多孔隙聚氨酯碎石透水路面试验研究

多孔隙聚氨酯碎石透水路面试验研究

0透水铺装材料研究随着中国经济和社会的快速发展，道路和城市交通的建设越来越受到重视生态、环保、美丽和可持续发展。为了满足社会发展的需要，一些中国科学家开始研究生态环保道路材料，并近年来取得了一些成果。凌天清等采用室内试验研究了保水降温半柔性材料SFAC-13的路用性能、保水性能和降温性能,结果表明SFAC-13材料的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性能均优于普通沥青混合料AC-16,除此之外SFAC-13材料还能降低8℃~10℃的路面温度;王伟等通过太阳热反射涂层试验路段的铺筑研究了热反射涂层材料的路用性能,得出在沥青混凝土路面上涂布热反射涂层可有效降低路面温度、缓解城市热岛效应、减少路面车辙病害;戴为民提出了采用多孔隙沥青混合料来提高雨天路面的抗滑性能,或将多孔隙沥青混合料作为路面排水结构层用于减小路面的水损害、降低路面噪音;宋中南等通过室内试验对透水水泥混凝土进行了研究,并提出了采用透水水泥混凝土来解决路面透水性差、城市热岛效应等诸多棘手问题。以上4种新材料有些能降低路面温度、缓解城市热岛效应,有些能解决路面积水、减小城市内涝。本文提出一种集“透水、透气、降温、减噪、美观、环保”六大功能于一体的新型道面铺装材料———多孔隙聚氨酯碎石混合料(PorousPolyurethaneMixture,PPM)。PPM采用聚氨酯胶水将单粒径碎石粘结成整体,其孔隙率通常会介于18%~25%,生态环保作用显著;由于胶水无色透明,由PPM铺筑的透水路面呈现出石料天然颜色,具有较好的景观效果。目前,PPM主要用于公园、小区、商务区广场和人行道等道面铺装,由于对其强度特性和路用性能缺乏研究,对其用于公路路面铺装尚存在疑虑。鉴于此,本文参照类似材料力学试验研究成果对PPM的强度特性开展试验研究,然后对其高温性能、低温性能、水稳定性能、抗滑性能、抗变形性能和抗腐蚀等路用性能进行研究[8,9,10,11,12,13,14],旨在为PPM用于路面铺装提供参考。1ppm-a/c复合砂岩多孔隙充填料聚氨酯胶水:由组分1与组分2混合而成(质量比100∶85);组分1为胶水,呈琥珀色;组分2为固化剂,呈红棕色,空气中易发生氧化反应。碎石:采用粒径3~5mm大理岩、4~6mm大理岩和5~10mm花岗岩,分别记为A,B,C,与其对应的聚氨酯碎石混合料依次表示为PPM-A,PPM-B和PPM-C;大理岩粒径分布均匀,形状接近于立方体,外表浑圆且颜色丰富;花岗岩为破口碎石,棱角性分明,针片状颗粒含量较高;A,B,C三种碎石筛分结果及基本物理性质见表1,2;根据前期室内试验结果并结合实践经验,得出PPM用集料的基本要求见表3。国内外还没有关于多孔隙碎石混合料相关试验规程可供参考,到目前为止,大多参考水泥混凝土或沥青混凝土试验规程。对于本文研究所涉及的抗压强度、抗折强度、渗水试验、永久变形试验以及抗滑性能等常规试验均参照中国国家及行业现行标准和规范进行,对于PPM的孔隙率、水稳定性、抗腐蚀性和耐老化性,笔者根据实际情况自行设计试验方法,试验方法详见后文。根据室内试验,可以得到各种PPM的最佳胶水用量质量分数(简称用量,下文同),见表4。2试验结果及pm-p特性2.1养护温度对ppm强度的影响取B碎石,胶水为4%,采用插捣加人工整平方法成型试件(实际施工采用人工摊铺加表面磨光机处理),测试其在不同成型方法、养护龄期及温度下的抗压和抗折强度。在考察养护龄期对强度的影响时,控制成型试件时的插捣次数为40次,养护温度为25℃;在考察成型方法(插捣次数)对强度的影响时,控制养护龄期为24h,养护温度为25℃;在考察养护温度对强度的影响时,控制养护龄期为24h,插捣次数为40次。