一种聚醚型聚氨酯混凝土铺装材料及其制备方法
技术领域
本发明属于功能性路面材料技术领域，涉及一种聚醚型聚氨酯混凝土铺装材料及其制备方法。
背景技术
由于我国夏季炎热、冬季严寒，车辆超载严重，以沥青基材料为结合料的铺装层因其温度敏感性强、粘结力弱、抗重载能力低、抗老化能力差等技术缺陷，导致使用寿命长不过十余年，短则几年甚至几天。这意味着在使用寿命期间铺装层要经受十几次甚至数十次的铺装层铣刨维修，这对道路结构本身的损伤、交通的干扰以及由此造成的经济损失不可忽略。
随着聚合物行业的发展，越来越多的人将目光聚焦于聚合物材料的应用，其具有橡胶的弹性、塑料的韧性及较好的耐老化性能。
相对于沥青混合料来说，聚醚型聚氨酯混凝土的力学性能如抗压、抗折强度等更高，并且固化形成强度的过程受温度的影响较小，在低温下也是可以形成强度的，并且其固化的速率也会更快，防水性能和抗腐蚀性能也更好。但是，对于将聚醚型聚氨酯混凝土应用于大面积铺装材料研究较少，因此急需开发一种新型的、高性能的、基于聚醚型聚氨酯的道路铺装材料，并依据桥面铺装的使用条件和铺装材料性能特点，提出科学可靠的施工工艺，进而解决铺装早期损坏严重、使用寿命短的技术难题。
现有技术中申请号为201110114890的发明专利公开一种水泥混凝土路面快速修补材料及其制备方法，以工业废料粉煤灰为主要原料，以经过聚氨酯改性的环氧树脂为粘结剂，以经过改性的多元胺为固化剂，添加适量的活性稀释增韧剂，按比例配制而成。具体配比按重量份数计为：粉煤灰(200～300)；聚氨酯改性环氧树脂(100～150)；改性多元胺(100～150)；稀释剂(15～30)；激发剂(5-20)。利用本发明制备的聚合物混凝土修补材料具有快硬早强(固化时间：10～40min；压缩强度65～75MPa)，与水泥混凝上的粘结力强、可在潮湿、低温的条件下施工，但是该专利制备方法比较复杂，施工容留时间较短，且仅适用于水泥混凝土路面的快速修补和紧急维修，不能作为铺装结构层使用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种聚醚型聚氨酯混凝土材料及其制备方法。聚醚型聚氨酯混凝土由聚醚型聚氨酯粘结剂代替沥青作为胶结料与矿料结合，采用常用的拌和设备并在常温下即可生产及施工。聚醚型聚氨酯混凝土采用冷拌冷铺的施工方式，具有延长施工工期，避免拌和过程有有害气体排放的优点。本发明的聚醚型聚氨酯混凝土材料具有优异的路用性能及抗老化能力。本发明的聚醚型聚氨酯混凝土材料及其制备方法的提出，有利于提升铺装结构的使用质量及使用寿命，保障驾驶员行车的舒适性与安全性。
本发明提供了如下的技术方案：
一种聚醚型聚氨酯混凝土铺装材料，采用聚醚型聚氨酯粘结剂在常温下与矿料拌和形成聚醚型聚氨酯混凝土。
优选的是，所述聚醚型聚氨酯粘结剂为湿固化型聚合物材料。
在上述任一方案中优选的是，所述粘结剂在合成时采用的是多官能度噁唑烷类潜伏固化剂。
本发明还提供上述聚醚型聚氨酯混凝土铺装材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)、依据设计要求确定各档矿料的使用比例；
步骤(2)、确定聚醚型聚氨酯粘结剂的用量，将聚醚型聚氨酯粘结剂与矿料采用机械拌和的方式进行拌和；
步骤(3)、确定催化剂的添加量，在拌和的过程中添加配套的催化剂；
步骤(4)、将制备好的聚醚型聚氨酯混凝土试件或碾压成型完毕后的聚醚型聚氨酯铺装路面进行养生。
优选的是，所述步骤(1)中在确定最佳胶石比时以目标空隙率及矿料间隙率为主要参考指标，毛体积密度、流值、马歇尔稳定度为辅助参考指标。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(2)中聚醚型聚氨酯粘结剂的用量，在实验室内首先采用试拌的方法筛选。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(2)中聚醚型聚氨酯粘结剂的用量以拌和的过程中不产生花白料为下限，以初成型状态不泛胶为上限初定最佳胶用量的范围为7.5％～9.5％。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(2)中聚醚型聚氨酯粘结剂与矿料拌和顺序为矿料100～120S，加入聚醚型聚氨酯及催化剂100～120S，最后加入矿粉100～120S。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(2)中聚醚型聚氨酯粘结剂与矿料拌和顺序为矿料100S，加入聚醚型聚氨酯及催化剂100S，最后加入矿粉100S。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(2)中聚醚型聚氨酯粘结剂与矿料拌和顺序为矿料110S，加入聚醚型聚氨酯及催化剂110S，最后加入矿粉110S。