王榮偉，胡占紅，石家磊，李書飛，徐世法，段文志

0 引 言

中國氣候夏季炎熱、高溫持續(xù)時間長，冬季嚴寒、溫度降低速率快，而瀝青類路面鋪裝材料溫度敏感性強，高溫容易產(chǎn)生車轍，低溫會變脆開裂，難以達到鋪裝材料長壽命的要求。另外，中國公路存在著嚴重的超限重載情況，層間剪力大，瀝青類材料層間結(jié)合薄弱，層間黏結(jié)失效的情況極易發(fā)生，進而導(dǎo)致面層材料產(chǎn)生裂縫破壞。傳統(tǒng)瀝青類材料已不能滿足中國的交通需求，高分子聚合物因具有良好的高低溫性能、較高的強度、廣泛的黏結(jié)適用性[1]，可以成為瀝青材料的優(yōu)質(zhì)替代品，因此開發(fā)出一種以高分子聚合物為膠結(jié)料的新型鋪裝材料具有重要的理論意義及工程價值。本文對適合作為混凝土膠結(jié)料的高分子聚合物進行初步的開發(fā)和選擇，并進行新型高分子聚合物混凝土的配合比設(shè)計與路用性能驗證。

1 高分子膠結(jié)料的開發(fā)與選擇

本文所采用的高分子膠結(jié)料由聚氨酯類高分子聚合物、活性氫組分、緩凝劑、增稠劑、異氰酸酯固化劑和高分子纖維組成。

膠結(jié)料剪切強度與固化劑的含量和聚氨酯類高分子的種類有關(guān)[2]。固化劑是一類增進或控制固化反應(yīng)的物質(zhì)或混合物。聚氨酯的固化是指經(jīng)過縮合、閉環(huán)、加成或催化等化學(xué)反應(yīng)，使熱固性聚氨酯發(fā)生不可逆的變化，而這一過程需要添加固化劑來完成的。通過試驗研究，得到剪切強度隨固化劑含量變化的曲線，如圖1所示。

從圖1中可以看出，隨著固化劑含量的增加，膠結(jié)料的剪切強度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，并且在固化劑摻量為5%時達到峰值。這是因為固化劑可以使材料分子之間的結(jié)合力增大，從而增加了剪切強度。達到一定程度時，分子間作用力表現(xiàn)為斥力，此時形成的物質(zhì)性質(zhì)較脆，剪切強度較低[3]。因此，本文選取固化劑含量為5%。

圖1 膠結(jié)料剪切強度隨固化劑含量的變化曲線

本文選取了3種不同的聚氨酯類高分子聚合物進行合成。考慮適宜的固化時間和增強剪切強度的條件，選擇固化劑含量為5%和6%，緩凝劑摻量為5%、6%、7%，增稠劑摻量為1%、2%、3%進行試驗，得到不同高分子膠結(jié)料性能，如表1所示。

由表1可知，當(dāng)黏結(jié)劑主要成分為1-MOCA加成物時，4種黏結(jié)劑都容易拌合。綜合考慮，黏結(jié)劑1-4可操作時間較長、常溫固化時間較短、剪切強度較高、綜合性能更優(yōu)越。

當(dāng)黏結(jié)劑主要成分為2-MOCA加成物時，剪切強度較高，考慮在施工中需要有充足的可操作時間，并且盡量減少固化時間來開放通行，相比之下黏結(jié)劑2-2性能更加優(yōu)越且易于拌合。

當(dāng)黏結(jié)劑主要成分為3-MOCA加成物時，固化時間都較短，黏結(jié)劑3-1的可操作時間較長、強度最高、綜合性能更優(yōu)越。

綜上分析，選取3-1型黏結(jié)劑進行高分子聚合物混凝土的研究。

2 高分子聚合物混凝土的配合比設(shè)計

高分子聚合物混合料是在常溫下拌合，相較于熱拌和溫拌瀝青混合料來說不需要加熱，因而更加環(huán)保和節(jié)能。然而，高分子聚合物混合料是一種新材料，目前并沒有統(tǒng)一的試驗標準和流程，本文根據(jù)已有的成功經(jīng)驗并經(jīng)過理論計算得到混合料級配[4]，再根據(jù)新型高分子聚合物混合料的預(yù)期性能進行膠石比的確定。