试验结果见图1~3。由图1~3可以看出:PPM强度随龄期的增加不断增长,前期增长迅速,后期增长缓慢,24h龄期的强度已经达到21d强度的90%;PPM强度随插捣次数的增加而增大,当插捣次数超过50次后强度增长趋于稳定;养护温度对PPM强度的增长也有一定影响,养护温度越高,强度增长越快,但总体而言,养护温度对PPM强度的影响不大,温度为40℃~100℃时的最终强度几乎没有差异。因此,在后续试验中,确定PPM成型时插捣次数为50次,养护温度为40℃,养护龄期为24h,以此作为室内制作PPM材料的标准条件。2.2强度与干物质的配比对ppm强度的影响为分析胶水用量对PPM强度的影响,对3种碎石分别按照3.0%,4.0%,5.0%,6.0%和7.0%的胶水用量成型试件,测定其24h龄期下的强度值。采用的A,B,C三种碎石的针片状颗粒质量分数分别为3.5%,4.8%,10.2%,研究碎石形状对强度的影响。图4为强度随胶水用量变化曲线。由图4可知:随着胶水用量的增加,抗压强度与抗折强度逐渐增大,当胶水用量超过5%后,强度增长的幅度有所减缓。造成这一现象的原因为:当胶水用量较小时不足以覆盖集料表面,导致集料间的粘附性变差,强度自然较低;此后随着胶水用量的增加,强度逐渐增大;当胶水超过某用量时,多余胶水在重力作用下向下流淌,填充于孔隙中,对强度增长贡献不大。此外,从图4还可以看出:(1)相比A和B碎石,尽管C碎石压碎值较小,但其形成的PPM抗压强度较低;(2)虽然C碎石的PPM前期抗折强度较低,但随着胶水用量的增加,其抗折强度增速明显大于由A和B碎石形成的PPM;(3)碎石A和B棱角性和外形接近,所不同的是粒径大小;从试验结果来看,由碎石A形成的PPM强度要高于碎石B。这说明碎石形状和粒径大小对PPM的强度有明显影响,粒径越小且形状越接近于立方体(针片状颗粒含量低)的碎石,其形成PPM的抗压强度也相对较高。与此同时,具有一定棱角性的破口碎石组成的PPM,其抗折强度也相对较高,且随着胶水用量的增大,其抗折强度迅速增加。笔者分析后认为,造成上述现象的可能原因为:在相同体积下,大粒径碎石接触点少,小粒径碎石接触点多,所以强度值较高;另外,形状接近于立方体且无棱角的碎石骨架嵌挤更为稳定,其抗压特性相对较好。而当碎石棱角分明,含较多的破碎面时,其形成的PPM内摩擦角较大,这对于抗折强度的提升是有利的。根据试验结果,综合考虑抗压和抗折强度,建议PPM用碎石针片状颗粒含量控制在5%以内为宜。2.3孔隙率对ppm抗压强度的影响以B和C碎石为例,通过改变胶水用量和碎石级配组成,获得不同孔隙率(透水系数)的PPM-B和PPM-C,测试其抗压和抗折强度,得到PPM强度与孔隙率和透水系数的相关关系,如图5,6所示。由图5,6可以看出:随着孔隙率的增大,PPM的抗压强度与抗折强度逐渐降低,经回归分析,得到二者相关系数的平方R2均大于0.9,表明其强度与孔隙率之间存在良好的线性相关性;随着孔隙率(透水系数)的减小,PPM的抗压强度及抗折强度随之增大,强度与孔隙率(透水系数)呈负相关。造成上述现象的原因可能为:随着孔隙率的减小,混合料密实程度越来越高,也就是说,孔隙率的减小会增加混合料的承压面积,故其强度随着孔隙率的减小呈线性增加。2.4抗折弹性模量测定成型100mm×100mm×100mm的立方体抗压试件,测定PPM在表4胶水用量下的抗压弹性模量;成型150mm×150mm×550mm的抗折试件,采用三分点加载,加载速率为1mm·min-1,测定其抗折弹性模量,模量测试温度控制为25℃。PPM抗压弹性模量及抗折弹性模量试验结果见表5和表6。