钢桥面铺装聚合物合金制备与性能评价

杨波，何兆益，刘攀，李凯，盛兴跃，李璐

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336)

为降低桥梁的恒载，减小超大跨径钢桥的建设难度，国内外研究者们专门针对钢桥面铺装轻质高强化进行了一定的研究，主要集中在轻质沥青混凝土方面[1-3]。然而，研究尚不够深入，仍处于理论阶段，现实中铺筑的大多为实验路，并且轻质集料在施工过程中存在破碎现象，轻质沥青混凝土存在级配退化现象[4]，极大地限制了轻质沥青混凝土铺装在大跨径钢桥中的应用。

聚合物合金材料是将两种或两种以上不同种类的高聚物通过物理或化学方法共混[5-7]，可通过多元复合改性赋予材料高强的突出优势，同时可实现材料轻质化。本文开发出一种轻质高强的聚合物合金材料来实现钢桥面铺装的薄层化、轻量化。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

聚苯硫醚-聚丙烯(PPS/β-PP)、热塑性弹性体、增韧树脂、硬质沥青、无机填料等均为工业级。

SHJ75B双螺杆挤出机;XBOS-8.5T微型注塑机;HY-751电动加硫成型机;YHS-229WG微机控制电子万能实验机;WDW-3100微机控制电子万能实验机;HL1303C高低温实验箱;SYD-0719型自动车辙实验仪等。

1.2 聚合物合金制备

将PPS/β-PP聚合物合金主体材料与热塑性弹性体40%、增韧树脂60%、硬质沥青60%及无机填料40%通过双螺杆挤出机进行多元复配，制备钢桥面铺装聚合物合金材料。

1.3 性能测试

1.3.1 拉伸性能 成型聚合物合金材料哑铃形试件，进行拉伸实验，测试拉伸强度和断裂伸长率，实验温度(23±2) ℃，拉伸速率200 mm/min。

1.3.2 剪切强度 成型90 mm×90 mm的组合结构试件，聚合物合金铺装结构与钢板以及铺装结构层间采用自制环氧树脂粘结剂[8]，用量0.4～0.5 kg/m2，待其固化完成后在实验温度下保温5 h以上，进行拉拔实验和剪切实验，测试拉拔剪切强度，实验温度25 ℃和60 ℃。

1.3.3 车辙实验 按照“铺装下面层材料+自制环氧树脂粘结剂+铺装上面层材料”成型300 mm×300 mm 的高温车辙板，进行车辙实验，测试动稳定度和车辙深度，轮压(0.7±0.05) MPa，实验温度60 ℃。

2 结果与讨论

2.1 聚合物合金制备影响因素分析

考察热塑性弹性体、增韧树脂用量、硬质沥青及无机填料用量对聚合物合金材料性能的影响。

2.1.1 热塑性弹性体 考察热塑性弹性体用量对PPS/β-PP聚合物合金主体材料拉伸性能的影响，结果见图1。

图1 热塑性弹性体用量对PPS/β-PP拉伸性能影响Fig.1 Effect of thermoplastic elastomer dosage on PPS/β-PP tensile performance

由图1可知，随着热塑性弹性体用量的增加，PPS/β-PP的拉伸强度逐渐下降，断裂伸长率逐渐增大。一方面，热塑性弹性体的加入使PPS/β-PP分子链被破坏，分子间作用力变弱。另一方面，由于热塑性弹性体的强度及模量均相对较小，使得体系整体的屈服应力减小，进而拉伸强度下降。同时，热塑性弹性体中的软段能被高度拉伸并带着PPS/β-PP分子链一同伸展，显著提高材料的断裂伸长率。兼顾拉伸强度和断裂伸长率，初步确定热塑性弹性体合理用量为40%。

2.1.2 增韧树脂 考察增韧树脂用量对PPS/β-PP聚合物合金主体材料拉伸性能的影响，结果见图2。

图2 增韧树脂用量对PPS/β-PP拉伸性能影响Fig.2 Effect of toughened resin dosage on PPS/β-PP tensile performance

