性好,凝固后强度较高且抗水 害能力强,在路面修补中有着广泛的应用[16]。 张志耕等采用聚氨酯和环氧丙烯酸酯复合的方法得到一种新型灌浆材料,研究表 明该种材料具有较高的韧性及较好的力学性能,在较低的温度下既可以固化,适用于低 温地区[17]。 中南大学的高楠将聚氨酯树脂以改性剂的形式添加的环氧树脂灌浆材料中,对不 同聚氨酯掺量下灌浆材料的物理力学性能进行了研究, 认为当聚氨酯掺量为 50%和 60% 时,灌浆材料与沥青混合料之间的变形协调性最好[18]。 兰州交通大学的王子龙对采用聚氨酯环氧树脂修补水泥混凝土裂缝的技术进行了 长安大学硕士学位论文 4 研究,制得了树脂防护涂层并对细观结构和力学性能进行了测试,该种涂层满足规范要 求。文章采用该种树脂对水泥混凝土裂缝进行修护试验,研究认为随着聚氨酯掺量的增 加,材料的拉伸强度、弯曲强度及断裂伸长率等指标均有所增加。认为修补材料的耐化 学品性能良好,且其修补效果优于水泥净浆[19]。 (2)彩色抗滑层 由于目前路面的材料主要为沥青混合料和水泥混凝土,因此其颜色也以黑色和白色 为主。近些年,有学者提出了彩色路面的概念,五颜六色的路面不但美化了环境,还可 以在一些特殊场景下应用,如城市道路的平交口、公交车道、自行车道等,起到区分道 路功能,引导车辆分流的作用[20]。彩色抗滑层是彩色路面的一种,其采用聚氨酯树脂或 环氧树脂作为胶结料,由于树脂粘结剂本身为无色透明液体,因此可以在其中加入不同 颜色的填料,铺筑成五颜六色的路面。施工时先将路面清扫干净,将彩色树脂胶粘剂按 一定比例充分混合后倒在路面上刮平,然后将陶瓷颗粒骨料均匀撒布到胶水上,等胶水 固化后即可开放交通[21]。彩色抗滑层在世界范围内有着广泛的应用,经调查研究表明该 种抗滑层的应用有利于交通渠化和疏导,且能够提升城市整体的园林绿化水平[22]。 (3)沥青改性剂 随着交通运输业的不断发展,对现有的路用材料提出了新的要求。普通基质沥青难 以应对重载交通、高温、严寒等恶劣环境,因此研究人员使用改性剂对基质沥青进行改 性,从而改善其路用性能,提高道路的质量和服务年限。聚氨酯树脂作为一种聚合物, 具有较好的弹性恢复能力,有学者采用聚氨酯树脂作为改性剂对沥青进行改性,并对沥 青的指标以及沥青混合料的性能进行了研究[23]。 俄罗斯专利 RU 2303613 C1 公开了一种方法,专利中采用聚氨酯作为改性剂对沥青 进行改性, 改性方法是将聚氨酯预聚体与基质沥青在 60~140℃的温度下进行搅拌, 并控 制其搅拌的时间。改性的目的是改善沥青的高低温性能及抗腐蚀性。 北京建筑大学的舒睿对聚氨酯改性沥青进行制备,并对改性沥青及其混合料的性能 进行了研究。研究认为聚氨酯改性沥青的拌合温度为 120℃,时间为 10min。对聚氨酯 改性沥青的固化机理和混合料的强度形成机理进行了研究,并对混合料的路用性能进行 了验证, 认为聚氨酯改性沥青具有较好的高低温性能, 但会降低混合料的水稳定性能[24]。 (4)透水路面 第一章 绪论 5 大孔隙排水降噪路面材料应用已十分广泛,该种材料能够快速排掉道路表面的积水, 提升行车安全性,同时又能将水分补充到土基中,促进了水的循环,而且该种材料还能 有效吸收轮胎噪音,减少了声污染,具有很好的环境保护作用[25]。但是由于材料的空隙 率过大, 集料之间的粘附性较差, 因此路面的耐久性较差。 