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(2)中聚醚型聚氨酯粘结剂与矿料拌和顺序为矿料120S，加入聚醚型聚氨酯及催化剂120S，最后加入矿粉120S。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中催化剂的添加量依据可操作时间确定。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中催化剂用量占胶黏剂的百分比为0.2％-1％。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中催化剂用量占胶黏剂的百分比为0.2％
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中催化剂用量占胶黏剂的百分比为0.4％。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中催化剂用量占胶黏剂的百分比为0.6％。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中催化剂用量占胶黏剂的百分比为0.8％。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中催化剂用量占胶黏剂的百分比为1％。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中添加催化剂后反应时间为10-180min。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中添加催化剂后反应时间为10-30min。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中添加催化剂后反应时间为15-50min。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中添加催化剂后反应时间为20-60min。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中添加催化剂后反应时间为30-90min。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中添加催化剂后反应时间为90-180min。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中催化剂为聚醚型聚氨酯的配套的多官能度噁唑烷类潜伏催化剂。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)中聚醚型聚氨酯混凝土试件在室内宜采用加速养生的方式。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)中聚醚型聚氨酯混凝土试件养生条件为通风且含水的45～75℃烘箱中养生50～70h。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)中聚醚型聚氨酯混凝土试件养生条件为通风且含水的45℃烘箱中养生70h。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)中聚醚型聚氨酯混凝土试件养生条件为通风且含水的60℃烘箱中养生60h。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)中聚醚型聚氨酯混凝土试件养生条件为通风且含水的75℃烘箱中养生50h。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)中聚醚型聚氨酯混凝土路面的养生需在室外环境中养生6-8天。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)中聚醚型聚氨酯混凝土路面的养生需在室外环境中养生7天。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)之后还包括对制备好的聚醚型聚氨酯混凝土进行性能检测。
在上述任一方案中优选的是，所述性能检测指标包括高温性能、低温性能、水稳定性性能及疲劳性能的测试。
本发明的有益效果体现在：本发明提供一种聚醚型聚氨酯混凝土材料及其制备方法。聚醚型聚氨酯混凝土由聚醚型聚氨酯粘结剂代替沥青作为胶结料与矿料结合，采用常用的拌和设备并在常温下即可生产及施工。聚醚型聚氨酯混凝土采用冷拌冷铺的施工方式，具有延长施工工期，避免拌和过程有有害气体排放的优点。并且聚醚型聚氨酯混凝土具有优异的路用性能及抗老化能力，克服传统沥青类铺装材料在复杂服役环境下病害重、寿命短的问题，后期的养护工作和养护费用将大大降低。聚醚型聚氨酯混凝土材料及其制备方法的提出，有利于提升铺装结构的使用质量及使用寿命，优化铺装结构层厚度，保障驾驶员行车的舒适性与安全性，推进节能、减排、高效、耐久等绿色化创新。
