CN114292048B

CN114292048B - 一种高强度密级配聚氨酯混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN114292048B
Application number: CN202210029791.5A
Authority: CN
Inventors: 张文生; 庞德政; 缪宝吉; 孙玮良; 李雅迪; 高博
Original assignee: Wanhua Chemical Group Co Ltd
Current assignee: Wanhua Chemical Group Co Ltd
Priority date: 2022-01-12
Filing date: 2022-01-12
Publication date: 2023-03-17
Anticipated expiration: 2042-01-12
Also published as: CN114292048A

Abstract

本发明提供了一种高强度密级配聚氨酯混凝土及其制备方法。高强度混凝土由聚氨酯胶结剂、不同规格的集料、填料、助剂经击实成型、湿气固化得到，该聚氨酯混凝土劈裂强度高，可达4‑8MPa，耐高低温性能好，高温时不易产生车辙，同时又具有一定的延展性，低温不脆裂。本发明提供的聚氨酯混凝土制备方法有效控制了聚氨酯混凝土成型过程中的膨胀现象，可控制膨胀率低至1%以内；并且由于强度高，可以减薄结构层的厚度，节省集料，可用于面层、基层等各种公路路面结构。

Description

一种高强度密级配聚氨酯混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于道路材料领域，具体涉及一种高强度密级配聚氨酯混凝土及其制备方法。

背景技术

随着我国聚氨酯工业的迅速发展，聚氨酯材料的应用也越来越广泛。在公路材料领域，目前普遍采用沥青混凝土进行公路的铺装建造。由于沥青材料本身的固有特性，以及我国夏季高温炎热，冬季寒冷且剧烈降温的气候，导致沥青类公路路面出现许多问题，例如高温车辙问题、低温开裂问题等，这些问题导致道路性能下降，为行车带来极大安全隐患，反复修补也对经济社会效益造成巨大损失。因此，急需一种新型材料，能够解决公路路面的耐高低温问题。

CN 111170678 A“一种聚氨酯为结合料的浇筑式混凝土及其制备方法”，使用单组份聚氨酯粘结剂，制备了一种浇筑型的混凝土，解决了钢桥面铺装层早期病害严重，使用寿命短的问题，但其应用领域限于钢桥面，且制备过程中使用昂贵的潜固化剂，不利于大规模应用。

综上，目前道路工程需要大幅提高混凝土的劈裂强度，并使其具备一定低温延展性，以解决目前沥青路面存在的高温车辙问题、低温开裂问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度密级配聚氨酯混凝土的制备方法，使混凝土的劈裂强度大大提高，并具备一定低温延展性，以解决目前沥青路面存在的高温车辙问题、低温开裂问题。

为达到以上发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种高强度密级配聚氨酯混凝土的制备方法，所述方法包含如下步骤：

S1：将粗、细集料和MDI-长链脂肪醇预聚物在拌和锅内拌和；

S2：拌和锅降温，加入聚氨酯胶结剂、助剂和矿粉继续拌和；

S3：S2的混合料养护后，放入模具击实获得样块；

S4：样块固化得到高强度密级配聚氨酯混凝土。

本发明采用的结合料为单组份湿固化聚氨酯，其通过吸收空气中的水汽进行固化，形成热固性聚氨酯结构，与沥青相比，具有较好的高低温稳定性；另外，聚氨酯的固化形成极性很大的脲键，可以与集料、矿粉表面形成化学粘接，极大地提高了混凝土的抗拉强度。

一般情况下，NCO与水汽反应放出二氧化碳，易造成混凝土体积膨胀而强度下降，这极大地限制了聚氨酯材料在公路材料中的应用。本发明在混凝土组分中引入碳酸丙烯酯，对二氧化碳有吸收作用，控制了混凝土的膨胀。

本发明引入MDI-长链脂肪醇预聚物对集料进行疏水改性，减缓混合料体系吸收水汽的速度。MDI-长链脂肪醇预聚物为端NCO基烷烃，端NCO在80℃下与集料表面的羟基反应，另一端的长链烷基附着于集料表面，形成疏水作用；另外，在加入单组份聚氨酯胶结剂后，长链烷基也增强了聚氨酯胶结剂的疏水性。

本发明在混凝土的组分中引入分子筛原粉、无水氯化钙，对水汽有一定吸附作用，减缓了水与NCO的反应速度，这与前述的减缓水汽的吸收速度形成协同作用，使二氧化碳的释放更为平缓。以上减缓二氧化碳的释放与碳酸丙烯酯吸收二氧化碳形成的协同作用，更好地控制了混凝土的膨胀现象。