由表5,6可知,PPM抗压弹性模量为5000~7000MPa,抗折弹性模量为1500~2000MPa,介于水泥混凝土和沥青混合料之间。相比沥青混合料而言,其抗永久变形能力更强;相比水泥混凝土而言,其还具有较好的柔韧性。根据PPM材料的弹性模量测试数据,当其用于路面抗滑磨耗层铺装时,建议以抗折强度为指标进行路面结构设计。2.5ppm抗压试验PPM是一种大孔隙碎石混合料,采用单粒径结构碎石与聚氨酯胶水拌制而成,其强度主要依靠碎石之间的相互嵌挤(点-点接触)和聚氨酯胶水的粘结强度提供。碎石的嵌挤强度与碎石自身强度及棱角性有关。为进一步研究PPM的应力-应变特性,以A集料(粒径3~5mm大理岩碎石)为例,胶水用量为4.0%,实测孔隙率为18%,养护龄期24h,进行了全过程抗压应力-应变试验,得到的荷载-位移曲线见图7。从图7可以看出:PPM全过程抗压试验荷载-位移曲线形状与水泥混凝土的相似,表明PPM力学性质与刚性材料接近,在荷载作用初期,材料存在一定的压缩变形,而压缩变形大致在0.25mm以内,随后,荷载-位移接近于线性增长关系,表明PPM在荷载作用下存在弹性工作区,而弹性工作区对应的变形为0.25~0.75mm,即当PPM变形在0.25~0.75mm时,材料的受力处于弹性工作区,当变形达到1.25mm时出现抗压强度峰值,即材料达到承载力极限状态。从PPM试件的抗压破坏形式(破坏断面)来看,包括以下2种情况:(1)沿粘结界面破坏;(2)碎石被压碎(图8)。大理岩由于碎石颗粒圆滑,且形状接近立方体,其破坏断面大多发生在粘结界面,很少见集料破碎。另外,由于花岗岩碎石针片状颗粒含量较多,从PPM-C抗折试件破坏面可见明显的碎石折断现象,表明PPM抗折破坏主要是因为混合料接触点处粘结力不足和部分碎石被折断所致,即PPM的抗折强度与胶粘剂用量及集料抵抗折断的能力密切相关。3结果表明，spm路性能试验的结果和分析3.1试验验证试验由强度试验结果可知:在25℃~100℃时,PPM的强度与温度关系不大,可初步判断PPM是一种温度不敏感材料。但是,强度的温度稳定性并不意味着其变形的温度稳定性,因此,有必要进行PPM的永久变形试验。目前,针对PPM以及大孔隙碎石混合料的永久变形试验方法还是空白,本文采用沥青混合料车辙试验,测定PPM的动稳定度来评价其永久变形能力。试验方法按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011),使用轮碾机成型300mm×300mm×50mm的试件,胶水用量控制为最佳胶水用量(表4),试验温度为60℃,轮胎压强为0.7MPa,碾压速度为42次·min-1。试验结果见表7。由表7可知:PPM的动稳定度较大,具有良好的抗变形能力。此外,观察试验后的PPM车辙板,表面几乎找不到轮迹,这从侧面也反映出PPM具有良好的抗永久变形能力。3.2冻融循环对ppm抗冻性的影响PPM的水稳定性试验方法是在参考普通混凝土抗冻性试验方法的基础上作了适当修改,测定5次冻融循环后PPM抗压强度损失及质量损失。成型100mm×100mm×100mm立方体抗压试件,在40℃温度条件下养护,试验步骤如下:(1)成型试件,在40℃环境下养护24h;(2)将试件编号,称量后放入20℃±0.5℃的水中浸泡24h;(3)从水中取出试件,用拧干的湿毛巾擦去表面的附着水,立即放入预先降温至-18℃±0.5℃的抗冻试验机内,待温度重新达到-18℃±0.5℃时开始计时,冰冻4h后取出,立即放入20℃±0.5℃的水中浸泡4h,该过程为1次冻融循环。进行5次冻融循环后测定其抗压强度损失率及质量损失率,试验结果见表8。由表8可知:PPM经过5次冻融循环后质量损失率较小,均不超过0.1%;但抗压强度降低较为明显,损失率接近15%,表明PPM抗冻性能一般。