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聚氨酯混合料固化特征及施工时间节点研究

聚氨酯混合料固化特征及施工时间节点研究

作者：付晨曦重庆交通大学

学位级别：硕士

《交通强国建设纲要》中提出“推动交通发展由追求速度规模向更加注重质量效益转变,由依靠传统要素驱动向更加注重创新驱动转变,构建安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系”等目标,提升路面技术的绿色、耐久、安全、经济... 详细信息

《交通强国建设纲要》中提出“推动交通发展由追求速度规模向更加注重质量效益转变,由依靠传统要素驱动向更加注重创新驱动转变,构建安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系”等目标,提升路面技术的绿色、耐久、安全、经济性成为了当前道路工程的研究热点。当前,一些学者将目光放在高分子聚合物上,提出用聚氨酯混合料代替常用的路面材料。基于此,本文通过室内试验,研究不同养护环境(40℃/100%湿度、30℃/80%湿度、20℃/50%湿度)下,聚氨酯胶粘剂固化特征及聚氨酯混合料的固化性能、关键施工工艺,为推广聚氨酯混合料提供参考。首先,根据道路工程特点及聚氨酯胶粘剂特性,确定使用单组份聚醚型聚氨酯胶粘剂作为混合料的胶结料;通过对聚氨酯胶粘剂的粘度试验、直接拉伸试验可知,筛选出适用的聚氨酯胶粘剂粘度应不大于3500 m Pa·s,拉伸强度应不小于6.7MPa;接着对聚氨酯胶粘剂进行漆膜固化试验和红外光谱试验,试验表明:聚氨酯胶粘剂的表面干燥时间与完全固化时间受温湿度影响,温湿度越高胶粘剂所需干燥时间越少,所需完全固化时间越少。其次,依据筛选出的聚氨酯胶粘剂,设计级配并将集料等体积替换橡胶颗粒制备成聚氨酯混合料;对混合料进行空隙率试验、马歇尔稳定度试验及水稳定性试验,试验表明:在越高的温湿度养护环境下,混合料的空隙率上升越快,马歇尔稳定度下降越快,水稳定性下降越快;综合分析聚氨酯及混合料固化特征可知:20℃/50%湿度条件下,混合料可容留时间技术指标为聚氨酯胶粘剂表面干燥时间不得低于2.85小时;在30℃/80%湿度条件下,可容留时间技术指标为聚氨酯胶粘剂表面干燥时间不得低于1.79小时;聚氨酯混合料不适用于40℃/100%湿度环境下的长运距施工。最后,利用无核密度仪测试不同碾压组合次数车辙板的压实度,试验确定聚氨酯混合料现场施工最佳压实组合为4+8;对混合料进行通车时间试验,综合分析胶粘剂固化特征与混合料通车时间,提出聚氨酯混合料在20℃/50%湿度环境下,路面通车技术指标为聚氨酯胶粘剂完全固化时间不少于8.13小时,在30℃/80%湿度环境下,路面通车技术指标为聚氨酯完全固化时间不少于3.5小时。

关键词：聚氨酯胶粘剂聚氨酯混合料固化特征可容留时间关键施工工艺

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聚氨酯混合料材料组成优化及服役性能研究

聚氨酯混合料材料组成优化及服役性能研究

作者：孙晟凯重庆交通大学

学位级别：硕士

随着海绵城市、绿色公路建设理念不断推广,道路对功能性和舒适性的要求越来越高。为了满足道路功能性的要求,本文基于聚氨酯粘结剂、石料与橡胶颗粒,通过材料组成设计和成型工艺研究得到一种超弹多孔聚氨酯混合料,相较于普通沥青混合料... 详细信息

