CN110372295A - 高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料及其制备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料及其制备，桥面铺装材料的配方具体为：矿质集料100份，聚氨酯胶结剂3～15份，水泥0～5份，矿粉0～5份，1‑5mm粒径橡胶颗粒0～40份，粒径小于1mm的橡胶颗粒0～20份。与现有技术相比，本发明利用高韧性聚氨酯为胶结剂，具有高强度、高韧性、耐疲劳性，其结构致密并与桥面变形协调能力较好，能够防止桥面裂缝的产生；掺入橡胶颗粒不仅能够制备轻质混合料、调控混合料毛体积相对密度为1.8～2.5g/cm³，而且能够有效利用废旧橡胶，符合绿色道路新理念。

Description

高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料及其制备

技术领域

本发明属于桥面铺装材料技术领域，涉及一种高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料的制备方法。

背景技术

桥梁作为高速公路重要连接和组成部分，若桥梁铺装材料强度不足、耐水性不足、高温稳定性不足、柔韧性不足等都会导致桥梁铺装层出现裂缝、拥包和坑槽等病害，最终导致水分进入桥梁内部，对桥梁的耐久性影响极大。虽然近十年来，环氧沥青混合料由于其优良的高温稳定性、高强度等特点在桥面铺装中运用越来越多。但由于环氧沥青为热固性材料且固化后较脆、柔韧性较差，与桥面板变形协调能力差，特别是在温度下降时，环氧沥青混合料因其模量很高一般会产生较大的温度应力(内力)，容易引起开裂。如何研发一种适用于桥面铺装用高强、高韧性桥面铺装材料显得尤为重要。

聚氨酯由于其配方灵活，产品性能优良且形式多样，具有良好的机械强度、抗氧化性、耐化学稳定性和高弹性等优点，有望作为新型铺装材料应用于桥面铺装中。同时，废旧橡胶颗粒具有高弹性和高韧性等优点，在桥面铺装工程中利用废橡胶颗粒，不仅能够提高路面性能、降低混合料密度、减少桥梁恒定荷载作用，而且可以变废为宝，符合国家提倡的绿色环保公路建设的新理念。利用聚氨酯作为胶结剂，将橡胶颗粒掺入到混合料中制备桥面铺装材料的研究较少。

中国专利CN103058585A公开了一种用于路面自应力破冰的聚氨酯橡胶混合料的制备方法。该聚氨酯橡胶混合料通过荷载作用下使路面材料产生较大压缩变形导致冰层内的拉应力和剪应力明显增大，使冰层破裂，达到抑制路面结冰作用，并且除冰效果较好。但是，该聚氨酯混合料强度较低，其耐久性能有待考验。

中国专利CN104446140A公开了一种改性聚氨酯混凝土薄层铺装材料。除具备普通沥青混合料的基本性能外，其抗疲劳性能明显改善，同时提高了铺装材料的高温稳定性，增大了层间粘结性，有助于铺装结构的整体稳定。但是该混凝土材料胶结剂掺量大于20％，与传统沥青混合料相比成本较高，不利于推广。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料及其制备。利用高韧性聚氨酯为胶结剂，具有高强度、高韧性、耐疲劳性，其结构致密并与桥面变形协调能力较好，能够防止桥面裂缝的产生；掺入橡胶颗粒不仅能够制备轻质混合料、调控混合料毛体积相对密度为1.8～2.5g/cm³，而且能够有效利用废旧橡胶，符合绿色道路新理念。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料，包括以下重量份数的组分：矿质集料100份，聚氨酯胶结剂3～15份，水泥0～5份，矿粉0～5份，1-5mm粒径橡胶颗粒0～40份，粒径小于1mm的橡胶颗粒0～20份。以上水泥等组分当其加入量为0时，表示其不添加，且上述水泥、矿粉、橡胶颗粒等组分的加入量优选不同时为0。

进一步的，所述的矿质集料包括10-15mm粒径、5-10mm粒径玄武岩碎石集料和小于5mm粒径石灰岩碎石集料三种。

更进一步的，10-15mm粒径、5-10mm粒径和小于5mm粒径这三种碎石集料的质量比为(0-20)：(30～60)：(20～50)，此处当10-15mm粒径集料为0时，表示此粒径的集料不添加。

