胶石比对聚氨酯玛蹄脂碎石性能影响分析及预测模型的建立

作     者：阮平 

作者单位：北京建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐世法;周绪利

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：聚氨酯玛蹄脂碎石 胶石比 路用性能 耐久性 影响分析 预测模型 

摘      要：聚氨酯玛蹄脂碎石是一种以聚氨酯完全替代沥青作为胶黏剂的新型道面铺装材料,其拥有比沥青混合料更为优良的路用性能。课题组通过前期研究发现,在低于最佳胶石比的情况下,聚氨酯玛蹄脂碎石仍然远超沥青混合料的性能。因此,为了降低成本并针对不同工程的技术要求,本文采用不同的胶石比对聚氨酯玛蹄脂碎石的性能变化规律进行分析研究,建立胶石比与路用性能之间的预测模型,并评价了聚氨酯玛蹄脂碎石的耐久性,为该材料的推广应用奠定基础。首先,参照沥青玛蹄脂碎石SMA-13级配制备了聚氨酯玛蹄脂碎石(Stone Mastic Polyurethane-13,简称SMP-13),采用马歇尔设计方法确定了最佳胶石比为7.5%,经检测其各项路用性能均满足设计要求。其次,通过观察拌合状态确定了最低胶石比为5.0%。为了研究胶石比对聚氨酯玛蹄脂碎石的性能影响并建立性能预测模型,选取5.0%、6.0%、7.0%、7.5%四个胶石比的聚氨酯玛蹄脂碎石作为试验对象。对选定胶石比下的聚氨酯玛蹄脂碎石分别测试其空隙率、膜厚度以及高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性,分析了胶石比对聚氨酯玛蹄脂碎石性能的影响。试验结果表明,聚氨酯玛蹄脂碎石的各项路用性能随着胶石比的降低而减小,胶石比由7.5%降至5.0%,其动稳定度降低62.9%,低温弯曲应变降低65.2%,冻融前后劈裂抗拉强度分别降低19.0%和45.4%。基于灰色预测模型,建立了不同胶石比下聚氨酯玛蹄脂碎石各项路用性能的预测模型(R0.99),模型拟合精度较高。然后,对选定胶石比下的聚氨酯玛蹄脂碎石的抗水损害耐久性及抗紫外老化耐久性进行了研究。在抗水损害耐久性方面,测试了聚氨酯玛蹄脂碎石在多次冻融循环后的残留劈裂抗拉强度,并采用SEM扫描电镜扫描试件断裂面;在抗紫外老化耐久性方面,测试了聚氨酯玛蹄脂碎石在不同老化天数下的残留劈裂抗拉强度,并观测其表观状态。试验结果表明,聚氨酯玛蹄脂碎石的残留劈裂抗拉强度随着胶石比的降低而减小,并逐渐趋于稳定。聚氨酯玛蹄脂碎石在多次冻融循环后,试件内部受水的冻胀破坏,空隙率逐渐增大;在长期紫外光照射下,试件表面部分胶黏剂黏附作用降低,从试件表面脱落。根据上述试验结果,基于Verhulst生物模型建立了不同胶石比下聚氨酯玛蹄脂碎石在老化过程中残留劈裂抗拉强度值的预测模型(R0.99),模型拟合精度高。最后,对选定胶石比下聚氨酯玛蹄脂碎石在荷载作用下的耐久性进行了研究。通过MMLS3加速加载试验,对比分析了不同胶石比下聚氨酯玛蹄脂碎石在加载前后的劈裂抗拉强度值,其强度损失率均小于4%,表明其具有较好的抗荷载耐久性。聚氨酯玛蹄脂碎石加载前后的强度损失率随着胶石比的降低而增大,胶石比由7.5%降至5.0%,其强度损失率提高3.2%。