由图2可知，随着增韧树脂用量的增加，PPS/β-PP的拉伸强度逐渐下降，断裂伸长率逐渐增大。增韧树脂对体系起到了增柔增韧的作用，但其对PPS/β-PP的影响弱于热塑性弹性体。兼顾拉伸强度和断裂伸长率，初步确定增韧树脂合理用量为60%。

2.1.3 硬质沥青 考察硬质沥青用量对PPS/β-PP聚合物合金主体材料拉伸性能的影响，结果见图3。

图3 硬质沥青用量对PPS/β-PP拉伸性能影响Fig.3 Effect of hard asphalt dosage on PPS/β-PP tensile performance

由图3可知，加入硬质沥青后，PPS/β-PP的拉伸强度降低，断裂伸长率先上升后下降。硬质沥青低掺量时，对PPS/β-PP体系分子链起到了润滑作用，高掺量时，形成连续体系，会对体系产生消极作用。硬质沥青可以适当降低材料成本，且不会明显降低其断裂伸长率。兼顾拉伸强度和成本，初步确定硬质沥青合理用量为60%。

2.1.4 无机填料 考察无机填料用量对PPS/β-PP聚合物合金主体材料拉伸性能的影响，结果见图4。

由图4可知，无机填料对PPS/β-PP的拉伸强度影响较小，对其断裂伸长率影响较大。无机填料的加入阻碍了PPS/β-PP体系分子链的运动，从而降低了合金体系的变形能力，随着用量的增加，阻碍效果越明显。因此其用量不宜过多，不然会显著降低材料的断裂伸长率，也不宜过少，否则起不到降低成本的目的。兼顾断裂伸长率和成本，初步确定无机填料合理用量为40%。

图4 无机填料用量对PPS/β-PP拉伸性能影响Fig.4 Effect of inorganic filler dosage on PPS/β-PP tensile performance

2.1.5 用量优化 为了进一步对钢桥面铺装聚合物合金材料的制备工艺进行优化，进行了L9(34)的正交实验，考察指标为拉伸强度和断裂伸长率，因素水平见表1,结果见表2。

表1 因素水平表Table 1 Factor and level

表2 正交实验结果Table 2 Design and results of orthogonal test

由表2可知，4种外加剂对聚合物合金材料拉伸强度影响的显著性主次顺序为D>A>C>B，即热塑性弹性体用量>硬质沥青用量>增韧树脂用量>无机填料用量，表明热塑性弹性体用量对材料的拉伸强度影响显著，而无机填料用量影响较小。各个因素的较佳水平为A1B2C2D1：热塑性弹性体用量20%，增韧树脂用量60%，硬质沥青用量40%，无机填料用量40%。

由表2可知，4种外加剂对聚合物合金材料断裂伸长率影响的显著性主次顺序为D>B>C>A，即热塑性弹性体用量>无机填料用量>增韧树脂用量>硬质沥青用量，表明热塑性弹性体用量对聚合物合金材料断裂伸长率影响显著，而硬质沥青用量影响较小。各个因素的较佳水平分别为A2B1C3D3：热塑性弹性体用量60%，增韧树脂用量80%，硬质沥青用量60%，无机填料用量20%。

在正交实验的基础上，设计了表3的对比实验，其他条件为：硬质沥青用量60%，增韧树脂用量70%。

综合考虑聚合物合金材料性能和成本，较佳配方为：35%热塑性弹性体+70%增韧树脂+60%硬质沥青+35%无机填料，此时，聚合物合金材料的拉伸强度35.10 MPa，断裂伸长率43.56%。

表3 对比实验结果Table 3 Results of comparative test

2.2 聚合物合金铺装层路用性能评价

钢桥面铺装聚合物合金材料的综合性能见表4。

表4 钢桥面铺装聚合物合金综合性能Table 4 Comprehensive performance of polymer alloy for steel deck pavement