随着海绵城市、绿色公路建设理念不断推广,道路对功能性和舒适性的要求越来越高。为了满足道路功能性的要求,本文基于聚氨酯粘结剂、石料与橡胶颗粒,通过材料组成设计和成型工艺研究得到一种超弹多孔聚氨酯混合料,相较于普通沥青混合料具有空隙率大、橡胶颗粒掺量高等特点。该混合料利用大孔隙结构可以有效的减少轮胎/路面之间的噪声,并具备良好的排水功能。此外由于混合料中大比例橡胶颗粒的加入,利用其超弹减震效应,进一步降低了轮胎/路面之间的噪声,并可以实现冬季自应力除冰。首先,本文基于PAC-13、PERS、OGFC三种大孔隙级配,采用体积法计算超弹多孔混合料空隙率的大小并确定空隙率的区间范围;在级配范围内调整粗集料和细集料的配比来改变其空隙率的大小;采用析漏损失率、飞散损失率两种指标明确聚氨酯混合料的最佳用胶量;采用布氏粘度仪研究聚氨酯结合料粘温曲线,确定聚氨酯的最佳拌和温度和压实温度范围;测试超弹多孔聚氨酯混合料的空隙率、毛体积密度、飞散损失率,通过曲线拐点确定最佳的击实次数;采用内掺法将橡胶颗粒、集料拌和后加入聚氨酯结合料;基于等体积替换法替换不同粒径的集料;采用浸水飞散试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验测试替换不同档位橡胶颗粒后的力学性能,确定橡胶颗粒的替换顺序。其次,调研国内主要城市温湿度变化范围,采用恒温恒湿箱通过模拟不同温湿度条件对混合料试件进行养生,研究混合料的固化规律;采用五种不同聚氨酯种类、不同橡胶颗粒替换量（0%,10%,20%）、不同空隙率大小（16%,19%,22%,25%）对照组的超弹多孔聚氨酯混合料,通过车辙试验、小梁弯曲试验、浸水飞散试验、摆氏摩擦系数试验、疲劳试验,分别评价超弹多孔聚氨酯混合料的抗车辙性、低温抗裂性、水损害性、抗滑性、抗疲劳性。最后,针对不同聚氨酯种类、空隙率、橡胶颗粒含量,采用ABAQUS有限元软件分析不同比例橡胶颗粒掺量的超弹多孔聚氨酯混合料的自应力除冰性能,选取最大主应力和最大主应变两个指标评价破冰能力;采用驻波管法来测试噪音穿过聚氨酯混合料试件时的吸声系数,以此评价其降噪性能;采用路面渗水仪进行排水试验,通过测试规定时间内的渗水量并计算渗水系数评价聚氨酯混合料的排水性能;提出各工程环境下橡胶颗粒的最优替换体积比及混合料最优空隙率,确定最优超弹多孔聚氨酯混合料材料组成设计。

关键词：聚氨酯混合料超弹多孔路面降噪功能排水特性自应力除冰

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骨架嵌挤结构聚氨酯混合料疲劳特性

科学技术与工程 2022年第6期22卷 2491-2497页

作者：孙敏毕玉峰庄伟陈赛庞德政张文生山东建筑大学交通工程学院济南250101 山东省高性能绿色路用材料工程技术研究中心济南250031 山东省交通规划设计院集团有限公司济南250031 国家聚氨酯工程技术研究中心烟台265505 万华化学股份有限公司烟台265505

为探讨骨架嵌挤结构聚氨酯混合料在长期车辆荷载作用下疲劳特性,以聚氨酯混合料和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene block copolymer,SBS)改性沥青混合料为研究对象,利用万能试验机(universal testing machine... 详细信息

为探讨骨架嵌挤结构聚氨酯混合料在长期车辆荷载作用下疲劳特性,以聚氨酯混合料和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene block copolymer,SBS)改性沥青混合料为研究对象,利用万能试验机(universal testing machines,UTM)对疲劳试件进行不同应变水平的四点弯曲疲劳试验,监测并分析两种混合料的弯拉劲度模量、耗散能和滞后角等指标的演变过程,引入外推法,进行两种混合料的疲劳极限计算和疲劳方程预估。结果表明:聚氨酯混合料弯拉劲度模量降低速度慢,试件内部微裂纹萌生和发展地少,弹性恢复能力强,弹性特征相对明显。在相同应变水平下,当试验终止时累积耗散能为SBS改性沥青混合料的4倍左右,表明聚氨酯混合料需要更多的能量来促进材料损伤的产生,抗疲劳性能好。聚氨酯混合料和SBS改性沥青混合料对应的疲劳极限分别为295με和110με,骨架嵌挤结构聚氨酯混合料能满足拉应变水平更高的结构层位使用要求。