2.1 原材料性能

集料在混合料中起到整體骨架和填充作用，不同顆粒大小的集料在混合料中的作用不同，所以相應(yīng)的技術(shù)要求也不同。普通的道路材料選用的石料為石灰?guī)r，而石灰?guī)r的強度較低，不能滿足高性能高分子聚合物混凝土的要求，因此本文采用的集料是堅硬、耐久性能好的玄武巖，石料產(chǎn)地為北京，各集料性能試驗結(jié)果見表2~4。

2.2 高分子聚合物混凝土級配

AC型瀝青混凝土是中國典型的路面結(jié)構(gòu)形式，是連續(xù)級配，即各檔料的用量是連續(xù)的，逐級填隙。其混合料屬于懸浮密實型骨架，混合料中存在大量細集料，粗集料含量相對較少，粗集料之間距離較大，懸浮于細集料中，沒有形成接觸?；旌狭蠌姸葮?gòu)成中，內(nèi)摩阻力較小，黏結(jié)力較強，對溫度變化反應(yīng)敏感，在高溫環(huán)境下容易產(chǎn)生變形[5]。但是，由于混合料空隙率小，十分密實，可以有效地防止水的滲透，具有較好的水穩(wěn)定性。本文選取AC-10作為高分子聚合物混凝土的級配。

表2 細集料試驗結(jié)果

表3 粗集料試驗結(jié)果

表1 高分子膠結(jié)料的組成及性能

表4 礦粉試驗結(jié)果

根據(jù)集料篩分結(jié)果，使2.36 mm篩孔通過率小于45%，接近設(shè)計級配范圍的中值，初定配合比為5~10 mm礦料、機制砂、礦粉的比例為46495，級配曲線見圖2。

注：為繪制方便，橫坐標未按比例標注。

2.3 最佳膠石比的確定

目前，聚合物混凝土在建筑工程方面的應(yīng)用主要作為預(yù)制構(gòu)件、老舊建筑的修復(fù)加固材料，在交通工程方面作為道路的快速修補材料[6]。綜合來看，與普通水泥混凝土相比，高分子聚合物混凝土的抗折、抗壓強度高，并且可在常溫或低溫下固化形成強度，且具有優(yōu)良的耐水、耐腐蝕性能。應(yīng)用于快速修補的聚合物混凝土由于固化速度太快、硬度太大，無法用作路面鋪裝材料，因此本文根據(jù)現(xiàn)有聚合物混凝土的設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合設(shè)計級配，初定2.4 路用性能分析7.0%、7.5%、8.0%三種膠石比對其進行馬歇爾試驗，從而確定最佳膠石比，試驗結(jié)果見表5。

由于高分子聚合物混凝土為熱固性材料，60 ℃的馬歇爾穩(wěn)定度已遠遠超過普通瀝青混合料的穩(wěn)定度，因此在最佳膠石比的確定過程中，穩(wěn)定度與流值因素的意義不大。相對于普通瀝青來說，高分子聚合物的造價較高，在設(shè)計級配的條件下，8.0%膠石比已有較好的施工和易性，且孔隙率較小，混合料足夠密實，因此確定最佳膠石比為8.0%。

