彩色超薄磨耗层抗滑性能研究

2020-09-09董元帅樊云龙何建彬

当代化工 2020年8期

董元帅樊云龙何建彬

摘要：将矿粉与聚氨酯树脂相结合成新型聚氨酯涂层，并撒铺防滑粒料形成彩色超薄磨耗层。采用万能试验机、小型加速加载试验机、摆式仪等设备研究分析聚氨酯树脂的拉伸性能以及超薄磨耗层的抗滑性能，结果表明：矿粉的掺入能提高树脂的拉伸强度与韧性，但随着掺量的增加而逐渐降低。较空白样而言，掺入矿粉的超薄磨耗层的抗滑性能优于空白样，并能降低工程成本。通过回归分析得出指数模型y=A?e（-x/B）+C能合理的描述其抗滑性能与荷载作用之间的关系。

关键词：彩色超薄磨耗层;聚氨酯;拉伸性能;抗滑性能;回归分析

中图分类号：TQ050.4+25; U414 文獻标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）08-1660-04

Abstract： The mineral powder was combined with the polyurethane resin to form a new polyurethane coating， and the non-slip pellets were sprinkled to form a color ultra-thin wear layer. The universal testing machine， small accelerated loading test machine， pendulum instrument and other equipment were used to study and analyze the tensile properties of polyurethane resin and the anti-sliding performance of ultra-thin wear layer. The results showed that the incorporation of mineral powder improved the tensile strength and toughness of resin. Compared with the blank sample， the ultra-thin wear layer incorporated by the mineral powder had better anti-sliding performance than the blank sample， which could reduce the engineering cost. The exponential model y =A?e（-x/B）+C obtained through regression analysis can reasonably describe the relationship between its anti-sliding performance and loading.

Key words： Color ultra-thin wear layer; Polyurethane; Tensile properties; Anti-sliding properties; Regression analysis

沥青路面经过车辆荷载作用和长时间的环境因素影响，路面的抗滑性能将会渐渐下降，将会增加车辆的刹车距离并容易导致滑移，从而引起严重的交通事故[1]。如果仅仅是路面抗滑性能下降，而非路面结构破坏的情况，将原路面铣刨重修的成本较高，所以需要新的技术用于恢复原沥青路面的抗滑性能，例如微表处、同步碎石封层、雾封层、超薄磨耗层等。相对于微表处和雾封层，超薄磨耗层具有施工时间短、保护路基、提高路面性能、透水降噪性好，寿命长等优点[2-3]。

有研究表明在聚合物中掺入适量的无机粒子，能增强聚合物的物理性能，并且可以在一定程度上改善其体积稳定性[4]。陈县萍[5]将少量纳米Al2O3粒子的加入到聚氨酯中，结果表明，Al2O3对聚氨酯具有增韧和增强的作用。葛琦[6]采用环氧树脂与耐磨颗粒形成薄层环氧铺装材料，通过加速加载试验后，测得其具有良好的抗滑性能。董昭[7]采用简单的指数模型和对数模型对试件与加载次数之间的关系分别进行了拟合，结果表明，这两种简单的模型均不能拟合成功，需要改动公式才能准确的描述出试件的抗滑衰变规律。

针对路面抗滑性能衰减的问题以及聚氨酯本身的缺陷问题，本文将研究一种彩色聚氨酯类超薄抗磨耗层，研究其抗滑性能衰变状况，并建立合理的公式模型，为之后的研究者以及工程建设提供参考。

1 实验部分

1.1 原材料

试验采用油性聚氨酯树脂、矿粉、陶瓷粒料。本文采用的油性聚氨酯是一种双组分树脂，A组分为异氰酸酯固化剂，B组分为多元醇，将A与B组分按1∶2混合快速搅拌1～2 min，形成聚氨酯树脂胶粘剂。聚氨酯树脂胶粘剂主要技术指标如表1所示，矿粉与陶瓷粒料基本物理性能如表2所示。

1.2 实验仪器及设备

试验涉及的仪器与设备包括常规玻璃仪器、干燥烘箱（主要用于干燥陶瓷颗粒和矿粉）、沧州鑫兴生产的BM-3型摆式摩擦系数测定仪、上海松顿仪器制造有限公司生产的WDW-2电子万能试验机（最大荷载为2 kN）、招商局重庆交通科学研究院研究设计的小型加速加载试验机。

2 实验结果与讨论

2.1 拉伸试验

将A与B组分按1∶2混合快速搅拌1～2 min，然后将掺量（40%、60%、80%、100%）的矿粉分别添加进去，并快速搅拌2 min形成树脂胶粘剂，最后倒入拉伸试模中，室温固化3 d后取出。

本试验选用万能试验机的薄膜薄片拉伸模式对树脂试件进行研究，执行标准GB/T 1040.3—2006。试验参数：测试温度为20 ℃，拉伸速度为2 mm·min-1。试验结果见表3、图1。

由表3可知，随着矿粉的掺量增多，树脂胶粘剂的断裂拉伸应变减少，而树脂胶粘剂的拉伸断裂应力、拉伸强度和拉伸屈服应力都逐渐增大。

由应力与应变曲线图可知，通过origin软件分析可以得到不同矿粉掺量下围成的面积，分别为空白组0%为1.77、矿粉掺量40%为2.78、矿粉掺量60%为2.14、矿粉掺量80%为2.08、矿粉掺量100%为2.07。其曲线面积越大，代表着树脂胶粘剂的韧性越好，因此矿粉的加入将会提高树脂胶粘剂的韧性，原因可能是礦粉与聚氨酯树脂基体间有较强的界面作用，同时与聚氨酯树脂软硬相间有更好的相混合程度，所以矿粉对PU有聚氨酯树脂的增强和增韧作用。但是，过多的矿粉加入对聚氨酯树脂的增强效果不大，这可能是因为矿粉含量太高而分散不均匀。所以综合考虑矿粉的掺量选择为40%。