关键词：路面工程骨架嵌挤结构聚氨酯混合料疲劳特性疲劳极限

聚氨酯混合料在正交异性钢桥面铺装中的发展与应用

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混凝土世界 2021年第4期 88-93页

作者：徐斌徐速吕建华朋茜宁波路宝科技实业集团有限公司浙江宁波315800 宁波工程学院建筑与交通工程学院浙江宁波315211 浙江省土木工程工业化建造工程技术研究中心(宁波工程学院) 浙江宁波315211

针对目前国内钢桥面铺装使用效果不佳以及病害频发的现状,本文首先对钢桥面铺装现状和发展做了分析,阐述了钢桥面铺装的特点和发展过程。依据正交异性钢桥铺装的特点,选取了聚氨酯混合料为研究对象,深入分析了这种新型聚合物混合料的材... 详细信息

针对目前国内钢桥面铺装使用效果不佳以及病害频发的现状,本文首先对钢桥面铺装现状和发展做了分析,阐述了钢桥面铺装的特点和发展过程。依据正交异性钢桥铺装的特点,选取了聚氨酯混合料为研究对象,深入分析了这种新型聚合物混合料的材料性能和作为铺装层的路用性能,包括抗压强度、抗弯拉强度、马歇尔稳定度、高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性能等,从多方面说明了聚氨酯混合料在正交异性钢桥面铺装中的良好应用前景。最后,针对目前聚氨酯混合料的研究现状,做了未来研究发展的预判和展望,以期为推广聚氨酯混合料用于钢桥面铺装做出理论依据和铺垫。

关键词：桥面铺装聚氨酯混合料正交异性钢桥面板路用性能

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聚氨酯混合料强度形成与温度稳定性研究

山东建筑大学学报 2022年第5期37卷 126-134页

作者：张新雨任瑞波孙敏山东建筑大学交通工程学院山东济南250101

聚氨酯混合料强度形成和温度稳定性的研究为密级配聚氨酯混合料设计提供参考。基于沥青混合料组成设计方法,设计了悬浮密实结构聚氨酯混合料(PC-13)和骨架密实结构聚氨酯混合料(SMP-13)的矿料组成,针对不同环境温度监测马歇尔试件强度... 详细信息

聚氨酯混合料强度形成和温度稳定性的研究为密级配聚氨酯混合料设计提供参考。基于沥青混合料组成设计方法,设计了悬浮密实结构聚氨酯混合料(PC-13)和骨架密实结构聚氨酯混合料(SMP-13)的矿料组成,针对不同环境温度监测马歇尔试件强度和高度变化并分析其强度和体积变化,根据不同温度下布氏黏度测试结果分析施工可操作性,并通过车辙试验和低温弯曲试验评价温度稳定性。结果表明:PC-13和SMP-13的最佳胶石比均为4.5%;20和30℃下,PC-13和SMP-13的劈裂强度和试件体积均在前期增长缓慢而后期增长加快,40℃下的劈裂强度和试件体积发展变化迅速;聚氨酯结合料在20~40℃环境温度下,施工可操作时间>7.5 h;聚氨酯混合料具有优异的高、低温稳定性。

关键词：聚氨酯混合料级配设计强度形成布氏黏度温度稳定性

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聚氨酯混合料与沥青混合料路用性能评价对比

中外公路 2021年第3期41卷 304-309页

作者：黎小顺广东省交通规划设计研究院股份有限公司广东广州510507

随着车流量与车辆荷载的不断增大,道路工程建设中对道路材料的要求也逐步提高。除了普通改性沥青外,人们开始关注非沥青材料在路面材料中的应用。其中,聚氨酯材料受到广泛关注。该文通过肯塔堡飞散试验、冻融劈裂试验、低温小梁弯曲试... 详细信息

