多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料及其制备方法与流程

1.本发明涉及道路工程技术领域，尤其涉及一种多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料及其制备方法。


背景技术：

2.聚氨酯胶粘剂具有优良的力学性能和环境适应性，能够显著提升铺装混合料的性能上限，实现铺装混合料较好的服役性能及长期耐久性，适应于对胶粘剂力学性能要求较高的特种铺装、功能性铺装中应用。通过在聚氨酯混合料中设置大空隙率及添加大比例的橡胶颗粒，可以实现多孔吸声/超弹减振的耦合降噪功能，相比常规密实级配沥青路面，能够降低胎路噪声10db～13db，接近声屏障的降噪效果，显著提升司乘人员的出行体验及公路沿线居民的生活品质，而现在应用较多的多孔沥青路面、橡胶沥青路面等低噪音路面类型，降噪能力一般为3db～6db。目前聚氨酯混合料在桥面铺装工程中应用较为成熟，通常桥面铺装使用的聚氨酯混合料为密实级配，采用双组分聚氨酯胶粘剂。但是，降噪型聚氨酯混合料多应用于高速公路和市政道路，为保证足够的施工可操作时间，其结合料通常选用单组分聚氨酯胶粘剂。
3.降噪型聚氨酯混合料所采用的单组分聚氨酯胶粘剂和聚氨酯混合料桥面铺装所采用的双组分聚氨酯存在很大区别，双组分聚氨酯中的a、b组分为反应型固化，单组分聚氨酯的固化过程为湿固化，由于固化机理的不同，导致具备多孔吸声、超弹减振特点的耦合降噪型聚氨酯混合料相比常规的密实级配型的双组分聚氨酯混合料在材料配方和成型制备工艺上有很大区别，行业内亟需提供一种多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料及其制备工艺。