由表4可知，该材料具有优异的力学性能、高温性能、低温性能和防水性能，且密度低于沥青混凝土，完全满足钢桥面铺装对材料提出的苛刻要求，并实现钢桥面铺装的轻质高强。

2.3 聚合物合金铺装结构性能评价

经过大量实体工程应用，“下面层浇注式沥青混凝土GA+上面层改性沥青混合料SMA”已成为国内钢桥面主流铺装方案。在此，本文提出“下面层聚合物合金+上面层高弹改性沥青混合料SMA10”的新型钢桥面铺装结构，采用聚合物合金代替浇注式沥青混凝土。进一步研究聚合物合金铺装结构的粘结性能和高温性能。

2.3.1 粘结性能 聚合物合金铺装结构与钢板以及铺装结构层间的拉拔剪切实验结果见表5。

表5 聚合物合金铺装结构拉拔剪切实验结果Table 5 Results of tensile shear tests on polymer alloy pavement structure

由表5可知，无论铺装结构与钢板或是铺装结构层间的25 ℃拉拔强度均>2.5 MPa，25 ℃剪切强度均>3.5 MPa，优于传统钢桥面铺装结构。随着温度升高，聚合物合金铺装结构的粘结强度随之减小，即使在60 ℃下，铺装结构亦具有较为优异的粘结性能。

2.3.2 高温性能 聚合物合金铺装结构的车辙实验结果见表6和图5。

表6 聚合物合金铺装结构车辙实验结果Table 6 Rutting test results of polymer alloy pavement structure

由表6可知，聚合物合金铺装结构具有良好的高温性能，优于传统的浇注式沥青混凝土铺装体系(60 ℃动稳定度在6 000次/mm左右)和双层改性沥青混合料SMA铺装体系(60 ℃动稳定度在 7 000次/mm 左右)，说明聚合物合金能提高钢桥面铺装结构的高温性能。由图5可知，不同铺装层厚度对结构的高温性能影响较大，具体表现为高弹改性沥青混合料SMA10铺装层厚度越小，聚合物合金铺装层厚度越大，则铺装结构的动稳定度就越大，这是因为高弹改性沥青混合料SMA10的高温性能本就弱于聚合物合金。综合考虑，推荐合适的铺装层厚度为2.0 cm+3.5 cm或1.5 cm+3.0 cm。

图5 铺装层厚度对聚合物合金铺装结构高温性能影响Fig.5 Effect of laying thickness on high-temperature performance of polymer alloy pavement structure

3 结论

(1)热塑性弹性体、增韧树脂、硬质沥青及无机填料均能显著影响PPS/β-PP聚合物合金的拉伸性能。其中，热塑性弹性体和增韧树脂有利于提高聚合物合金材料的断裂伸长率，却会降低其拉伸强度；硬质沥青将降低聚合物合金材料的拉伸强度，对其断裂伸长率影响较小；无机填料对聚合物合金材料的拉伸强度影响较小，但会显著降低其断裂伸长率。初步确定热塑性弹性体用量40%、增韧树脂用量60%、硬质沥青用量60%和无机填料用量40%。

(2)热塑性弹性体用量对聚合物合金材料的拉伸强度影响最大，硬质沥青用量和增韧树脂用量次之，无机填料用量影响最小；热塑性弹性体用量对聚合物合金材料的断裂伸长率影响最大，无机填料用量和增韧树脂用量次之，硬质沥青用量影响最小。优选出聚合物合金材料的较佳配方为35%热塑性弹性体+70%增韧树脂+60%硬质沥青+35%无机填料，此时聚合物合金材料具有较佳的综合性能，其拉伸强度可达35.10 MPa，断裂伸长率为43.56%，并能最大限度地降低材料成本。

(3)聚合物合金材料完全满足钢桥面铺装对材料提出的苛刻要求，并实现钢桥面铺装的轻质高强，提出了“聚合物合金+高弹改性沥青混合料SMA10”的新型钢桥面铺装结构。采用自制环氧树脂粘结剂时，该铺装结构25 ℃拉拔强度>2.5 MPa，25 ℃剪切强度>3.5 MPa，表现出良好的粘结性能；不同铺装层厚度的铺装结构60 ℃动稳定度均>7 000 次/mm，其高温性能优于传统的铺装结构，推荐合适的铺装层厚度为2.0 cm+3.5 cm或1.5 cm+3.0 cm。