进一步的，所述聚氨酯胶结剂为双组分固化体系，其由作为A组分的固化剂与作为B组分的改性MDI预聚体在室温下拌和而成。

更进一步的，所述固化剂为包括交联剂、催化剂与增塑剂在内的混合物；

所述改性MDI预聚体满足以下条件：室温黏度<2000mPa·s，表干时间2h，实干时间6h，固化后材料拉伸强度>15MPa，拉伸断裂伸长率>60％，250℃不分解。

进一步的，所述水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥。

进一步的，所述矿粉为磨细石灰岩矿粉。

进一步的，所述橡胶颗粒为废旧轮胎橡胶。

一种高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)取矿质集料与1-5mm粒径橡胶颗粒拌和，再掺入聚氨酯胶结剂掺入矿质集料中拌和，得到聚氨酯颗粒混合物；

(2)接着将粒径小于1mm的橡胶颗粒、水泥、矿粉掺入聚氨酯颗粒混合物中拌和，即得到目的产物桥面铺装材料。

进一步的，桥面铺装材料的毛体积相对密度可调控范围为1.8～2.5g/cm³。

本发明所得到的桥面铺装材料，从拌和至摊铺所用时间不得超过2h；碾压成型后，经过48h室温养护，即得高强高韧轻质聚氨酯橡胶混合料；施工环境温度应保持在-10～40℃，空气相对湿度不能超过90％；施工时应保证底层干燥无明显水迹，禁止在雨天施工和使用湿润集料。

本发明中三种粒径矿质集料主要起到骨架作用，使混合料具有承载能力；矿粉主要起到填充作用，使混合料更加密实；水泥起到填充作用和增加混合料耐水损害性能；聚氨酯胶结剂起到粘结作用，赋予混合料高强度和疲劳性能；橡胶颗粒能够提高混合料的韧性，同时降低混合料的毛体积密度。

本发明中各组分的掺量主要为了保证混合料的密实结构、高强度、高韧性和压实度。如小于5mm粒径组分(集料、矿粉和橡胶颗粒)过低，混合料的密实程度降低；聚氨酯掺量过低，混合料的力学强度会降低，掺量过高则混合料表面抗滑性能会降低；水泥的作用主要是提高混合料的耐水性能，掺量过高则混合料的刚度增加，柔韧性下降；橡胶颗粒主要是提高混合料的韧性，掺量过高影响影响混合料的压实。

本发明中聚氨酯橡胶混合料性能指标主要有：1)体积参数(毛体积相对密度、最大理论密度、空隙率)；2)力学强度(马歇尔稳定度、冻融劈裂强度)；3)耐久性能(动稳定度、残留稳定度、抗疲劳性能)；4)桥面适应性能(最大弯曲应变、抗滑性能)

本发明采用的聚氨酯材料较环氧沥青相比柔韧性更好，特别是聚醚型聚氨酯，能够适应桥梁弯曲变形，防止桥面裂缝的出现；聚氨酯材料为室温固化材料，相比热拌沥青混合料和环氧沥青混合料，VOC排放小，更节能环保。同时，将废橡胶颗粒加入到聚氨酯混合料中能够有效提高混合料弹性、降低铺装层厚度，具有降噪的作用，也是废旧轮胎橡胶有效利用途径之一。因此，聚氨酯橡胶混合料作为一种绿色铺装材料，能够满足桥梁道面的路用性能，是桥面铺装材料未来发展方向。本发明聚氨酯橡胶混合料既是这一新思路的具体体现。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)路用性能提升：

与环氧沥青混合料相比，本发明采用柔韧性较好的聚醚型聚氨酯作为胶结剂，从而克服了目前桥面铺装材料不能适应桥面协调变形而出现开裂病害；与传统沥青混合料相比，本发明抗疲劳性能、动稳定度明显提高，不仅可以延长桥面使用寿命，而且也大大降低了养护成本；采用水泥为添加剂，在一定程度上提高了该混合料的水稳定性。