目前對于高分子聚合物混凝土用作路面鋪裝材料的研究較少，尚無針對高分子聚合物混凝土路用性能而設(shè)計的試驗評價方法。在開發(fā)出有針對性的、完整的試驗方法前，為了初步評價新型高分子聚合物混凝土材料的性能，本文按照普通瀝青混合料的路用性能評價方法進行試驗。通過70 ℃、0.7 MPa下的車轍試驗來評價其高溫穩(wěn)定性，通過10 ℃的低溫小梁彎曲試驗來檢驗其低溫抗裂性能，通過15 ℃、1 200 με條件下的疲勞試驗來檢驗其疲勞壽命。在高分子聚合物混凝土的開發(fā)過程中，多次試驗結(jié)果表明，高分子聚合物混凝土的凍融劈裂強度比（TSR）約在40%左右，但試驗組（經(jīng)過1次或多次凍融循環(huán)的試件）的劈裂強度仍高于普通瀝青混合料的劈裂強度，因此本文采用凍融循環(huán)剩余劈裂強度來評價混合料的水穩(wěn)定性。選擇最終的配合比設(shè)計結(jié)果，根據(jù)瀝青混合料的試驗方法制作試件進行試驗，試驗結(jié)果如表6所示。

表5 AC-10型高分子聚合物混凝土的馬歇爾試驗結(jié)果

表6 高分子聚合物混凝土的路用性能檢測結(jié)果

瀝青混合料中，高溫穩(wěn)定性較好的為抗車轍劑改性瀝青混合料（KAC），其動穩(wěn)定度一般在7 000~10 000次·mm－1，低溫抗裂性能較好的為改性SMA瀝青混合料，其最大低溫彎拉應(yīng)變?yōu)? 500~4 500 με，而由于新型高分子聚合物混凝土為熱固性材料，溫度敏感性低，其動穩(wěn)定度達到了69 750 次·mm－1、最大彎拉應(yīng)變達到48 762 με，兩項性能均較目前最優(yōu)瀝青混合料的性能提升近10倍；在抗疲勞性能方面，大微應(yīng)變（1 200 με）條件下，疲勞壽命較高的SMA瀝青混合料一般為20萬次左右，新型高分子聚合物混凝土韌性較好，疲勞壽命達到了168萬次，是SMA瀝青混合料疲勞壽命的8倍左右；在水穩(wěn)定性能方面，本文針對新型高分子聚合物混凝土提出了新的評價指標——凍融循環(huán)剩余劈裂強度，新型高分子聚合物混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)后剩余劈裂強度仍能達到0.8 MPa，這與目前水穩(wěn)定性較好的SMA瀝青混合料不經(jīng)過凍融循環(huán)時的強度類似，完全滿足路面使用要求。

3 結(jié)語

（1）本文采用聚氨酯類材料，通過調(diào)節(jié)固化劑、緩凝劑、增稠劑等的用量，開發(fā)出了有足夠可工作時間及強度、適合作為路面鋪裝混合料膠結(jié)料的高分子聚合物。

（2）為與高分子聚合物性能相匹配，選用了性能優(yōu)良的玄武巖作為混合料集料。通過馬歇爾方法進行了AC-10型高分子聚合物混凝土的級配設(shè)計，綜合考慮造價因素及混合料的密實性，確定了8.0%的最佳膠石比，初步完成了高分子聚合物的配合比設(shè)計。

（3）按照瀝青混合料的評價方法對高分子聚合物混凝土進行了路用性能評價分析，并提出了針對于高分子聚合物混凝土的水穩(wěn)定性評價指標——凍融循環(huán)剩余強度。試驗結(jié)果表明，新型高分子聚合物混凝土為熱固性材料，溫度敏感性低，其動穩(wěn)定度達到了69 750次·mm－1、最大彎拉應(yīng)變達到48 762 με，兩項性能均較目前最優(yōu)瀝青混合料性能提升近10倍；在抗疲勞性能方面，大微應(yīng)變（1 200 με）條件下，新型高分子聚合物混凝土韌性較好，疲勞壽命達到了168萬次，是SMA瀝青混合料疲勞壽命的8倍左右；在水穩(wěn)定性能方面，新型高分子聚合物混凝土經(jīng)過凍融循環(huán)后剩余劈裂強度仍能達到0.8 MPa，完全滿足路面使用要求。