为了改善排水路面的耐久性, 有学者提出用聚氨酯粘结剂代替沥青作为混合料的胶结料,将粒径在一定范围内的碎石 用聚氨酯粘结剂粘合,铺筑在停车场、公园地坪和人行道,或者作为道路的表面功能层 使用。该种混合料不但具有排水、降噪、环保的优势,其路用性能亦强于一般沥青混合 料,具有广泛的应用前景[26]。 王火明等对多空隙聚氨酯碎石混合料(PPM)的强度和路用性能进行了试验研究。 研究对 PPM 的强度和模量进行了试验, 并对混合料的成型方法、 养护时间、 胶水用量、 空隙率等影响因素进行了研究。针对混合料的耐久性能、抗变形性能、抗滑性能等进行 了试验,研究认为胶水用量 4%~6%时,混合料的抗压强度在 6~10MPa 之间,抗折强度 在 4~6MPa 之间, 混合料具有较好的抗变形、 抗疲劳和抗滑性能, 但是水稳定性一般[27]。 李汝凯等对聚氨酯碎石混合料的胶水用量进行了试验研究,研究采用“非标准肯塔 堡飞散试验”和“析漏试验”对混合料胶水用量范围展开了研究,并提出采用强度作为 混合料的设计指标,分析胶水用量与混合料抗压、抗折强度的关系从而确定最佳胶水用 量[28]。 1.2.2 弹性除冰雪路面研究现状 (1)国外研究现状 目前,弹性除冰路面多采用在沥青混合料中加入部分橡胶颗粒的方式实现,最早的 掺入方式为在刚完工的沥青路面表面压入橡胶弹性体,但橡胶颗粒与路面的粘结性较差, 通车后不久橡胶颗粒便从路表脱落。目前常用的掺入方法是将橡胶颗粒作为集料掺入到 混合料中,并与沥青、石料拌合均匀后进行摊铺。 上世纪 40 年代,美国橡胶回收公司(Rubber Reclaiming Company)首先将废旧橡 胶颗粒作为集料添加到石料中, 加入沥青后拌合得到橡胶颗粒沥青混合料。 上世纪 60 年 代, 美国专家 Charles McDonald 将废旧橡胶颗粒与沥青拌合后得到了橡胶改性沥青, 然 后再与石料拌合得到混合料。上述两种方法就是干法和湿法的雏形[29-30]。 上世纪 80 年代,美国工程兵寒冷地区工程试验室的研究人员将橡胶颗粒加入断级 长安大学硕士学位论文 6 配沥青混合料中,并对不同橡胶掺量的沥青混合料进行了相关实验。试验证明橡胶颗粒 的掺入增加了路面的弹性,在荷载作用下有除冰雪的效果,并且效果随着橡胶颗粒掺量 的增加而提高,但室内试验发现混合料成型困难且耐久性不足,因此并没有在实际工程 当中应用[31]。 上世纪 90 年代,日本研究人员将橡胶颗粒撒布在新建沥青路面上,并用压实机械 碾压。橡胶颗粒在车辆荷载的作用下发生变形,从而使表面冰层破碎。同时,该种方法 还提升了路面的摩擦系数。虽然该种方法有效的清除了路面的冰层,但由于橡胶颗粒与 路面粘附性不好,极易从路面剥落,因此路面的耐久性较差[32-33]。 (2)国内研究现状 国内对该领域的研究起步较晚,但由于我国低温地区分布较广,因此对具有除冰雪 功能的路面需求很大,对于弹性除冰材料的研究也有很多。 2004 年, 山东大学的曹卫东等在骨架密实沥青混合料中加入橡胶颗粒, 形成了一种 具有较大弹性的沥青路面材料,文中对其吸声系数和减振降噪性能进行了研究,但并未 将其作为弹性除冰路面材料使用[34]。 2006 年, 哈尔滨工业大学的周纯秀将橡胶颗粒作为集料添加到沥青混合料中, 并代 替了部分石料,混合料采用骨架空隙结构。