技术实现要素：

4.本发明提供一种多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料及其制备方法，用以解决现有技术中降噪型聚氨酯混合料的降噪效果不足的缺陷，具体是：通过设计多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料的材料配方，并结合最佳的制备工艺参数，使混合料的多孔吸声/超弹减振的性能达到最优。
5.本发明提供一种多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料的制备方法，是以混合矿料、混合橡胶颗粒和湿固化型单组分聚氨酯胶粘剂为主要原料在最佳制备工艺参数下制得所述的降噪型聚氨酯混合料；
6.所述的主要原料中，由目标空隙率和目标橡胶颗粒掺量的要求，经配合比试验确定所述混合矿料的级配和所述湿固化型单组分聚氨酯胶粘剂的用量；
7.所述的最佳制备工艺参数是指：通过星点设计效应面法确定的矿料拌和温度、矿料拌和时间、混合料容留时间和混合料击实次数；
8.所述的星点设计效应面法中，效应变量为混合料试件的吸声系数和弹性模量。
9.吸声系数是1000～6000hz频率范围内的聚氨酯混合料吸声系数曲线的平均值。
10.弹性模量通过单轴压缩动态模量试验，在20℃、10hz试验条件取值。
11.由于固化速度受环境温、湿度影响，而且聚氨酯混合料中通过设置大空隙率及添加大比例的橡胶颗粒来达到好的降噪效果，其中较大的空隙率也会一定程度影响混合料的固化速度和胶粘剂反应程度，同时，由于橡胶颗粒的高弹性，大比例的橡胶颗粒掺入，还会影响聚氨酯混合料的压实特性。因此，本发明通过在材料配方(如矿料级配、聚氨酯、橡胶颗粒、外掺剂类型及用量等)和成型制备工艺(如混合料容留时间、混合料击实次数等参数)上进行研究，提供一种具备多孔吸声和超弹减振特点的耦合降噪型聚氨酯混合料。
12.根据本发明提供的多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料的制备方法，以重量份计，所述的降噪型聚氨酯混合料的原料为：65～75份混合矿料，8～13份混合橡胶颗粒，1～2份水泥或石灰，3～5份矿粉，3.5～5份湿固化型单组分聚氨酯胶粘剂。
13.根据本发明提供的多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料的制备方法，所述的混合矿料中，不同档位集料比例为0～3mm石灰岩：5～10mm玄武岩：10～15mm玄武岩＝(6～7)：(28～37)：(35～44)；
14.所述的混合橡胶颗粒中，不同档位橡胶颗粒比例为1～3mm：3～5mm＝(2～5)：(5～15)。
15.根据本发明提供的多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料的制备方法，为保证混合料力学性能，所述湿固化型单组分聚氨酯胶粘剂的拉伸强度要求大于30mpa。
16.根据本发明提供的多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料的制备方法，在设计的矿料级配曲线基础上，所述的混合橡胶颗粒通过等体积替换相同粒径石料的方式掺入混合料。
17.根据本发明提供的多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料的制备方法，所述的目标空隙率为22％～27％，按橡胶颗粒等体积替换石料比例计，所述的目标橡胶颗粒掺量为18％～30％。
18.根据本发明提供的多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料的制备方法，所述的最佳制备工艺参数的确定步骤如下：
19.(1)设置自变量的因素水平，所述的自变量为：矿料拌和温度、矿料拌和时间、混合料容留时间、混合料击实次数；
20.(2)以代码形式编排试验表；
21.确定各因素水平代码为-1、0、1；通过内插法分别求出0、1和-1水平代码所代表的因素水平；
22.(3)以混合料试件的吸声系数和弹性模量为效应变量，根据试验表制备试件，开展试验测试；
23.(4)基于吸声系数和弹性模量与各因素之间的关系，进行多元线性拟合，并通过方差分析进行拟合优劣的判断；
24.其中，所述的方差分析的单边置信度不应小于95％；
25.(5)基于建立的拟合模型绘制三维效应面，以效应变量的性能要求直接读取最佳制备工艺参数；
26.(6)在步骤(5)所得最佳制备工艺参数下制备多孔吸声超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料，测试混合料试件的吸声系数和弹性模量，若试件的吸声系数和弹性模量的偏差
均小于5％，验证模型所得制备工艺参数为最佳；
27.若混合料存在吸声系数或弹性模量的偏差大于≥5％，则返回步骤(1)，重新选取各因素水平范围，进行试验，直至找到满足要求的最佳制备工艺参数。
28.根据本发明提供的多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料的制备方法，步骤(1)中，根据聚氨酯粘温曲线、表干时间试验结果，参考沥青混合料制备工艺，在以下范围内设置各自变量的因素水平范围：
29.矿料拌和温度：10～30℃；
30.矿料拌和时间：30～90s；
31.混合料容留时间：75～150min；
32.混合料击实次数：30～80次。
33.通过布氏旋转粘度试验获取聚氨酯粘温曲线，试验温度范围为室温～80℃。室温一般是指25℃。
34.根据本发明提供的多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料的制备方法，在步骤(4)中，删除复相关系数不满足要求的项，达到模型简化的目的。
35.本发明还提供一种多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料，由如上所述的多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料的制备方法制得。所述的多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料的吸声系数大于0.35，弹性模量低于1000mpa，胎路噪声声压级低于90db。
36.本发明提供的一种多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料及其制备工艺，通过在材料配方(如矿料级配、聚氨酯、橡胶颗粒、外掺剂类型及用量等)和成型制备工艺(如混合料容留时间、混合料击实次数等参数)上进行研究，克服了现有技术未能考虑聚氨酯混合料成型制备工艺与多孔吸声/超弹减振性能之间关联性的问题，使制备的混合料多孔吸声/超弹减振性能达到最优。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明提供的多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料的制备工艺参数的确定流程图；
