CN113990411A - 一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法，包括以下步骤：(1)选取矿质集料并确定其级配；(2)确定设计空隙率；(3)根据矿质集料的比表面积与设计的胶结剂膜的厚度，确定所用聚氨酯胶结剂的初始用量，并调整不同初始用量，制成不同的马歇尔试件与车辙试件；(4)以聚氨酯胶结剂的初始用量为横坐标，以马歇尔试件与车辙试件的路用性能为纵坐标，形成油石比性能坐标图，再通过平衡设计公式，得到最佳聚氨酯胶结剂用量；(5)检测最佳聚氨酯胶结剂用量下的聚氨酯混合料的路用性能是否合格。与现有技术相比，本发明不仅适用于传统混合料结构，同时也适用于单一粒径的混合料结构，整个设计流程简单，设计成本较低。

Description

一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法
技术领域
本发明属于高聚物混合料铺面材料技术领域，涉及一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法。
背景技术
沥青路面由于表面平整、无接缝、行车舒适度高和施工周期短等优点被广泛应用于高等级公路中。但沥青作为石油化工的副产物，属于粘弹性材料，性能受温度的影响较大，如在高温条件下容易发生车辙、拥包等永久变形病害，低温常常产生温缩裂缝。同时，从长期使用效果来看，沥青路面往往会出现老化、水损等病害，严重影响沥青路面的使用寿命。虽然目前高聚物改性沥青胶结剂能够在一定程度上降低沥青的温度敏感性，但沥青路面的病害没有得到根本的改善。同时沥青路面施工大多为高温条件，能耗较高，同时VOC排放较高，对环境造成一定影响。
高聚物胶结剂作为人工合成材料被广泛应用于结构、土建等行业。其中聚氨酯胶结剂作为第六大人工合成材料，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道路工程中。
目前，常见的铺面材料主要以沥青混合料为主，设计方法主要包括马歇尔设计方法、Superpave设计方法和GTM设计方法等。这些方法主要根据沥青胶结剂特性及混合料压实特性进行设计。而聚氨酯材料属于热固性材料，与沥青材料有较大不同，如聚氨酯随温度的变化，其性能变化较小，抗变形性能较好；聚氨酯固化后表面较为光滑，不具有沥青的粘滞性，初始抗滑性能不及沥青混合料；同时，沥青材料具有一定的自愈合功能。目前，国内外对基于高聚物特性的混合料配合比设计方法研究较少。
中国专利CN110261248A公开了一种多孔弹性路面混合料设计优化方法。该聚氨酯多孔混合料采用等体积替代的方式将级配中的细集料置换为同粒径的橡胶颗粒，通过剪切试验确定最佳级配，并根据弯曲试验得到最佳聚氨酯掺量，最终得到具有一定降噪功能聚氨酯多孔混合料。但该优化方法只针开级配进行设计，同时只选用单一的弯曲试验来确定胶结剂用量，并未针对高聚物与混合料的特性进行分析与设计。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法，以解决目前聚氨酯混合料配合比设计指标的不足等问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法，包括以下步骤：
(1)根据《公路沥青路面施工技术规范》选取矿质集料并确定矿质集料级配；
(2)根据根据路用性能要求及实际工程需要确定聚氨酯混合料的设计空隙率；
(3)根据矿质集料的比表面积与设计的胶结剂膜的厚度，确定所用聚氨酯胶结剂的初始用量，并调整不同初始用量，制成不同的马歇尔试件与车辙试件；
(4)以聚氨酯胶结剂的初始用量为横坐标，以马歇尔试件与车辙试件的路用性能为纵坐标，形成油石比性能坐标图，再通过平衡设计公式，得到最佳聚氨酯胶结剂用量；
(5)检测最佳聚氨酯胶结剂用量下的聚氨酯混合料的路用性能是否合格，若合格，则判定此聚氨酯混合料配合比完成设计，若不合格，则返回步骤(1)重新设计。
进一步的，步骤(3)中，不同聚氨酯胶结剂的初始用量的间隔为1wt％(占总质量)。
进一步的，其特征在于，步骤(3)中，聚氨酯胶结剂的初始用量拟定5种。
进一步的，步骤(3)中，聚氨酯胶结剂的初始用量的确定过程如下：
ω初＝A×h×ρ，
A＝(2+0.02a+0.04b+0.08c+0.14d+0.3e+0.6f+1.6g)/48.74，