因此在工程建设中,特别是在容易引起冰冻的北方寒冷地区,有必要对PPM的抗冻性给予足够重视。此外,室内冻融循环试验是在饱水情况下进行的,实践中,PPM具有较好的透水性,如果PPM结构层内部不存在滞留水,冻融循环后其强度损失应该会比室内试验的小。3.3试验结果与分析PPM的抗滑性能采用摆式摩擦仪进行测试,试验方法参照《公路路基路面现场试验规程》(JTG0964—2008)进行。试验结果见表9。由表9可知:3种不同粒径碎石拌制的PPM抗滑性能有所不同,PPM-C抗滑性能最好,抗滑系数为61;PPM-A抗滑性能最差,抗滑系数仅有41,PPM的抗滑性可能与碎石种类、形状及大小等因素有关,粒径越大、形状越不规则,则抗滑性能越好。因此,工程建设中有必要采取附加措施提高其抗滑性能,如尽量采用破口碎石而不采用卵石。3.4溶淋试验结果PPM的腐蚀主要源于外界油污和酸雨,其中,酸雨腐蚀最为常见且危害性最大。为了研究PPM抵抗外界腐蚀的性能,本文中配制pH值为4.5的低浓度硫酸溶液(模拟重度酸雨),将已成型的PPM试件浸泡在硫酸溶液中48h进行溶淋试验,然后取出;以胶水裹附率(观察法)、试件质量损失率和抗压强度损失率3项指标来评价PPM的抗腐蚀性能。试验中对每种PPM成型9块(100mm×100mm×100mm)立方体抗压试件,其中3块作为对照,在室温28℃条件下养护,6块用于测定溶淋试验后的试件质量和强度。试验以PPM-B为例,胶水用量为4.2%,试验结果见表10。由表10可知:当PPM-B胶水用量为4.2%时,在pH值为4.5的硫酸溶液中浸泡48h后,其聚氨酯膜未见明显剥落,质量损失率为0,抗压强度损失率为1.2%,几乎可以忽略。溶淋试验结果表明,PPM具有较好的抗酸雨腐蚀能力。3.5极限微应变试验以PPM-B为例,采用四点弯曲疲劳试验机,选取应变控制的连续偏正弦加载模式,测定其承受重复弯曲荷载作用下的疲劳寿命。试验条件规定如下:试验温度为15℃,加载频率10Hz,极限寿命为2×106次,极限微应变依次选取400×10-6,600×10-6,800×10-6,试件为380mm×65mm×50mm的小梁试件,试验结果见表11。从表11可知:PPM的弹性模量介于4500~5500MPa之间,累积耗散能在11200MJ·m-2左右,试件加载到200万次时未产生疲劳破坏,表明PPM材料具有较好的抗疲劳性能。笔者分析认为,PPM的疲劳特性主要取决于聚氨酯胶水的力学特性,它的存在使PPM的刚度增加,柔韧性增强,使得PPM的弹性模量介于沥青混合料和水泥混凝土之间,从而具有较好的荷载疲劳特性。3.6ppm的光照老化试验PPM的老化主要源于聚氨酯胶粘剂的老化,而聚氨酯胶粘剂的老化除了决定于自身的配方和工艺外,还受到温度、湿度、光照、氧气和水等介质条件的影响。为了研究PPM的耐老化性能,室内模拟老化试验考虑了温度、湿度及光照等条件。本文采用氙灯耐气候老化箱来模拟PPM的光热老化,试验条件为:120h连续光照老化,光照强度为600W·m-2,湿度控制在50%,温度控制在100℃。为了明确老化后强度的变化规律,试验设置对照组,试验结果见表12。由表12可知:PPM具有较好的耐老化性能,光热老化试验后PPM的抗压强度有所下降,降低幅度介于3%~6%;并且试验后发现混合料颜色变深。笔者分析认为,其原因可能是在光热综合作用下,聚氨酯胶粘剂发生老化降解,使聚合物中分子键断裂,导致PPM的物理力学性能下降,其最直接的表现就是胶粘剂颜色加深、粘结力下降。4ppm路面材料特性(1)从强度试验结果来看,PPM抗压强度介于4~10MPa,抗折强度介于3~8MPa。胶水用量、孔隙率大小、碎石粒径及形状、养护龄期及成型方法等因素均会对PPM的强度产生影响,其中胶水用量、孔隙率大小和碎石形状对