用于刻槽路面抑冰/破冰的聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料及其制备方法

1.本发明属于路面灌浆材料技术领域，具体涉及到一种用于刻槽路面抑冰/破冰的聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料及其制备方法。


背景技术：

2.在寒冷的冬季，许多公路与城市道路常受到雨雪冰冻天气的影响，当降雪较大或环境温度持续降低时，路面可能会长时间被冰层覆盖，导致路面的抗滑性能严重不足。研究数据表明，凝冰路段交通事故发生率是正常气候条件下的2倍，且伤亡率高达70％。特别在隧道进出口、长大陡坡及弯道等特殊路段，事故发生率更高。冰雪环境下路面抗滑问题已成为制约安全道路建设的瓶颈。
3.传统路面被动除冰方法费时、费力，且氯化物等融雪剂存在污染环境、腐蚀道路附属设施等弊端。自应力弹性铺装路面中的刻槽填充弹性体路面在破冰及抗滑性能提升方面具有明显优势。此种路面在寒区路面结冰后，不易形成“冰-路”界面稳定的锚式结构；且灌入路面刻槽中的耐低温柔性弹性体材料与原路面间形成较大力学特性反差。在车轮碾压下冰层局部区域产生“微简支梁”效应，位于弹性体材料上部的冰层会随弹性体材料产生较大变形，导致位于路面表面的冰层极易在车轮荷载碾压作用下产生破裂，并在车轮及其气动效应作用下，产生飞溅等，从而达到主动破冰效果。同时，位于路面刻槽中的弹性灌浆材料具有一定的疏水性和较低的表面能，可有效抑制结冰、降低冰-路界面粘结力，使得冰层更易在行车荷载作用下发生破裂。
4.但目前针对刻槽填充灌浆材料普遍存在综合性能不好的问题，主要表现在：(1)与沥青混合料界面粘结性能较差；(2)表面耐磨性较差，容易从刻槽内部脱落；(3)不具备疏水抑冰作用，仅依靠路面自应力除冰。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于刻槽路面抑冰/破冰的聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料及其制备方法，该灌浆材料综合性能优良，满足力学性能、疏水抑冰性能、界面粘结性能的要求。
6.针对上述目的，本发明采用的聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料，以质量分数计，包括聚氨酯a组分40～45份，聚氨酯b组分200～210份，聚脲a组分50～55份，聚脲r组分50～55份，有机溶剂14～21份；催化剂1～3份；橡胶颗粒150～350份。
7.进一步的，所述的聚氨酯a组分是聚醚二元醇或聚醚三元醇与过量4,4
′‑
二苯基甲烷二异氰酸酯(mdi)反应得到的预聚物，聚氨酯b组分为聚醚二元醇或聚醚三元醇与1,4-丁二醇按质量比1：1混合得到。
8.进一步的，所述聚脲a组分是由端氨基聚醚与过量4,4
′‑
二苯基甲烷二异氰酸酯(mdi)反应得到的预聚物，聚脲r组分是端氨基聚醚。
9.进一步的，所述有机溶剂为乙酸乙酯、丙酮、乙酸丁酯、n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮中任意一种或几种。
10.进一步的，所述催化剂为有机锡金属催化剂，如二丁基锡二月桂酸酯、辛酸亚锡、二醋酸二丁基锡等中任意一种或多种。
11.进一步的，所述橡胶颗粒的粒径范围为0.5～5mm，既可选取单一粒径，也可按一定的粒径比例混合。
12.本发明聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料的制备方法为：先将聚氨酯a组分和聚氨酯b组分混合，将聚脲a组分和聚脲r组分混合；然后将聚脲加入聚氨酯中，再加入有机溶剂、催化剂，在20～30℃下搅拌3～5min直到胶结料搅拌均匀，不出现分层离析现象；然后分3～5次加入橡胶颗粒并进行搅拌直至橡胶颗粒在胶结料中分散均匀，得到聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料。
13.进一步的，所述橡胶颗粒在加入前先进行极性处理，处理方式为：将橡胶颗粒在次氯酸钠与浓盐酸、去离子水体积比为4～8:1～3:100的混合溶液中浸泡10～15min，然后过滤出橡胶颗粒，放入60～80℃烘箱中烘干12～15h。
14.本发明的有益效果如下：
15.1.本发明灌浆材料能满足既不损伤路面，又能有效抑制路面结冰的需求，提升路面抗滑性，保证行车安全。
16.2.相比于现有聚氨酯路用填充材料，本发明灌浆材料解决了界面粘结不足、易脱落、易磨损的问题，提高了刻槽填充路面的耐久性与使用寿命。
17.3.本发明灌浆材料选用的原材料均为普通、易获取的材料，成本低且环保，有利于社会推广和量产，有广阔的应用前景。
附图说明
18.图1是实施例1～9聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料在25℃时的压缩应力应变图。
19.图2是实施例1～9聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料在-20℃时的压缩应力应变图。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
21.下面实施例中的聚氨酯a组分和聚氨酯b组分分别为中山市东凤镇远洋体育塑胶材料厂提供的跑道料g-015中的a料和b料，聚脲a组分和聚脲r组分分别为淄博固瑞特防腐保温科技有限公司提供的1080型聚脲中的a料和r料。
22.实施例1
23.本实施例聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料中，以质量份计，包括聚氨酯a组分41份，聚氨酯b组分205份，聚脲a组分52份，聚脲r组分52份，乙酸乙酯17.5份，二丁基锡二月桂酸酯1份，粒径0.6mm的橡胶颗粒150份。