式中，ω初为聚氨酯胶结剂的初始用量，A为矿质集料的总表面积，ρ为聚氨酯胶结剂的相对密度，h为聚氨酯胶结剂的膜厚度，a、b、c、d、e、f、g分别为矿质集料通过4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm筛孔的百分率，％。
更进一步的，为防止胶结剂过量和保证聚氨酯胶结剂具有较好的粘结性能，聚氨酯胶结剂的膜厚度h为5～20μm(密实混合料设置为5～10μm，大孔隙混合料设置为10～20μm)。
更进一步的，聚氨酯胶结剂的相对密度ρ一般为1.0～1.2。
进一步的，步骤(4)中，路用性能包括空隙率、抗剥落性能与抗滑性能。
更进一步的，步骤(4)中，最佳聚氨酯胶结剂用量的确定过程具体为：
Figure BDA0003313038680000031
式中，ω为最佳聚氨酯胶结剂用量，
ω1为基于以胶结剂用量为横坐标、空隙率为纵坐标得到胶结剂用量与路用性能关系图中，得到的设计空隙率下的聚氨酯胶结剂用量；
ω2为基于以胶结剂用量为横坐标、飞散损失为纵坐标得到胶结剂用量与路用性能关系图中，得到的满足飞散损失为20％的聚氨酯胶结剂用量下限；
ω3为基于以胶结剂用量为横坐标、抗滑性能BPN值为纵坐标得到胶结剂用量与路用性能关系图中，得到的满足抗滑性能BPN值为45的聚氨酯胶结剂用量上限。
进一步的，所述的矿质集料为石灰岩或玄武岩。
进一步的，步骤(3)中，马歇尔试件与车辙试件成型后，置于25℃烘箱中鼓风养护48h。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)基于路用性能的配合比设计
目前，常见的铺面材料主要以沥青混合料为主，设计方法主要包括马歇尔设计方法、Superpave设计方法和GTM设计方法等。这些方法主要根据沥青胶结剂特性及混合料压实特性进行设计。而聚氨酯材料属于热固性材料，与沥青材料有较大不同，如温度敏感性、表面光滑性等。本专利基于聚氨酯及其混合料特性以空隙率、抗剥落性能与抗滑性能等指标进行配合比设计，整个设计流程简单，设计成本较低，与长期路用性能具有较大的相关性。
(2)经济与环保性
本发明中聚氨酯混合料的施工温度为室温，与普通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，采用耐久性能较优异的高性能聚氨酯作为胶结剂，能够大大提高路面的使用寿命，显著降低养护周期。
附图说明
图1为本发明的设计流程图；
图2为实施例1中AC-13最佳油石比性能图；
图3为实施例2中OGFC-13最佳油石比性能图；
图4为实施例3中SMA-13最佳油石比性能图；
图5为单一粒径级配最佳油石比的确定性能图。
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，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
在一个具体的实施方式中，提供的聚氨酯橡胶混合料制备流程如图1所示，其中聚氨酯胶结剂购自巴斯夫聚氨酯特种产品(中国)有限公司，具体步骤为：
1)根据路用性能要求对不同粒径矿质集料进行性能分析，必须满足技术规范要求，并根据现场使用并按照相应配比得到目标级配类型；
2)根据《公路沥青施工技术规范》及聚氨酯混合料使用要求确定的设计空隙率范围(如密级配为3～6％，开级配18～25％，间断级配3～4％)；
3)将干燥的矿质集料放入拌和锅中进行搅拌90s，并按照比例掺入不同用量的聚氨酯胶结剂继续拌和90s，得到聚氨酯混合料；
4)进行将聚氨酯混合料按照相应质量倒入马歇尔磨具和车辙模具中，采用马歇尔试件及车辙试件相应的击实工艺进行击实；
5)将击实后的时间放入25℃烘箱中鼓风养护48h后，取出脱模后进行性能试验；
6)对不同胶结剂用量下的试件空隙率、飞散损失、抗滑性能(BPN)值进行测试，对胶结剂用量为横坐标，各项路用性能为纵坐标，确定设计空隙率下的胶结剂掺量ω1，飞散损失为20％时候的胶结剂掺量下限ω2以及BPN值为45时胶结剂上限值ω3，根据计算得到最佳胶结剂用量ω；
Figure BDA0003313038680000051
7)对最佳聚氨酯胶结剂掺量下的混合料路用性能进行验证，主要包括力学性能(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)、低温抗裂性能，如不合格，则重新设计聚氨酯混合料的配合比参数。
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1：