(2)减轻桥梁重量：

本发明能够通过橡胶颗粒和矿质集料复配进行混合料密度的调控，并且能够有效减小铺装层厚度、铺装层重量，延长桥面使用寿命。

(3)经济与环保性：

本发明施工温度为0～40℃，与普通沥青混合料、环氧沥青混合料需要在高温施工相比，有效的节约了能源、降低成本、经济效益可观。同时，随着我国汽车保有量的增加，废旧轮胎的的产量也在不断增加，废旧轮胎的大量堆放不仅污染环境、占用土地资源，甚至存在安全隐患。本发明利用废旧轮胎橡胶颗粒作为骨料和填充料且掺量较大，能够充分利用废旧橡胶资源、变废为宝，满足节能环保新理念。

桥面铺装材料与普通道路路面使用环境有很大不同，桥面铺装材料使用环境更加苛刻，不仅受到自然环境因素、行车荷载作用影响，而且要经受更为复杂的力学变形，这对桥面铺装材料高温稳定性、低温柔韧性、耐疲劳性能、水稳定性等路用性能要求更高。本发明的聚氨酯橡胶混合料能够满足以上性能要求，能够延长桥面使用寿命，具有较高的经济效益。

附图说明

图1为本发明的制备流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施例中，聚氨酯A、B组分均购自巴斯夫聚氨酯特种产品(中国)有限公司；橡胶颗粒则购自上海明常实业有限公司。其余未具体说明的原料或技术，则表明均为本领域的常规市售产品或常规技术。

本发明提供了一种用作桥面铺装材料的聚氨酯橡胶混合料的制备方法，其流程参见图1所示，具体步骤为：

1)将不同粒径碎石集料、1～5mm粒径橡胶颗粒按照一定配比在室温下拌和60s，得到均匀混合集料；

2)将双组份改性聚氨酯A组分与B组分室温下拌和120s，得到聚氨酯胶结剂；

3)将聚氨酯胶结剂掺入到均匀集料中拌和60s，得到聚氨酯橡胶颗粒混合物；

4)最后将粒径为0～1mm橡胶颗粒、水泥和矿粉掺入到聚氨酯橡胶颗粒混合物中拌和90s，压实成型后室温养护48h，制备得到轻质、高强度、高韧性且毛体积相对密度可调控的聚氨酯桥面铺装材料。

实施例1

按照本发明提供的聚氨酯橡胶混合料实施例1，含有以下物质及各物料质量份，如下表1所示：

表1

矿质集料为粒径10-15mm玄武岩碎石集料、粒径5-10mm玄武岩碎石集料、粒径不大于5mm石灰岩碎石集料，且三种集料质量份数之比分别为：15：55：30，各粒径矿质集料满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)性能要求。

上述聚氨酯橡胶混合料的制备方法，其流程参考图1所示流程，将制备好的聚氨酯橡胶混合料在温度为0～40℃条件下压实成型，养护48h后进行性能测试。参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对其路用性能进行测试，主要包括：体积参数(毛体积相对密度、最大理论密度、空隙率)、力学强度(马歇尔稳定度、冻融劈裂强度)、耐久性能(动稳定度、残留稳定度、抗疲劳性能)、桥面适应性能(最大弯曲应变、抗滑性能)。

实施例2

按照本发明提供的聚氨酯橡胶混合料实施例2，含有以下物质及各物料质量份，如下表2所示：

表2

矿质集料为粒径10-15mm玄武岩碎石集料、粒径5-10mm玄武岩碎石集料、粒径0-5mm石灰岩碎石集料，且三种集料质量份数之比分别为：10：50：40，各粒径矿质集料满足《公 路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)性能要求。

上述聚氨酯橡胶混合料的制备方法，其流程参考图1所示流程，将制备好的聚氨酯橡胶混合料在温度为0～40℃条件下压实成型，养护48h后进行性能测试。参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对其路用性能进行测试，主要包括：体积参数(毛体积相对密度、最大理论密度、空隙率)、力学强度(马歇尔稳定度、冻融劈裂强度)、耐久性能(动稳定度、残留稳定度、抗疲劳性能)、桥面适应性能(最大弯曲应变、抗滑性能)。

实施例3

按照本发明提供的聚氨酯橡胶混合料实施例3，含有以下物质及各物料质量份，如下表3所示：

表3

矿质集料为粒径10-15mm玄武岩碎石集料、粒径5-10mm玄武岩碎石集料、粒径0-5mm石灰岩碎石集料，且三种集料质量份数之比分别为：20：40：40，各粒径矿质集料满足《公 路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)性能要求。