本发明中，所述S1中集料的级配为AC-13、AC-20、AC-25一种或多种，优选AC-13。AC-型是密级配沥青混凝土所用级配，常用于公路的表面层、中面层及下面层。

本发明中，所述S1中MDI-长链脂肪醇预聚物为4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯与正癸醇、月桂醇、肉豆蔻醇中的一种或多种预聚而成；优选地，所述MDI-长链脂肪醇预聚物用量为1.0％-3.0％，优选1.2-2.5％，更优选1.5％-2.0％，以集料与矿粉总质量计。

本发明中，所述S1的温度为60℃-80℃。

本发明中，所述S2中的聚氨酯胶结剂为单组份湿固化胶结剂；优选地，所述胶结剂用量为3％-12％，优选4％-10％，更优选5％-8％。

本发明中，所述S2中的助剂为碳酸丙烯酯，分子筛原粉和/或无水氯化钙；优选地，所述碳酸丙烯酯用量为0.4％-1.2％，优选0.5％-1.0％，更优选0.6％-0.8％，以集料与矿粉总质量计；优选地，所述分子筛原粉和/或无水氯化钙用量为0.4％-1.0％，优选0.5％-0.9％，更优选0.6％-0.8％，以集料与矿粉总质量计。

本发明中，所述S2中矿粉级别为S75、S95、S105中的一种或多种，优选S95；优选地，所述矿粉用量为5.0％-10.0％，优选6.0％-9.0％，更优选7.0％-8.0％，以集料与矿粉总质量计。

本发明中，所述S2的温度为常温。

本发明中，所述S3中养护温度为15-80℃，优选20-70℃，更优选30-60℃；相对湿度为40％-90％，优选50-80％，更优选60-70％；养护时间为1-8h，优选1.5-6h，更优选2-4h。

本发明中，所述S3中击实次数为双面50-80次，优选双面75次。使用标准马歇尔模具。

本发明中，所述S4中固化温度为15-50℃，优选20-40℃，更优选25-30℃；固化相对湿度为40-90％，优选50-80％，更优选60-70％。

本发明的另一目的在于提供一种高强度密级配聚氨酯混凝土。

一种高强度密级配聚氨酯混凝土，采用上述的高强度密级配聚氨酯混凝土制备方法制备获得，所述混凝土的劈裂强度为4-8MPa，体积膨胀率≤1％。

为解决沥青路面存在的问题，本发明提供的聚氨酯混凝土强度高，对温度变化不敏感，高温时抗车辙，同时又具有一定的延展性，低温不脆裂。所述聚氨酯混凝土制备方法有效控制了混凝土成型过程中的膨胀现象，由此提高了混凝土的劈裂强度、动稳定度及低温弯曲应变，使用本发明的聚氨酯混凝土进行公路路面铺装，可以减薄结构层的厚度，节省集料，可用于面层、基层等各种公路路面结构。

与现有技术相比较，本发明的积极效果在于：

(1)采用的结合料可以与集料、矿粉表面形成化学粘接，极大地提高了混凝土的抗拉强度；

(2)在混凝土组分中引入碳酸丙烯酯，对二氧化碳有吸收作用，控制了混凝土的膨胀；

(3)引入MDI-长链脂肪醇预聚物对集料进行疏水改性，减缓混合料体系吸收水汽的速度；

(4)在混凝土的组分中引入的分子筛原粉等，与(3)所述减缓水汽的吸收速度形成协同作用，使二氧化碳的释放更为平缓；减缓二氧化碳的释放与碳酸丙烯酯吸收二氧化碳形成协同作用，更好的控制了混凝土的膨胀现象。

附图说明

图1为实施例1制备的高强度密级配聚氨酯混凝土马歇尔样块。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例，还应包括本发明做要求的权利范围内其它任何公知的改变。

原料信息：

粗细集料S8、S9、S10、S12、S15为不同粒径范围的玄武岩，符合《JTG E42-2005公路工程集料试验规程》标准，烟台泰华路桥公司；

矿粉S75、S95、S105皆为石灰岩加工制粉，符合《JTG E42-2005公路工程集料试验规程》标准，烟台泰华路桥公司；

单组份聚氨酯胶结料，万华化学Wannate 6190，固含量100％，淡黄色粘稠液体，NCO％＝10.9％，粘度2700mPa.s(25℃)；

4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯，万华化学Wannate MDI-100，常温下为白色结晶，纯度99.8％，NCO％＝33.6％；