附图说明
图1为AC-13型合成级配；
图2为聚醚型聚氨酯混凝土胶结剂的用量筛选。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的技术特征，下面结合具体实施例对本发明进行详细地阐述。实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员在本发明的基础上做出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。
实施例1：
本实验根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用马歇尔设计方法进行聚醚型聚氨酯混合料的配合比设计。聚醚型聚氨酯混凝土可采用多种级配如：连续密实型级配、开级配类型等。本发明以连续密实型集配(AC)为例。目前针对冷拌类材料或是聚醚型聚氨酯类材料并没有统一且规范的设计要求，但是对于热拌或是冷拌类铺装材料，我们的设计目的皆是其性能满足我们使用要求，因为参考马歇尔设计方法并考虑到耐久性的因素，主要以设计空隙率及矿料间隙率为参考指标结合毛体积密度、流值、马歇尔稳定度等为辅助指标，确定最佳胶黏剂的用量。
我国的沥青路面最常见的级配形式是AC型，AC型是连续密集配。也就是各档集料是连续无间断的，各档集料负责填充上一档所形成的空隙，最终形成的混合料属于悬浮密实结构。在强度形成的机理方面，AC型混凝土的骨料嵌挤力相对较小，而结合料的粘结强度较大，粗集料之间并未形成嵌挤结构，而是悬浮于细料和胶浆中。当结合料为沥青或改性沥青时，混合料的强度受温度影响大，抗高温变形能力较差。但本文所开发的高分子聚醚型聚氨酯结合料为热固性材料，因此形成强度后的混凝土对温度的敏感性非常低，并且AC型混合料空隙率小，十分密实，可以有效的防止水的渗透，具有较好的水稳定性。因此本实验选取AC-13型作为聚醚型聚氨酯混合料合成级配，如图1所示。
对于聚醚型聚氨酯混凝土胶结剂的用量，在实验室内首先采用试拌的方法。拌和顺序为，首先将确定好级配的矿料加入拌和锅中拌和100s，然后将聚醚型聚氨酯粘结剂和占粘结剂百分比为0.8％催化剂混合均匀搅拌1min后，一同加入拌和锅中再拌和100s，最后加入矿粉再拌和100s；拌和完成后，根据催化剂用量为胶结剂百分比的0.8％，将聚醚型聚氨酯混凝土散料静置至60min后成型试件。如图2所示，试拌以拌和的过程中不产生花白料为下限，以初成型状态不泛胶为上限，初定最佳胶用量的范围为7.5％～9.5％。以8.5％为中心，每0.5为一个间隔选取7.5％、8.0％、8.5％、9.0％、9.5％五种胶石比，分别成型马歇尔试件，对于聚醚型聚氨酯混凝土其性能与环氧沥青混合料类似，为保证其有较好的密水性，目标空隙率选择范围为1％～3％之间。
由于聚醚型聚氨酯粘结剂为热固型材料其饱和度相对提高因此不宜采用其中值范围。因此依据目标空隙率的要求范围，并考虑到耐久性的因素以矿料间隙率为主要控制指标，结合毛体积密度、稳定度、流值等确定最佳胶石比为7％。
将制备好的聚醚型聚氨酯混凝土试件放置于60℃的烘箱并放置一盆水以保证烘箱中的湿度对试件进行60h的养生。养生完成后，对聚醚型聚氨酯混凝土试件分别进行高温性能、低温性能、水稳定性性能及疲劳性能的测试，如表1所示。
表1测试结果
需要注意的对于聚醚型聚氨酯混凝土由于聚醚型聚氨酯的水解性，我们对于水稳定性提出了其他评价指标。水稳定性表征的是材料在经历水侵害后荷载作用下不发生松散、脱落的现象，因此剩余劈裂强度来表示聚醚型聚氨酯混凝土的水稳定性，其比常规水稳定性的评价冻融劈裂强度比更合理。
实施例2：
一种聚醚型聚氨酯混凝土铺装材料及其制备方法，其配合比设计方法和试件性能测试方法与实施例1相同，不同的是制备好的聚醚型聚氨酯混凝土试件养生时间为24h。养生完成后，对聚醚型聚氨酯混凝土试件分别进行高温性能、低温性能、水稳定性性能及疲劳性能的测试，如表2所示。
表2测试结果
通过表中数据可以看出，改变养生时间后，聚醚型聚氨酯混凝土的高温性能、低温性能、水稳定性性能及疲劳性能均较实施例1有所降低。
实施例3：
一种聚醚型聚氨酯混凝土铺装材料及其制备方法，其配合比设计方法和试件性能测试方法与实施例1相同，不同的是制备好的聚醚型聚氨酯混凝土试件养生温度为30℃。养生完成后，对聚醚型聚氨酯混凝土试件分别进行高温性能、低温性能、水稳定性性能及疲劳性能的测试，如表3所示。
表3
通过表中数据可以看出，改变养生时间后，聚醚型聚氨酯混凝土的高温性能、低温性能、水稳定性性能及疲劳性能均较实施例1有所降低。