按照上述实施方式的具体步骤对粒径为10～15mm、5～10mm、0～5mm三档集料及矿粉进行性能测试满足技术规范。采用AC-13级配为设计级配，最终得到合成级配如下表所示：
Figure BDA0003313038680000052
设计聚氨酯混合料的空隙率VV值为3％，密实聚氨酯混合料的膜厚度为5～10μm，聚氨酯胶结剂相对密度为1.15等，根据公式计算初始聚氨酯用量为3.38～6.76％；拟定聚氨酯的用量为3％，4％，5％，6％，7％，采用马歇尔击实方法制备马歇尔试件及车辙试件，对马歇尔试件的空隙率VV、飞散损失和车辙试件的抗滑性能进行测试，并以聚氨酯胶结剂用量为横坐标各项路用性能为纵坐标确定胶结剂用量分别为ω1，ω2，ω3，如图2所示，ω1，ω2，ω3分别为5.4％，4.4％和6.2％。
因此根据最佳胶结剂用量计算公式，可得：
Figure BDA0003313038680000053
采用5.3％作为最佳胶结剂用量并制备聚氨酯混合料，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，并最终对最佳聚氨酯胶结剂掺量下的混合料路用性能进行验证。
实施例2
按照上述具体步骤对粒径为10～15mm、5～10mm、0～5mm三档集料及矿粉进行性能测试满足技术规范。采用OGFC-13级配为设计级配，最终得到合成级配如下表所示：
Figure BDA0003313038680000061
设计聚氨酯混合料的空隙率VV值为18％，大孔隙聚氨酯混合料的膜厚度为10～20μm，聚氨酯胶结剂相对密度为1.15等，根据公式计算初始聚氨酯用量为4.11～8.21％；拟定聚氨酯的用量为4％，5％，6％，7％，8％，采用马歇尔击实方法制备马歇尔试件及车辙试件，对马歇尔试件的空隙率VV、飞散损失和车辙试件的抗滑性能进行测试，并以聚氨酯胶结剂用量为横坐标各项路用性能为纵坐标确定胶结剂用量分别为ω1，ω2，ω3，如图3所示，ω1，ω2，ω3分别为4.9％，4.3％和6.4％。
因此根据最佳胶结剂用量计算公式，可得：
Figure BDA0003313038680000062
采用5.2％作为最佳胶结剂用量并制备聚氨酯混合料，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，并最终对最佳聚氨酯胶结剂掺量下的混合料路用性能进行验证。
实施例3
按照上述具体步骤对粒径为10～15mm、5～10mm、0～5mm三档集料及矿粉进行性能测试满足技术规范。采用SMA-13级配为设计级配，最终得到合成级配如下表所示：
Figure BDA0003313038680000063
设计聚氨酯混合料的空隙率VV值为4％，密实聚氨酯混合料的膜厚度为5～10μm，聚氨酯胶结剂相对密度为1.15等，根据公式计算初始聚氨酯用量为4.19～8.38％；拟定聚氨酯的用量为4％，5％，6％，7％，8％，采用马歇尔击实方法制备马歇尔试件及车辙试件，对马歇尔试件的空隙率VV、飞散损失和车辙试件的抗滑性能进行测试，并以聚氨酯胶结剂用量为横坐标各项路用性能为纵坐标确定胶结剂用量分别为ω1，ω2，ω3，如图4所示，ω1，ω2，ω3分别为5.8％，5.0％和6.5％。
因此根据最佳胶结剂用量计算公式，可得：
Figure BDA0003313038680000071
采用5.8％作为最佳胶结剂用量并制备聚氨酯混合料，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，并最终对最佳聚氨酯胶结剂掺量下的混合料路用性能进行验证。
实施例4
按照上述具体步骤对粒径为4.75～9.5mm的矿质集料进行性能测试满足技术规范。采用单一粒径作为设计级配：
设计聚氨酯混合料的空隙率VV值为15％，根据聚氨酯混合料的膜厚度为5～20μm，胶结剂相对密度为1.15，初步拟定聚氨酯的用量为2％，3％，4％，5％，6％，采用马歇尔击实方法制备马歇尔试件及车辙试件，对马歇尔试件的空隙率VV、飞散损失和车辙试件的抗滑性能进行测试，并以聚氨酯胶结剂用量为横坐标各项路用性能为纵坐标确定胶结剂用量分别为ω1，ω2，ω3，如图5所示，ω1，ω2，ω3分别为4.5％，3.8％和5.2％。因此根据最佳胶结剂用量计算公式，可得：
Figure BDA0003313038680000072