随着车流量与车辆荷载的不断增大,道路工程建设中对道路材料的要求也逐步提高。除了普通改性沥青外,人们开始关注非沥青材料在路面材料中的应用。其中,聚氨酯材料受到广泛关注。该文通过肯塔堡飞散试验、冻融劈裂试验、低温小梁弯曲试验、车辙试验、抗滑试验与四点小梁弯曲试验对比了基质沥青、SBS改性沥青与5种不同配比的聚氨酯混合料的路用性能。试验结果表明:含有合适比例异氰酸酯的聚氨酯混合料的抗松散、低温抗裂、抗水损、抗车辙及抗滑性能均优于传统沥青混合料,更适合于高温重载交通路面。异氰酸酯比例较高的聚氨酯混合料的抗剥落性能、强度与抗滑性能较好。

关键词：聚氨酯混合料异氰酸酯路用性能对比分析

多因素条件下聚氨酯混合料压实时机预测模型及固化反应微观分析

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多因素条件下聚氨酯混合料压实时机预测模型及固化反应微观分析

作者：彭庚北京建筑大学

学位级别：硕士

聚氨酯混合料是一种由课题组自主研发的聚氨酯全面替代沥青作为胶黏剂的新型冷拌冷铺绿色道路铺面材料,该材料节能减排且性能优异。但是,聚氨酯混合料的强度形成与聚氨酯固化反应密切相关,过早或过晚压实均难以保证材料的压实效果及路... 详细信息

聚氨酯混合料是一种由课题组自主研发的聚氨酯全面替代沥青作为胶黏剂的新型冷拌冷铺绿色道路铺面材料,该材料节能减排且性能优异。但是,聚氨酯混合料的强度形成与聚氨酯固化反应密切相关,过早或过晚压实均难以保证材料的压实效果及路用性能。为此,本文旨在通过试验研究确定聚氨酯混合料压实时机判定指标与标准,据此建立压实时机预测模型,并结合固化反应微观分析对压实时机预测模型进行优化,进一步提高其拟合精度。首先,为了探究级配类型及空隙率对聚氨酯混合料压实时机的影响,参照沥青混合料AC-13及PA-13级配对聚氨酯混凝土(Polyurethane Concrete-13,简称PC-13)及大孔隙聚氨酯混合料(Porous Polyurethane Mixture,简称PPM-13)进行了配合比设计。其次,选择代表性试验条件(25℃、50%相对湿度和4%催化剂用量)研究了聚氨酯混合料压实时机的确定方法。通过试验建立了养生完成后聚氨酯混合料空隙率、劈裂抗拉强度、高温、低温及水稳定性随成型时间变化的拟合方程,并以各项性能满足技术要求为前提,确定了两种聚氨酯混合料的可压实时间。在此基础上,结合相关性分析确定了聚氨酯混合料可压实时间的判定指标及标准,即以空隙率判定最早压实时机,以劈裂抗拉强度判定最晚压实时机。此外,综合考虑不同路用性能,采用熵值法确定了聚氨酯混合料的最佳压实时机。然后,结合聚氨酯材料特性及我国气候条件,以温度、相对湿度和催化剂用量为影响因素进行了正交设计。根据正交试验结果,建立了不同条件组合下PC-13及PPM-13的空隙率及劈裂抗拉强度随成型时间变化的回归方程,并结合所提出的压实时机确定方法得到了不同条件组合下聚氨酯混合料的可压实时间。在此基础上,通过极差及方差分析,确定了各因素对压实时机影响程度的主次顺序。依据上述试验及分析结果,基于多元非线性回归分析初步建立了可压实时间预测模型,PC-13及PPM-13的最早和最晚压实时机预测模型的决定系数分别为0.92、0.95和0.86、0.88。最后,为了从微观角度分析聚氨酯混合料的固化反应,以聚氨酯胶黏剂及石灰岩矿粉掺配形成的聚氨酯胶浆体系为研究对象,通过DSC试验发现聚氨酯早期固化反应受温度影响极为显著;基于Kamal反应模型建立了聚氨酯胶浆体系的固化动力学拟合方程(R>0.98),验证了该固化反应具有显著的自催化特征。此外,结合微观分析结果,确定了聚氨酯混合料达到最大固化速率的试验条件,据此剔除了正交设计中无效的试验条件及其试验结果,并对预测模型进行了优化。优化后,PC-13及PPM-13的最早及最晚压实时机预测模型的决定系数分别为0.96、0.98和0.93、0.94,拟合精度显著提升。