2.2 彩色超薄磨耗层抗滑耐久性研究

1）彩色超薄磨耗层试件的制作

①选择一块的标准的沥青混合料车辙板，并将其表面清理干净;

②先将聚氨酯树脂A、B组分按1∶2混合搅拌，再将40%掺量的矿粉和6%掺量的铁红粉掺入到聚氨酯树脂中，并搅拌2 min后制备成具有红色的聚氨酯树脂胶黏剂;

③将沥青混合料车辙板四周用胶带围住，并超出2 mm距离减少树脂的渗漏，然后将适量的树脂胶黏剂通过工具均匀地涂抹在车辙板上，涂抹厚度约为1 mm;

④将陶瓷颗粒满铺在涂层表面，待聚氨酯胶黏剂固化后，将其表面未粘接牢固的陶瓷颗粒清理干净，最后形成彩色超薄磨耗层（如图2所示）;

⑤最后制作空白样车辙板，不添加矿粉，其余条件一致。

2）彩色超薄磨耗层抗滑衰变研究

本试验采用加速加载试验机对彩色超薄磨耗层进行模拟车辆荷载作用，并使用摆式仪和人工铺沙法研究分析其抗滑性能。标准试验方法参照ASTM E660—90，试验参数：试验温度为20 ℃，工作轮胎为四个充气轮胎，运作速度60 r·min-1，轮胎接地压强约0.7 MPa，试验总时间为10 h，每2 h测1次摆值和构造深度。试件试验前后对照如图3-4所示，试验结果如表4。

试验总时间为10 h，一共加载次数为14.4万次，相当于轻交通一年的行车量。从图3、图4可得，掺入矿粉的超薄磨耗层表面基本无变化，防滑粒料未脱落。空白样试件表面变化不大，但是防滑粒料存在极少数脱落。由表4可知，随着加载时间增加，两组试件的摆值前期衰减很快，而逐渐降低并趋于稳定，但均大于45，满足规范要求。两组试件的构造深度MTD也随着加载时间增加而逐渐降低并在8h后趋于稳定。含有矿粉试件的摆值均大于未添加矿粉的空白样试件，原因是矿粉提高了树脂的强度与韧性，所以提高了彩色超薄磨耗层整体性能，抗拉能力与抗剪能力也更好。较构造深度而言，两组试件的差距不大。

采用origin软件中的指数模型（如公式1）对两组超薄磨耗层的摆值和构造深度进行拟合与回归分析。摆值与构造深度衰减拟合曲线如图5-6所示，回归参数如表5所示。

由图5、图6与表5结果分析可以得出，拟合曲线的相关系数R2均在0.98以上，所以采用此模型能很好的拟合出超薄抗滑磨耗层的抗滑性能指标与荷载作用时间的关系。四组试验的指数模型拟合曲线相关系数R2平均值为0.990 9，标准差为0.006 3，变异系数为0.6%，标准差与变异系数都很小，即以此模型来评价彩色超薄磨耗层的抗滑衰减规律更具有合理性。

3 结论

1）在聚氨酯树脂中加入40%矿粉可以提高其抗拉伸强度，所制备的超薄磨耗层具有高强度、高韧性的优点。由于矿粉的掺入，单位面积涂层的树脂用量将会减少，所以能降低一部分工程成本。

2）通过抗滑衰变试验表明，聚氨酯超薄磨耗层在加载14.4万次后，抗滑性能趋于平稳，并且远大于高速路规范标准。所以聚氨酯超薄磨耗层可以用于恢复抗滑性能不足的老沥青路面，也可以用于新建路面，既能提高新建沥青路面的抗滑性能以及耐久性，又基本不增加路面标高。

3）将颜料加入聚氨酯超薄磨耗层形成彩色超薄磨耗层，可用于美化旅游公路和人行道，以及普通道路危险路段，在提高抗滑性能的同时色彩艳丽能够给予驾驶者以警示作用，提高行车的安全性。

4）通过origin软件的回归分析，最能反映出彩色超薄磨耗层的抗滑衰减规律的是指数模型y = A?e （-x/B） +C。通过这个模型能预测出服务期内的彩色超薄磨耗层抗滑情况，可为道路养护者提供参考。

参考文献：

[1]吴庭然. 超薄磨耗层在高速公路养护中的施工技巧及优点[J]. 城市建筑， 2014（2）：291-291.

[2]曹祥.跬步积则千里至访济宁圣通源公路工程有限公司周凯[J].工程机械与维修，2014（5）：130-131.

[3]温丽瑗，张战军，袁凯恒，等.沥青路面养护剂的研究现状及展望[J].当代化工，2019，48（1）：84-87.

[4]傅鑫，杨松，朱凤磊，等. 聚氨酯弹性体改性方法及研究进展[J]. 化学与粘合， 2013， 35（4）：62-66.

[5]陈县萍，王贵友，徐强，等. 聚氨酯/Al2O3纳米复合材料的制备和性能[J]. 功能高分子学报， 2008（2）：123-127.

[6]葛琦. 薄层环氧铺装材料抗滑性能研究[D].重庆：重庆交通大学， 2018.