研究分析了橡胶颗粒的大小、形状等对混合 料性能的影响,并对成型、施工工艺进行了研究。研究分析了弹性路面的破冰机理并进 行了试验验证[35]。在此基础之上,曹海波等采用磨耗层和弹性层相结合的铺筑方式,并 采用计算机模拟得出弹性层厚度越大路面的除冰效果越好的结论。 2009 年, 长安大学张洪伟对橡胶颗粒除冰雪沥青路面的路用性能和除冰雪性能进行 了研究并铺筑了试验路。通过室内室外的破冰试验,认为随着回弹模量的降低,橡胶颗 粒沥青混合料的抑冰、除冰能力均有所增强[36]。 2011 年, 重庆交通大学的班午东对橡胶颗粒混合的组成和性能进行了研究, 研究主 要针对混合料的级配设计优化、 路用性能和成型工艺和耐久性能几个方面, 研究认为 AC 级配较 SMA 级配的橡胶颗粒混合料有更大的空隙率, 当橡胶颗粒掺量超过 3%后, 对混 合料的路用性能影响很大[37]。 2012 年,长安大学姚莉莉采用离散元的方法对橡胶颗粒沥青混合料进行细观分析, 认为橡胶颗粒的加入造成了混合料的整体强度下降,并从细观角度得出了橡胶颗粒沥青 第一章 绪论 7 路面的破坏机理,提出了相应的改善措施[38]。 2013 年, 河北工业大学孙帅对聚氨酯橡胶颗粒自应力除冰雪的应用进行了研究, 文 章提出采用聚氨酯代替部分沥青加入到混合料中,采用马歇尔法对混合料的配合比进行 设计。文章对混合料的高温性能、水稳定性能和渗水性能进行了测试,并采用软件仿真 的方式对混合料的除冰雪机理进行分析,然后采用室内试验对除冰雪性能进行验证,认 为聚氨酯橡胶颗粒混合料具有较好的路用性能和除冰雪性能[39-40]。 2016 年, 东南大学孙铭鑫对聚氨酯空隙弹性混合料的性能进行了研究, 研究采用聚 氨酯作为胶结料,混合料结构为骨架空隙结构,选取空隙率、聚氨酯膜厚度和橡胶颗粒 百分数作为控制指标,对混合料的路用性能进行了研究,认为该种混合料的抗车辙性能 和弯曲性能优异,但水稳定性有待提升。文章主要对聚氨酯混合料的降噪性能进行了研 究,未涉及其除冰性能[41]。 1.3 本文主要研究内容 结合已有的研究内容,本文采用石料、橡胶颗粒和聚氨酯胶粘剂以一定的比例和方 法成型具有较低弹性模量的路用材料,在低温降水天气路面结冰时,该种材料在车轮荷 载力的作用下发生形变,路表冰层发生破裂。本文的主要研究内容如下: (1)原材料技术性质研究 由于现有关于聚氨酯弹性材料的研究较少,因此对其原材料技术指标的选取也没有 参照。本文结合现有的技术规范对原材料的技术指标进行研究,并通过试验比选出适用 于该种混合料的胶结料、石料及橡胶颗粒。 (2)混合料设计方法的研究 参考沥青混合料料的设计方法,确定聚氨酯弹性材料的结构类型和级配范围。估算 胶结料的用量,提出采用混合料的密度和空隙率作为混合料的体积设计指标,采用飞散 损失率和劈裂强度作为耐久性和强度设计指标,采用肯塔堡飞散试验和混合料劈裂试验 进行验证,分析不同掺量的橡胶颗粒和用胶量对上述指标的影响,并提出了聚氨酯弹性 材料最佳胶水用量的确定方法。 (3)混合料的成型和养护工艺研究 混合料的成型和养护对混合料的施工质量有着很大的影响,为了保证混合料的施工 长安大学硕士学位论文 8 质量,为该种新材料的推广应用提供参考,本文采用室内试验的方法对混合料的成型方 法和养护方法进行研究,分析温度、时间等因素对混合料物理指标和强度指标的影响, 并提出适用于聚氨酯弹性材料的成型工艺和养护工艺。 (4)混合料路用性能研究 聚氨酯弹性材料作为一种新型的路用材料,对其路用性能的研究几乎处于空白。本 文参照沥青混合料和水泥混凝土路用性能的测试方法,并针对新材料的特点对部分试验 进行优化,对混合料的抗变形性能、水稳定性能、弯曲性能、疲劳性能和表面抗滑性能 进行研究,并分析不同胶水用量和不同比例橡胶颗粒掺量对上述指标的影响。 (5)混合料除冰效果分析 聚氨酯弹性材料的模量较小,在荷载作用下会发生变形从而达到除冰目的。本文设 计了室内除冰试验进行除冰效果验证,最后采用有限元仿真软件对混合料的除冰机理和 除冰效果进行研究,并分析混合料模量、厚度、冰层厚度、等因素对除冰效果的影响。 1.4 技术路线 本文首先对原材料的指标进行对比分析,选取符合混合料使用要求的原材料,提出 混合料材料组成的设计方法并用试验进行验证,并对不同橡胶掺量和胶水用量混合料的 路用性能进行验证,最后用室内试验对除冰效果进行验证并用仿真软件对混合料的除冰 原理和除冰效果进行分析。技术路线路图如图 1.2 所示。 第一章 绪论 9 图图 1.2 技术路线图技术路线图 长安大学硕士学位论文 10 第二章 聚氨酯弹性材料的原材料技术指标 聚氨酯弹性材料作为一种新型路面材料,在实际工程中应用较少,为了满足配合比 设计的需要,保证混合料的路用性能,本章将对原材料的技术指标进行研究,确定适宜 该种材料的原材料指标。虽然没有相关的技术规范可以直接使用,但可以参考已有的沥 青路面和水泥路面设计规范和试验规程,对聚氨酯胶粘剂、石料和橡胶颗粒的技术指标 进行研究。 2.1 聚氨酯胶粘剂 2.1.1 聚氨酯胶粘剂的选择 为了保证聚氨酯弹性材料的强度与使用性能,需要选择适合该种材料使用的聚氨酯 胶粘剂。由于混合料中同时含有橡胶颗粒和石料,因此胶粘剂需要对这两种材料均有较 好的粘结性能,同时,聚氨酯弹性材料铺筑于道路表面,除了承受车辆荷载外,还受到 太阳光辐射、低温、降水等各种因素的影响,为了保证道路的耐久性能,聚氨酯胶粘剂 还应有很好的稳定性。常见的成品聚氨酯胶粘剂有以下几种:制鞋用胶粘剂、机械制造 用胶粘剂、建筑用胶粘剂多种,本文考虑到聚氨酯弹性材料的使用环境,选取稳定性较 好、粘结强度较高的地坪用聚氨酯胶粘剂,该种胶粘剂用于建筑物走廊、地下停车场、 工厂车间等构造物地面的处理,具有较好的柔韧性、抗腐蚀性和较高的强度,且固化速 度较快,更适用于道路工程中使用[42]。为了选择最适合混合料的胶粘剂,本文选取了两 种地坪用聚氨酯胶粘剂,分别为单组份和双组份,其指标如表 2-1 所示。 表表 2-1 聚氨酯胶粘剂指标聚氨酯胶粘剂指标 指标 单组份聚氨酯胶粘剂 双组份聚氨酯胶粘剂 外观 无色透明粘稠液 浅黄色半透明粘稠液 固含量 (90±2) (40±2)% 密度(25℃) 1.08 1.03 粘度(25℃) 1300 2100 剪切强度 ≥7MPa ≥9MPa 初步固化时间 4h 2h (主剂与固化剂比例为 5:1) 完全固化时间(20℃) 5d 2d (主剂与固化剂比例为 5:1) 固化所需条件 需较高的湿度和适宜的温度 对固化环境无特殊要求 第二章 聚氨酯弹性材料的原材料技术指标 11 为了满足聚氨酯弹性材料的强度与耐久性,胶粘剂需要满足以下条件: ①初步固化不宜太短,完全固化时间不宜太长,既要保证有足够的时间对混合料进 行充分拌合,又要保证混合料尽早成型。 ②要有较高的粘结强度,聚氨酯弹性材料用于桥面铺装或道路表面上面层使用,如 粘结强度不足,混合料整体强度不够,将对其路用性能造成很大影响。 ③要有足够的水稳定性和良好的低温性能,聚氨酯弹性材料多在低温、降水较多的 环境中使用,如水稳定不足或低温性能较差会影响混合料的耐久性。 根据以上要求,结合部分试验,最终确定使用双组份聚氨酯胶粘剂作为混合料的胶 结料,主剂与固化剂的比例为 5:1。双组份聚氨酯胶粘剂可以自行调节固化时间,更为 灵活、方便。双组份聚氨酯胶粘剂较单组份胶粘剂,有更强的剪切强度,对固化环境条 件要求较低,因此更适用于道路。 2.1.2 聚氨酯胶粘剂有效质量确定 将双组份聚氨酯胶粘剂的主剂与固化剂按照一定比例混合后,会发生固化反应,在 此过程中,粘结剂的质量会发生变化,同时部分溶剂的挥发也会影响聚氨酯胶粘剂的质 量。为了确定聚氨酯弹性材料中胶结料的用量,需要对聚氨酯胶粘剂的有效质量进行测 定。将主剂与固化剂按照 5:1 的质量比混合均匀,取一洁净容器并称取其质量 m1,,然 后一定量的聚氨酯粘结剂试样置于容器中, 称取容器和粘结剂的总质量 m2。 将盛有试样 的容器放入 50℃的烘箱中进行固化,24h 后将试样取出并置于室温中固化。每 24h 称取 试样质量,当两次称取质量差不大于 0.5g 认为其反应完全,并记录杯和试样的总质量 m3,试样的有效质量百分数 X 按照下式(2.1)确定: X = (?3? ?1) (?2? ?1) (2.1) 分别称取两份试样做平行试验,结果如表 2-2 所示: 表表 2-2 聚氨酯胶粘剂有效质量聚氨酯胶粘剂有效质量 试样编号 容器质量?1 (g) 固化前试样和 容器质量?2 (g) 固化后试样和 容器质量?3 (g) 有效质量百 分数 X (%) 有效质量百 分数平均值 (%) 1 3.8 39.6 24.1 56.70 57.15 2 3.8 41.3 25.4 57.60 长安大学硕士学位论文 12 2.2 橡胶颗粒 2.2.1 橡胶颗粒的选择 橡胶颗粒是通过对回收而来的废旧橡胶进行剪切、破碎后得到的颗粒状弹性体,其 原料的来源有汽车轮胎、 鞋底、 以及其他橡胶工业的边角料等, 其中又以橡胶轮胎为主。 随着我国道路运输业的繁荣,废旧轮胎也日益增多,据统计,仅中国每年废旧轮胎的产 量就为 2.5 亿条,其回收利用率不足五成,大量废旧轮胎被扔进垃圾堆或深埋地下,在 自然环境下分解会释放出有毒物质,对环境造成了污染。目前,针对废旧轮胎的再生与 处理有如下方式:改造后作为防撞设施安装在高速公路护栏或事故易发处;将废旧轮胎 破碎后制造成橡胶粉,用于沥青改性或其他工业制品;也有不法分子将废旧轮胎回收后 进行翻新,充当新轮胎在市场上销售,这种轮胎安全性欠佳,造成了很大的隐患。 将废旧轮胎破碎后得到的橡胶颗粒应用于道路工程中,不但缓解了我国环境保护的 压力,还可根据橡胶颗粒的特性铺筑出具有不同功能的路面,变废为宝。橡胶颗粒有两 种生产工艺:常温粉碎和低温粉碎,不同生产工艺的橡胶颗粒其形状与力学性能也有很 大的不同。低温粉碎的橡胶颗粒形状较为规则,更接近正六面体;常温粉碎的橡胶颗粒 中扁平状颗粒含量高,但是由于其成本低、工艺简单,是主流的生产方
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