正癸醇、月桂醇、肉豆蔻醇，江苏海企国际股份有限公司生产，工业级；

碳酸丙烯酯，济南润泰化工，工业级；

分子筛原粉，上海久宙化学品有限公司，工业级；

氯化钙，山东锦沅新材料科技有限公司，工业级。

设备信息：

全自动混合料拌混机，上海昌吉，SYD-F02-20；

全自动马歇尔击实仪，上海昌吉，SYD-0702A；

恒温恒湿箱，高铁检测仪器有限公司，GT-7005-A2L；

全自动混合料压力试验仪，上海昌吉，SYD-0730A；

车辙试验机，上海昌吉，SYD-0719C-2；

板块切割机，上海昌吉，SYD-0850。

劈裂强度、动稳定度、低温弯曲应变测试方法参照《JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0716、T0715、T0719执行。

对比例1

称取690g粗集料S10、630g粗集料S12，1470g细集料S15，并加入单组份聚氨酯胶结剂150g，使用拌混机进行拌混，搅拌转速42rpm，次数为2次，每次30秒；加入210g的S95级矿粉，继续拌混，搅拌转速42rpm，次数为2次，每次30秒；将混合料放于30℃/70％RH的环境中养护3h，之后使用马歇尔击实仪对混凝土样块进行双面75次击实，放于30℃/70％RH的环境中固化，即制得对比例AC-13型聚氨酯混凝土。其各项性能数据如下：

项目	数值
		劈裂强度/MPa	3.1
体积膨胀率/％	4.5
		动稳定度次/mm	30,140
低温弯曲应变/με	3504

实施例1

称取690g粗集料S9、630g粗集料S12，1470g细集料S15放于拌锅中，升温至80℃，加入1.0％的MDI-正癸醇预聚物30g，开始搅拌，搅拌转速42rpm，时间20min；降温至室温，然后加入3％的单组份聚氨酯胶结剂90g，以及0.4％的碳酸丙烯酯12g，0.4％的分子筛原粉12g，使用拌混机进行拌混，搅拌转速42rpm，次数为2次，每次30秒；加入210g的S95级矿粉，继续拌混，搅拌转速42rpm，次数为2次，每次30秒；将混合料放于15℃/90％RH的环境中养护8h，之后使用马歇尔击实仪对混凝土样块进行双面75次击实，放于15℃/90％RH的环境中固化，即制得高强度AC-20型密级配聚氨酯混凝土马歇尔试件，见图1。其各项性能数据如下：

项目	数值
		劈裂强度/MPa	4.0
体积膨胀率/％	0.90
		动稳定度次/mm	63,640
低温弯曲应变/με	4460

实施例2

称取690g粗集料S8、630g粗集料S12，1470g细集料S15，放于拌锅中，升温至60℃，加入2.0％的MDI-月桂醇预聚物60g，开始搅拌，搅拌转速42rpm，时间20min；降温至室温，然后加入12％的单组份聚氨酯胶结剂360g，以及1.2％的助剂碳酸丙烯酯36g，1.0％的分子筛原粉30g，使用拌混机进行拌混，搅拌转速42rpm，次数为2次，每次30秒；加入210g的S95级矿粉，继续拌混，搅拌转速42rpm，次数为2次，每次30秒；将混合料放于80℃/40％RH的环境中养护1h，之后使用马歇尔击实仪对混凝土样块进行双面75次击实，放于50℃/40％RH的环境中固化，即制得高强度AC-25型密级配聚氨酯混凝土。其各项性能数据如下：

项目	数值
		劈裂强度/MPa	8.0
体积膨胀率/％	0.90
		动稳定度次/mm	90,136
低温弯曲应变/με	6080

实施例3

称取690g粗集料S10、630g粗集料S12，1470g细集料S15，放于拌锅中，升温至80℃，加入3.0％的MDI-肉豆蔻醇预聚物90g，开始搅拌，搅拌转速42rpm，时间20min；降温至室温，然后加入5％的单组份聚氨酯胶结剂150g，加入0.6％的碳酸丙烯酯18g，以及0.6％的无水氯化钙粉18g，使用拌混机进行拌混，搅拌转速42rpm，次数为2次，每次30秒；加入210g的S95级矿粉，继续拌混，搅拌转速42rpm，次数为2次，每次30秒；将混合料放于30℃/60％RH的环境中养护2h，之后使用马歇尔击实仪对混凝土样块进行双面75次击实，放于30℃/60％RH的环境中固化，即制得高强度AC-13型密级配聚氨酯混凝土。其各项性能数据如下：