39.图2为本发明提供的混合料飞散损失-用胶量关系图；
40.图3为本发明提供的混合料析漏损失率-用胶量关系图；
41.图4为本发明提供的矿料拌和时间和矿料拌和温度对动态模量的三维效应图；
42.图5为本发明提供的混合料容留时间和矿料拌和温度对动态模量的三维效应图；
43.图6为本发明提供的混合料击实次数和矿料拌和温度对动态模量的三维效应图；
44.图7为本发明提供的混合料容留时间和矿料拌和时间对动态模量的三维效应图；
45.图8为本发明提供的混合料击实次数和矿料拌和时间对动态模量的三维效应图；
46.图9为本发明提供的混合料击实次数和混合料容留时间对动态模量的三维效应
图；
47.图10为本发明提供的矿料拌和时间和矿料拌和温度对吸声系数的三维效应图；
48.图11为本发明提供的混合料容留时间和矿料拌和温度对吸声系数的三维效应图；
49.图12为本发明提供的混合料击实次数和矿料拌和温度对吸声系数的三维效应图；
50.图13为本发明提供的混合料容留时间和矿料拌和时间对吸声系数的三维效应图；
51.图14为本发明提供的矿料拌和时间和混合料击实次数对吸声系数的三维效应图；
52.图15为本发明提供的混合料容留时间和混合料击实次数对吸声系数的三维效应图。
具体实施方式
53.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
54.实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用仪器等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。
55.实施例1
56.下面结合图1-图15描述本发明的多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料及其制备方法，设置混合料的目标空隙率为23％，粗集料为玄武岩石料，细集料为石灰岩石料，结合料为拉伸强度为49.8mpa的湿固化型单组分聚氨酯胶粘剂。在级配范围内设计了三种不同级配，通过试验优选确定矿料级配如表1所示。添加1％的水泥替代矿粉，以提升混合料的抗剥落性能和水稳定性，矿粉添加量为3％。
57.表1矿料级配
[0058][0059]
设置混合料的目标橡胶颗粒掺量为20％，基于等体积替换的方式，采用1.18mm和2.36mm粒径的橡胶颗粒分别替代相同粒径的石料，每个档位的替换掺量均为10％。
[0060]
通过飞散和析漏试验(结果如图2～3所示)，根据两曲线拐点确定多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料中结合料聚氨酯用量范围为4.68％～4.71％(以替换橡胶颗粒前矿质石料总质量计)，最终确定适宜的聚氨酯用量为4.7％。
[0061]
在上述混合料配合比的基础上，通过星点设计效应面法确定多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料最佳的制备工艺参数，具体步骤为：
[0062]
(1)制备工艺参数选取：矿料拌和温度、矿料拌和时间、混合料容留时间和混合料击实次数四个因素，各因素水平范围如表2所示。
[0063]
表2为各因素水平
[0064]
因素水平范围矿料拌和温度10～30℃矿料拌和时间30～90s混合料容留时间75～150min混合料击实次数30～80次
[0065]
(2)以代码形式编排试验表：
[0066]
确定各因素水平代码为-1、0和1；通过内插法分别求出0、1和-1水平代码所代表的因素水平；
[0067]
(3)基于因素水平表进行试验设计，实测不同制备工艺参数所得混合料的吸声系数和动态模量，结果如表3所示；
[0068]
表3星点设计试验结果
[0069]
[0070][0071]
(4)通过design expert 10.0.7软件进行分析，得到吸声系数和动态模量的二项式拟合方程如下：
[0072]
吸声系数的二项式拟合方程：
[0073][0074]
动态模量的二项式拟合方程：
[0075][0076]
且，吸声系数拟合方程的相关系数为0.75，动态模量拟合方程的相关系数为0.89，说明用二项式数学模型预测试验的数据结果是可信的。
[0077]
(5)根据二项式拟合方程绘制的各个因素对指标影响趋势的三维效应面图，动态模量见图4～9所示，吸声系数见图10～15所示。
[0078]
基于f检验计算可得，f
吸声系数
＝3.06，f
弹性模量
＝8.12，判断两组数据f值显著，可通过模型对数据进行解释，且模型中无复相关系数不满足要求的项，模型已达到最简形式。
[0079]
基于建立的拟合模型绘制三维效应面，以效应变量的性能要求直接读取最佳制备工艺参数，最佳工艺参数为：拌和时间为60s，拌和温度为25℃，容留时间为110min，击实次数为45次。
[0080]
(6)基于最佳工艺参数制备混合料，实测其弹性模量和吸声系数，并于模型预测值对比，数据结果如表4所示。弹性模量实测值与模型预测值的相对偏差最小为3.1％《5％，吸
声系数实测值与模型预测值的相对偏离偏差最小为2.4％《5％，此时对应的制备工艺参数为拌和时间60s，拌和温度25℃，容留时间110min，击实次数45次，确定上述工艺参数为一种多孔吸声/超弹减振耦合降噪型聚氨酯混合料的最佳制备工艺。
[0081]
表4混合料吸声系数和弹性模量的预测值与实测值
[0082] 预测值实测值均值偏差弹性模量721mpa699mpa3.1％吸声系数0.410.422.4％
[0083]
将上述制备的耦合降噪型聚氨酯混合料与常规方法制备的降噪型聚氨酯混合料(制备方法参考《聚氨酯高弹多孔混合料降噪机理及配合比设计方法研究》中的方法进行，具体步骤详见58-60页)、常规密实级配沥青混合料(制备方法参照jtg e20-2011)进行比较：
[0084]
通过轮胎垂直下落法测试胎路接触时的胎路噪声声压级，表征聚氨酯混合料多孔吸声/超弹减振耦合的综合降噪效果，试验结果如表5所示，凭借多孔和超弹的材料特点，常规方法制备的降噪型聚氨酯混合料，相比常规密实级配沥青混合料，可降低胎路噪声超过7db，而利用本发明的材料配方及获得的制备工艺参数，相比常规方法可进一步提升耦合降噪型聚氨酯混合料的多孔吸声及超弹减振性能，从而获得更佳的综合降噪效果。
[0085]
表5
[0086][0087]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。