与沥青混合料(Asphalt Mixtures)的定义类似,聚氨酯混合料(Polyurethane Mixtures)是由一定级配的矿料与一定比例的路用聚氨酯胶结料在常温下拌制而成型的混合料。其中,聚氨酯是主链上含有重复氨基甲酸酯基团(-NHCOO-)的聚合物的总称,是由有机二异氰酸酯或多异氰酸酯与二羟基或多羟基化合物(多元醇)加聚而成。聚氨酯是一种“可设计”的介于塑料和橡胶之间的高分子弹性体材料,可以通过改变原料化学结构、规格、品种等方式或调节配合比组合得到不同性质的产品聚氨酯具有高弹性、耐化学腐蚀、耐光照射、耐磨耗、吸震性强、耐撕裂、软硬度可按需定制等优异性能,其中,水性聚氨酯还具有防水功能,且对砖石、砂浆、混凝土、金属等都具有很强的黏附力,属环保型高分子聚合物,是一种适用于铺装材料的新型胶结料。
1、聚氨酯硬质混合料当聚氨酯设计为硬质聚氨酯泡沫塑料时,聚氨酯具有质量轻、比强度高、与其他物质黏结力强、耐老化性能好及可实现快速固化等特点,是一种优良的结构材料。这种聚氨酯混合料常用于高等级公路路面、机场水泥道面混凝土以及隧道铺底等重要道路的快速修复。美国等国家自20世纪90年代以来开始了以聚氨酯硬质泡沫作为道面抢修材料的研究。
2、聚氨酯弹性混合料当聚氨酯设计为聚氨酯弹性体时,聚氨酯混合料的弹性模量较低,仅为普通混凝土的10%,且具有一定的弹性变形能力,是一种特殊的聚氨酯混合料,称为聚氨酯弹性混合料。通过良好的弹性变形,聚氨酯弹性混合料可以在一定程度上耗散车辆荷载的竖向冲击作用,具有普通混凝土材料没有的抗冲击能力。聚氨酯弹性混合料可以用于无缝伸缩缝,解决传统伸缩缝易破坏、行车舒适性差、结构复杂、造价高和维修困难等问题,相比改性沥青弹性混合料,弹性聚氨酯混合料性能更优,且维护费用低。
3、多孔聚氨酯混合料与公路沥青施工技术规范(JTG40-2004)一致,当聚氨酯混合料的设计空隙率大于18%时,聚氨酯混合料被称之为多孔聚氨酯混合料。自“海绵城市”概念被提出后,作为其关键技术手段的透水路面相关研究逐渐增强,传统的透水路面仍为沥青透水路面。随着聚合物混凝土的发展,聚氨酯透水路面在近几年逐渐被提出,如多孔聚氨酯混合料的相关研究,但其研究尚处于试验道阶段,甚至多数处于实验室内的研究阶段。
4、聚氨酯桥面铺装材料聚氨酯混合料亦可作为具有全防水功能的桥面铺装材料。以北京建筑大学徐世法教授为代表的研究团队正在研发聚氨酯混凝土桥面铺装材料,结果表明,新型聚氨酯混凝土路面铺装材料可达到全不透水要求,其温度敏感性低,动稳定度达到
69750次/mm,最大弯拉应变达到48762×10-6,2项性能均较目前最优沥青混合料性能提升近10倍;在抗疲劳性能方面,大微应变(1200×10-6)条件下,新型聚氨酯混凝土韧性较好,疲劳寿命达到了168万次,是BID 沥青混合料疲劳寿命的8倍左右;在水稳定性能方面,新型聚合物混凝土经过冻融循环后剩余劈裂强度仍能达到0.8Mpa,完全满足路面使用要求,可用于桥面铺装。但是,聚氨酯混凝土桥面铺装材料亦处于研发阶段,尚未得到成功应用。
5、聚氨酯混合料的服役性能与沥青混合料相同,聚氨酯混合料的服役环境亦较为复杂,它不仅会受到以冻融、高温、雨雪、酸雨、紫外老化为主的自然环境的影响,还会受到车辆疲劳荷载、轮胎摩擦、与基层'桥面板间的共同受力等外界作用的影响,甚至会受到氯离子(除冰盐、海水)侵蚀作用的影响。聚氨酯混合料的服役性能试验一般在实验室模拟环境下针对其路用性能进行测试,其中路用性能主要包括抗水-热老化性能、抗滑性能、抗永久变形性能、耐紫外老化性能及抗疲劳性能,还应包括劈裂性能、抗渗性能、单轴压缩性能、马歇尔稳定度、弯曲性能、抗剪强度及抗氯离子渗透性能等。
针对聚氨酯混合料的服役性能,王火明等研究了聚氨酯碎石混合料的抗水-热老化性能、抗滑性能、抗永久变形性能、耐紫外老化性能、抗腐蚀性能及抗疲劳性能。抗水-热老化试验结果表明,水浸-高温共同作用致使混合料内部结构遭到不同程度的破坏,抵抗外荷载能力降低。抗水-热老化性能与碎石岩性和特征有关,大理岩PPM的抗水浸-高温性能优于花岗岩。抗滑试验结果表明,聚氨酯碎石混合料透水路面的抗滑性能偏低,有必要采取附加措施提高其抗滑性能。抗永久变形试验结果表明,聚氨酯碎石混合料在最佳胶黏剂用量下具有良好的抗永久变形能力,车辆行驶后不会产生凹陷痕迹。耐紫外老化试验结果表明,光热老化后因聚氨酯胶黏剂的老化降解会导致聚氨酯碎石混合料的物理力学性能下降,最直接的表现是胶黏剂颜色加深、黏结力下降。抗腐蚀性试验结果表明,聚氨酯大空隙碎石混合料具有较好的抗酸雨腐蚀能力。抗疲劳试验结果表明,聚氨酯碎石混合料具有较好的疲劳寿命。CHEN等的研究表明,与OGFC多孔路面相比,多孔聚氨酯混合料具有更优异的抗堵塞和噪音吸收性能&聚氨酯用量和集料粒径的增加将增强多孔聚氨酯混合料抗剥落能力。CHEN等还研究了聚氨酯混凝土面层的防冰和除冰性能,结果表明,与传统的沥青混凝土面层相比,聚氨酯混凝土面层具有更优异的防冰和除冰性能,能增强冬季交通安全。
6、聚氨酯混合料发展前景前期大量的试验研究表明,聚氨酯混合料具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、耐紫外老化性能以及耐磨耗性能等,还具有良好的抗堵塞、抗剥落和降噪性能等功能性。但是,因其配套施工技术的匮乏和相应规范的缺失,聚氨酯混合料仍处于初始研发阶段,部分研究已开展了试验道的验证,但距离实际工程的应用还有待于完善。此外,聚氨酯混合料应具有较优异的长期服役性能,但当前研究并未对聚氨酯混凝土的耐久性进行全方位的评价,如尚未发现冻融循环作用下聚氨酯碎石混合料路用性能演化的相关报道,亦未发现各种服役环境下聚氨酯混凝土劈裂性能、抗渗性能、单轴压缩性能、马歇尔稳定度、弯曲性能、抗剪强度及抗氯离子渗透性能等方面的报道。因此,聚氨酯混合料的未来研究方向主要包括铺装材料的制备技术、长期服役性能的评价与控制以及施工技术与规范,其主要应用于透水路面(如海绵城市)、桥面铺装层,甚至还可以应用于以聚氨酯混合料为载体的智能道路等新型道路。
|