上述聚氨酯橡胶混合料的制备方法，其流程参考图1所示流程，将制备好的聚氨酯橡胶混合料在温度为0～40℃条件下压实成型，养护48h后进行性能测试。参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对其路用性能进行测试，主要包括：体积参数(毛体积相对密度、最大理论密度、空隙率)、力学强度(马歇尔稳定度、冻融劈裂强度)、耐久性能(动稳定度、残留稳定度、抗疲劳性能)、桥面适应性能(最大弯曲应变、抗滑性能)。

实施例4

按照本发明提供的聚氨酯橡胶混合料实施例4，含有以下物质及各物料质量份，如下表4所示：

表4

矿质集料为粒径10-15mm玄武岩碎石集料、粒径5-10mm玄武岩碎石集料、粒径0-5mm石灰岩碎石集料，且三种集料质量份数之比分别为：20：45：35，各粒径矿质集料满足《公 路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)性能要求。

上述聚氨酯橡胶混合料的制备方法，其流程参考图1所示流程，将制备好的聚氨酯橡胶混合料在温度为0～40℃条件下压实成型，养护48h后进行性能测试。参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对其路用性能进行测试，主要包括：体积参数(毛体积相对密度、最大理论密度、空隙率)、力学强度(马歇尔稳定度、冻融劈裂强度)、耐久性能(动稳定度、残留稳定度、抗疲劳性能)、桥面适应性能(最大弯曲应变、抗滑性能)。

实施例5

按照本发明提供的聚氨酯橡胶混合料实施例5，含有以下物质及各物料质量份，如下表5所示：

表5

矿质集料为粒径10-15mm玄武岩碎石集料、粒径5-10mm玄武岩碎石集料、粒径0-5mm石灰岩碎石集料，且三种集料质量份数之比分别为：20：55：25，各粒径矿质集料满足《公 路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)性能要求。

上述聚氨酯橡胶混合料的制备方法，其流程参考图1所示流程，将制备好的聚氨酯橡胶混合料在温度为0～40℃条件下压实成型，养护48h后进行性能测试。参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对其路用性能进行测试，主要包括：体积参数(毛体积相对密度、最大理论密度、空隙率)、力学强度(马歇尔稳定度、冻融劈裂强度)、耐久性能(动稳定度、残留稳定度、抗疲劳性能)、桥面适应性能(最大弯曲应变、抗滑性能)。

实施例6

按照本发明提供的聚氨酯橡胶混合料实施例6，含有以下物质及各物料质量份，如下表6所示：

表6

矿质集料为粒径10-15mm玄武岩碎石集料、粒径5-10mm玄武岩碎石集料、粒径0-5mm石灰岩碎石集料，且三种集料质量份数之比分别为：15：50：35，各粒径矿质集料满足《公 路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)性能要求。

上述聚氨酯橡胶混合料的制备方法，其流程参考图1所示流程，将制备好的聚氨酯橡胶混合料在温度为0～40℃条件下压实成型，养护48h后进行性能测试。参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对其路用性能进行测试，主要包括：体积参数(毛体积相对密度、最大理论密度、空隙率)、力学强度(马歇尔稳定度、冻融劈裂强度)、耐久性能(动稳定度、残留稳定度、抗疲劳性能)、桥面适应性能(最大弯曲应变、抗滑性能)。

实施例7

按照本发明提供的聚氨酯橡胶混合料实施例7，含有以下物质及各物料质量份，如下表7所示：

表7

矿质集料为粒径10-15mm玄武岩碎石集料、粒径5-10mm玄武岩碎石集料、粒径0-5mm石灰岩碎石集料，且三种集料质量份数之比分别为：10：60：30，各粒径矿质集料满足《公 路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)性能要求。

上述聚氨酯橡胶混合料的制备方法，其流程参考图1所示流程，将制备好的聚氨酯橡胶混合料在温度为0～40℃条件下压实成型，养护48h后进行性能测试。参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对其路用性能进行测试，主要包括：体积参数(毛体积相对密度、最大理论密度、空隙率)、力学强度(马歇尔稳定度、冻融劈裂强度)、耐久性能(动稳定度、残留稳定度、抗疲劳性能)、桥面适应性能(最大弯曲应变、抗滑性能)，性能测试结果如下表所示。