项目	数值
		劈裂强度/MPa	7.5
体积膨胀率/％	0.20
		动稳定度次/mm	78,439
低温弯曲应变/με	9730

实施例4

称取690g粗集料S10、630g粗集料S12，1470g细集料S15，放于拌锅中，升温至80℃，加入1.0％的MDI-正癸醇预聚物30g、2.0％的MDI-月桂醇预聚物60g，开始搅拌，搅拌转速42rpm，时间20min；降温至室温，然后并加入8％的单组份聚氨酯胶结剂240g，加入0.8％的碳酸丙烯酯24g，以及0.8％的助剂无水氯化钙粉24g，使用拌混机进行拌混，搅拌转速42rpm，次数为2次，每次30秒；加入210g的S95级矿粉，继续拌混，搅拌转速42rpm，次数为2次，每次30秒；将混合料放于60℃/70％RH的环境中养护4h，之后使用马歇尔击实仪对混凝土样块进行双面75次击实，放于25℃/70％RH的环境中固化，即制得高强度AC-13型密级配聚氨酯混凝土。其各项性能数据如下：

项目	数值
		劈裂强度/MPa	7.6
体积膨胀率/％	0.40
		动稳定度次/mm	65,800
低温弯曲应变/με	5548

通过上述实施例和对比例的比较可以发现，本发明的高强度密级配聚氨酯混凝土有效控制了成型过程中的体积膨胀现象至1.0％以内，由此提高了混凝土的劈裂强度、动稳定度及低温弯曲应变，使用本发明制备的聚氨酯混凝土铺设的路面，高温抗车辙，低温抗脆裂，性能优秀。

Claims

1.一种高强度密级配聚氨酯混凝土的制备方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：

S1：将粗、细集料和MDI-长链脂肪醇预聚物在拌和锅内拌和；

S3：S2的混合料养护后，放入模具击实获得样块；

S4：样块固化得到高强度密级配聚氨酯混凝土；

其中，S1所述MDI-长链脂肪醇预聚物中的长链脂肪醇为正癸醇、月桂醇、肉豆蔻醇中的一种或多种；所述MDI-长链脂肪醇预聚物用量为1.0%-3.0%，以集料与矿粉总质量计；

其中，S2中的聚氨酯胶结剂为单组分湿固化胶结剂；助剂为碳酸丙烯酯，分子筛原粉和/或无水氯化钙；所述聚氨酯胶结剂用量为3%-12%，碳酸丙烯酯用量为0.4%-1.2%，分子筛原粉和/或无水氯化钙用量为0.4%-1.0%，矿粉用量为5.0%-10.0%，以集料与矿粉总质量计。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S1中集料的级配为AC-13、AC-20、AC-25中的一种；

和/或，所述S1的拌和温度为60℃-80℃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述MDI-长链脂肪醇预聚物用量为1.2-2.5%，以集料与矿粉总质量计。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述MDI-长链脂肪醇预聚物用量为1.5%-2.0%，以集料与矿粉总质量计。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S2中矿粉级别为S75、S95、S105中的一种或多种；

和/或，所述S2的温度为常温。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚氨酯胶结剂用量为4%-10%，以集料与矿粉总质量计；

所述碳酸丙烯酯用量为0.5%-1.0%，以集料与矿粉总质量计；

所述分子筛原粉和/或无水氯化钙用量为0.5%-0.9%，以集料与矿粉总质量计；

所述矿粉用量为6.0%-9.0%，以集料与矿粉总质量计。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述聚氨酯胶结剂用量为5%-8%，以集料与矿粉总质量计；

所述碳酸丙烯酯用量为0.6%-0.8%，以集料与矿粉总质量计；

所述分子筛原粉和/或无水氯化钙用量为0.6%-0.8%，以集料与矿粉总质量计；

所述矿粉用量为7.0%-8.0%，以集料与矿粉总质量计。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S3中养护温度为15-80℃，相对湿度为40%-90%，养护时间为1-8h；

和/或，所述S3中击实次数为双面50-80次。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述S3中养护温度为20-70℃，相对湿度为50-80%，养护时间为1.5-6h。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述S3中养护温度为30-60℃；相对湿度为60-70%；养护时间为2-4h。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S4中固化温度为15-50℃；固化相对湿度为40-90%。

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述S4中固化温度为20-40℃；固化相对湿度为50-80%。

13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述S4中固化温度为25-30℃；固化相对湿度为60-70%。

14.一种高强度密级配聚氨酯混凝土，采用权利要求1-13中任一项所述的高强度密级配聚氨酯混凝土的制备方法制备获得，其特征在于，所述混凝土的劈裂强度为4-8MPa，体积膨胀率≤1%。