24.本实施例聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料的制备方法为：先将聚氨酯a组分和聚氨酯b组分混合，将聚脲a组分和聚脲r组分混合；然后将所得聚脲加入聚氨酯中，再加入乙酸乙酯、二丁基锡二月桂酸酯，在25℃下搅拌3min直到胶结料搅拌均匀，不出现分层离析现象；
然后分4次共加入粒径为0.6mm的橡胶颗粒并进行搅拌直至橡胶颗粒在胶结料中分散均匀，得到聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料。
25.实施例2
26.本实施例聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料中，以质量份计，包括粒径0.6mm的橡胶颗粒233份，其余各组分质量份数和复合灌浆材料的制备方法同实施例1。
27.实施例3
28.本实施例聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料中，以质量份计，包括粒径0.6mm的橡胶颗粒350份，其余各组分质量份数和复合灌浆材料的制备方法同实施例1。
29.实施例4
30.本实施例聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料中，以质量份计，包括粒径1.18mm的橡胶颗粒150份，其余各组分质量份数和复合灌浆材料的制备方法同实施例1。
31.实施例5
32.本实施例聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料中，以质量份计，包括粒径1.18mm的橡胶颗粒233份，其余各组分质量份数和复合灌浆材料的制备方法同实施例1。
33.实施例6
34.本实施例聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料中，以质量份计，包括粒径1.18mm的橡胶颗粒350份，其余各组分质量份数和复合灌浆材料的制备方法同实施例1。
35.实施例7
36.本实施例聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料中，以质量份计，包括粒径2.36mm的橡胶颗粒150份，其余各组分质量份数和复合灌浆材料制备方法同实施例1。
37.实施例8
38.本实施例聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料中，以质量份计，包括粒径2.36mm的橡胶颗粒233份，其余各组分质量份数和复合灌浆材料的制备方法同实施例1。
39.实施例9
40.本实施例聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料中，以质量份计，包括粒径2.36mm的橡胶颗粒350份，其余各组分份数和复合灌浆材料的制备方法同实施例1。
41.对比例1
42.在实施例3中，未加入聚脲a组分、聚脲r组分，其余各组分质量份数和复合灌浆材料的制备方法同实施例3。
43.对比例2
44.在实施例6中，未加入聚脲a组分、聚脲r组分，其余各组分质量份数和复合灌浆材料的制备方法同实施例6。
45.对比例3
46.在实施例9中，未加入聚脲a组分、聚脲r组分，其余各组分质量份数和复合灌浆材料的制备方法同实施例9。
47.将上述实施例1～9和对比例1～3的灌浆材料分别装入试模中，在室温下待其完全固化以后作为试件，用于测试力学性能、疏水抑冰性能、界面粘结性能。力学性能分别在25℃和-20℃下测试，测试指标包括：邵氏硬度、压缩应力应变、压缩永久变形，邵氏硬度和压缩永久变形测试结果见表1，压缩永久变形测试结果见图1和图2。疏水抑冰性能测试指标包
括：接触角、冰黏附力，测试结果见表2。界面粘结性能测试指标包括：剪切强度、拉拔强度，测试结果见表3。
48.表1力学性能测试结果
[0049][0050]
表2抑制结冰性能测试结果
[0051][0052]
表3界面粘结性能测试结果
[0053][0054]
根据表1及图1和图2可知，在相同橡胶颗粒掺量下，粒径变大，灌浆材料硬度有明显提升，压缩应变有所降低，压缩永久变形增加，即弹性回复能力变差；相同粒径的橡胶颗粒，橡胶颗粒掺量增加，硬度有下降趋势，但压缩应变明显提高，即材料更富弹性，而压缩永久变形减小，即材料弹性恢复能力更好。
[0055]
根据表2可知，实施例1～9聚氨酯脲-橡胶复合灌浆材料表面均表现为疏水性，有较低的表面自由能，其中实施例1的冰黏附力最小为208kpa，实施例9的冰黏附力最大为380kpa。在相同橡胶颗粒掺量下，粒径增大，灌浆材料的接触角有降低的趋势，即表面张力在增大，而冰黏附力也越大；相同粒径的橡胶颗粒，掺量越大，冰黏附力越大。通过比较实施例3和对比例1、实施例6和对比例2、实施例9和对比例3可知，聚脲的加入能提高复合灌浆材料的接触角，降低冰黏附力，从而提升抑冰破冰性能。
[0056]
根据表3可知，实施例2复合灌浆材料的剪切强度和拉拔强度最大，分别为
1082kpa、244kpa；实施例9复合灌浆材料的剪切强度和拉拔强度最小，分别为610kpa、109kpa。总体来看，橡胶颗粒粒径越小其界面粘结强度越好；在橡胶颗粒粒径为1.18mm、2.36mm时，随着橡胶颗粒掺量的增加，其界面粘结强度有趋于减小的趋势，但在粒径为0.6mm时，橡胶掺量为233份时比150份时的剪切、拉拔强度都高。通过比较实施例3和对比例1、实施例6和对比例2、实施例9和对比例3可知，聚脲的加入，能提高复合灌浆材料的剪切强度和拉拔强度，从而提升界面粘结性能，减少磨损脱落现象的发生。