上述7个实施例所制备的聚氨酯橡胶混合料，性能测试如下表8所示：

表8

实施例8

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中聚氨酯胶结剂掺量改为3质量份数。

实施例9

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中聚氨酯胶结剂掺量改为6质量份数。

实施例10

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中聚氨酯胶结剂掺量改为8质量份数。

实施例11

与实施例1相比，绝大部分都相同，本实施例只改变聚氨酯胶结剂掺量为10质量份数。

上述4个实施例所制备的聚氨酯橡胶混合料，性能测试如下表9所示：

表9

且当聚氨酯胶结剂添加量超过15质量份，如达到16质量份甚至更多时，所得聚氨酯橡胶混合料的抗滑性能数据低于45，这明显不符合对桥面铺装材料的性能要求。

实施例12

与实施例3相比，绝大部分都相同，本实施例只改变0-1mm橡胶颗粒为5质量份。

实施例13

与实施例3相比，绝大部分都相同，本实施例只改变0-1mm橡胶颗粒为10质量份。

实施例14

与实施例3相比，绝大部分都相同，本实施例只改变0-1mm橡胶颗粒为15质量份。

实施例15

与实施例3相比，绝大部分都相同，本实施例只改变0-1mm橡胶颗粒为20质量份。

上述4个实施例所制备的聚氨酯橡胶混合料，性能测试如下表10所示：

表10

实施例16

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中各组分配方如下表：

实施例17

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中各组分配方如下表：

实施例18

与实施例2相比，绝大部分都相同，除了本实施例中：粒径10-15mm辉绿岩碎石集料、粒径5-10mm辉绿岩碎石集料、粒径0-5mm石灰岩碎石集料，且三种集料质量份数之比分别为：20：30：50。

实施例19

与实施例2相比，绝大部分都相同，除了本实施例中：粒径10-15mm辉绿岩碎石集料、粒径5-10mm辉绿岩碎石集料、粒径0-5mm石灰岩碎石集料，且三种集料质量份数之比分别为：0：60：40。

实施例20

与实施例2相比，绝大部分都相同，除了本实施例中：粒径10-15mm辉绿岩碎石集料、粒径5-10mm辉绿岩碎石集料、粒径0-5mm石灰岩碎石集料，且三种集料质量份数之比分别为：10：45：45。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料，其特征在于，包括以下重量份数的组分：矿质集料100份，聚氨酯胶结剂3～15份，水泥0～5份，矿粉0～5份，1-5mm粒径橡胶颗粒0～40份，粒径小于1mm的橡胶颗粒0～20份。

2.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料，其特征在于，所述的矿质集料包括10-15mm粒径、5-10mm粒径玄武岩碎石集料和小于5mm粒径石灰岩碎石集料三种。

3.根据权利要求2所述的一种高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料，其特征在于，10-15mm粒径、5-10mm粒径和小于5mm粒径这三种碎石集料的质量比为(0～20)：(30～60)：(20～50)。

4.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料，其特征在于，所述聚氨酯胶结剂为双组分固化体系，其由作为A组分的固化剂与作为B组分的改性MDI预聚体在室温下拌和而成。

5.根据权利要求4所述的一种高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料，其特征在于，所述固化剂为包括交联剂、催化剂与增塑剂在内的混合物；

所述改性MDI预聚体满足以下条件：室温黏度<2000mPa·s，表干时间2h，实干时间6h，固化后材料拉伸强度>15MPa，拉伸断裂伸长率>60％，250℃不分解。

6.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料，其特征在于，所述水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥。

7.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料，其特征在于，所述矿粉为磨细石灰岩矿粉。

8.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料，其特征在于，所述橡胶颗粒为废旧轮胎橡胶。

9.如权利要求1-8任一所述的一种高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)取矿质集料与1-5mm粒径橡胶颗粒拌和，再掺入聚氨酯胶结剂掺入矿质集料中拌和，得到聚氨酯颗粒混合物；

(2)接着将粒径小于1mm的橡胶颗粒、水泥、矿粉掺入聚氨酯颗粒混合物中拌和，即得到目的产物桥面铺装材料。

10.根据权利要求9所述的一种高强度高韧性轻质聚氨酯橡胶桥面铺装材料的制备方法，其特征在于，桥面铺装材料的毛体积相对密度可调控范围为1.8～2.5g/cm³。