关键词：聚氨酯混合料压实时机预测模型固化反应微观分析模型优化

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单组份聚氨酯混合料水稳定性改善研究

单组份聚氨酯混合料水稳定性改善研究

作者：夏立翔北京建筑大学

学位级别：硕士

聚氨酯混合料路用性能优异,且施工时能耗低、排放小,有望在桥面铺装、除冰雪等领域取代沥青混合料,但聚氨酯的抗水解能力不足导致水稳定性不良,成为聚氨酯混合料推广和应用的障碍。已有研究尝试了调整聚氨酯的异氰酸酯指数、玻璃化转变... 详细信息

聚氨酯混合料路用性能优异,且施工时能耗低、排放小,有望在桥面铺装、除冰雪等领域取代沥青混合料,但聚氨酯的抗水解能力不足导致水稳定性不良,成为聚氨酯混合料推广和应用的障碍。已有研究尝试了调整聚氨酯的异氰酸酯指数、玻璃化转变温度或软硬段比例等方法,或者改变混合料的集料类型、级配结构等措施,但实际改善的效果有限,甚至对其他路用性能产生负面影响。因此,本文通过掺加改性剂,以提升聚氨酯胶粘剂的抗水解性以及聚氨酯与集料之间的黏附性来改善聚氨酯混合料的水稳定性。首先,本文以单组份聚氨酯作为胶粘剂,从抗水解性和黏附性两个方面来改善聚氨酯混合料的水稳定性,以0%、1%、2%、3%和4%为拟定掺量,分别添加2种不同特性的聚合碳化二亚胺化合物(PCDI)以提升抗水解性能,分别添加2种不同种类的硅烷偶联剂(SCA)以增强黏附性能。通过吸水率、拉伸试验和表面能试验确定每种改性剂的推荐掺量范围和最佳掺量。结果表明:采用2种PCDI改性剂可以降低聚氨酯胶粘剂的吸水率、提升浸水后的拉伸强度和拉伸强度的保持率,对于聚氨酯胶粘剂的抗水解能力有提升效果。采用2种SCA改性剂可以使聚氨酯的黏附功增加、剥落功绝对值下降,因此改性后的聚氨酯有更好的黏附性能和抗水损性能。综合试验指标,PCDI1的推荐掺量在1～2%之间,PCDI2的推荐掺量在2～3%之间,SCA1的推荐掺量在2～3%之间,SCA2的推荐掺量在1～2%之间。其次,对改性聚氨酯进行微观测试。通过场发射扫描电子显微镜测试(FESEM)和原子力显微镜测试(AFM)以观测聚氨酯试件的微观表面形貌变化,通过傅里叶变换红外光谱测试(FTIR)和X射线衍射测试(XRD)以检测材料的官能团、化学物质组成的变化。结果表明:FESEM难以确定试件表面的损伤是由于水损坏导致,还是制备、养护试件时导致,因此不适用于直接判断改善效果。AFM结果显示PCDI改善了聚氨酯的水解作用,软段区域和硬段区域的微相区分离程度也得到改善,SCA使得聚氨酯中的硬段的团聚现象增加,导致聚氨酯试件的粗糙度也明显增加。FTIR通过各官能团峰值确定了聚氨酯的构成形式,通过聚氨酯中的氨基甲酸酯的C=O和-NH峰值强度的变化来证明PCDI有效抑制了聚氨酯的水解作用,通过烷氧基脱水缩合产物Si-O-Si的伸缩振动峰来证明SCA与聚氨酯发生了反应,使得聚氨酯的官能团特征发生变化。XRD的峰值变化表征了PCDI对水解的抑制作用的效果和SCA导致聚氨酯交联增加、内聚力增大的效果。最后,制备OGFC-13聚氨酯混合料进行宏观路用性能测试,并通过方差分析方法来评价改善效果的显著性。结果表明:对于高、低温性能试验,未改性和改性聚氨酯混合料都有足够抵抗高温车辙和低温抗裂的性能,且远超过公路沥青路面施工技术规范中对于沥青混合料的技术要求,因此聚氨酯混合料可满足道路路面的使用要求。但对于PCDI类改性剂,可能会轻微地降低聚氨酯混合料的低温抗裂性能。水稳定性能试验表明,2种PCDI改性剂和2种SCA改性剂均能明显地提高聚氨酯混合料试件的浸水马歇尔稳定度和冻融劈裂强度,并且SCA类改性剂的影响效果比PCDI类更为显著,此外,改性聚氨酯混合料的水稳定性能增长趋势与改性聚氨酯的力学拉伸强度、剥落功变化趋势具有一致性。改性聚氨酯混合料的浸水马歇尔稳定度均在20k N以上,远超过规范对OGFC沥青混合料的马歇尔稳定度不小于3.5k N的技术要求,同时也远大于同级配沥青混合料5k N～7k N的浸水马歇尔稳定度。改性聚氨酯混合料的冻融后劈裂强度均在1.0MPa以上,超过同级配沥青混合料0.3MPa～0.6MPa的冻融后劈裂强度。说明改性聚氨酯混合料的水稳定性得到了改善,与OGFC沥青混合料相比,在浸水后的稳定度、力学强度和高低温性能都显著更优。从改善效果而言,推荐使用SCA1改性剂,其对于单组份聚氨酯混合料的水稳定性能有较明显的提升,且对混合料的高低温性能也有一定的增益作用。