采用4.5％作为最佳胶结剂用量并制备聚氨酯混合料，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，并最终对最佳聚氨酯胶结剂掺量下的混合料路用性能进行验证。
上述4个实施例所制备的聚氨酯混合料，性能测试如下表所示：
Figure BDA0003313038680000073
Figure BDA0003313038680000081
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)

1.一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据《公路沥青路面施工技术规范》选取矿质集料，并确定矿质集料的级配；
(2)根据路用性能要求及实际工程需要确定聚氨酯混合料的设计空隙率；
(3)根据矿质集料的比表面积与设计的胶结剂膜的厚度，确定所用聚氨酯胶结剂的初始用量，并调整不同初始用量，制成不同的马歇尔试件与车辙试件；
(4)以聚氨酯胶结剂的初始用量为横坐标，以马歇尔试件与车辙试件的路用性能为纵坐标，形成油石比性能坐标图，再通过平衡设计公式，得到最佳聚氨酯胶结剂用量；
(5)检测最佳聚氨酯胶结剂用量下的聚氨酯混合料的路用性能是否合格，若合格，则判定此聚氨酯混合料配合比完成设计，若不合格，则返回步骤(1)重新设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法，其特征在于，步骤(3)中，不同聚氨酯胶结剂的初始用量的间隔为1wt％。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法，其特征在于，步骤(3)中，聚氨酯胶结剂的初始用量拟定5种。
4.根据权利要求1所述的一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法，其特征在于，步骤(3)中，聚氨酯胶结剂的初始用量的确定过程如下：
ω初＝A×h×ρ，
A＝(2+0.02a+0.04b+0.08c+0.14d+0.3e+0.6f+1.6g)/48.74，
式中，ω初为聚氨酯胶结剂的初始用量，A为矿质集料的总表面积，ρ为聚氨酯胶结剂的相对密度，h为聚氨酯胶结剂的膜厚度，a、b、c、d、e、f、g分别为矿质集料通过4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm筛孔的百分率，％。
5.根据权利要求4所述的一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法，其特征在于，聚氨酯胶结剂的膜厚度h为5～20μm。
6.根据权利要求4所述的一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法，其特征在于，聚氨酯胶结剂的相对密度ρ为1.0～1.2。
7.根据权利要求1所述的一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法，其特征在于，步骤(4)中，路用性能包括空隙率、抗剥落性能与抗滑性能。
8.根据权利要求7所述的一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法，其特征在于，步骤(4)中，最佳聚氨酯胶结剂用量的确定过程具体为：
Figure FDA0003313038670000021
式中，ω为最佳聚氨酯胶结剂用量，
ω1为基于以胶结剂用量为横坐标、空隙率为纵坐标得到胶结剂用量与路用性能关系图中，得到的设计空隙率下的聚氨酯胶结剂用量；
ω2为基于以胶结剂用量为横坐标、飞散损失为纵坐标得到胶结剂用量与路用性能关系图中，得到的满足飞散损失为20％的聚氨酯胶结剂用量下限；
ω3为基于以胶结剂用量为横坐标、抗滑性能BPN值为纵坐标得到胶结剂用量与路用性能关系图中，得到的满足抗滑性能BPN值为45的聚氨酯胶结剂用量上限。
9.根据权利要求1所述的一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法，其特征在于，所述的矿质集料为石灰岩或玄武岩。
10.根据权利要求1所述的一种基于路用性能的聚氨酯混合料配合比设计方法，其特征在于，步骤(3)中，马歇尔试件与车辙试件成型后，置于25℃烘箱中鼓风养护48h。
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