关键词：单组份聚氨酯聚氨酯混合料水稳定性抗水解剂硅烷偶联剂

聚氨酯混合料施工特性及环境因素作用下稳定性研究

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山东交通科技 2024年第4期 38-41页

作者：武海波张立武石光辉刘明董博徐同文王新孙敏中冶路桥建设有限公司山东济南250013 淄博市交通建设发展中心山东淄博2550001 山东建筑大学交通工程学院山东济南250101

以劈裂抗拉强度为关键指标,分析工艺、材料组成等因素对聚氨酯混合料施工特性影响研究,通过监测高温水域和长期冻融等环境条件下的聚氨酯混合料性能,分析聚氨酯混合料在环境因素作用下的稳定性。结果表明:掺加扩链剂可加快聚氨酯混合料... 详细信息

以劈裂抗拉强度为关键指标,分析工艺、材料组成等因素对聚氨酯混合料施工特性影响研究,通过监测高温水域和长期冻融等环境条件下的聚氨酯混合料性能,分析聚氨酯混合料在环境因素作用下的稳定性。结果表明:掺加扩链剂可加快聚氨酯混合料早期强度形成,增大聚氨酯混合料体积膨胀高度,当对聚氨酯混合料早期强度有要求时,推荐外掺6%或者内掺3%的扩链剂。高温环境下聚氨酯混合料劈裂抗拉强度损伤较小,长期冻融循环下聚氨酯混合料的劈裂抗拉强度降低明显,但5次冻融后劈裂抗拉强度仍为沥青混合料的3倍以上。聚氨酯混合料可满足路面铺装使用需求。

关键词：聚氨酯混合料施工特性劈裂抗拉强度环境因素稳定性