目前,路面工程中仍以沥青路面为主。然而,由于沥青材料对温度敏感,在外界环境(温度、降水、重载等)影响下,沥青路面易发生车辙、裂缝及坑槽病害。为提高沥青路面性能和高效修补上述早期病害,越来越多的高分子材料被应用于路面工程,其中,聚氨酯材料是研究较为广泛的一种。
在路面工程中,聚氨酯可以用作沥青的改性剂,提高沥青路面抗变形能力,也可以替代沥青,直接进行路面修补或与集料拌和后用于道路的修补和铺装,得到路用性能更好的路面。本文从改性沥青用聚氨酯、路面裂缝修补用聚氨酯和道路铺装用聚氨酯3个方面,综述了聚氨酯材料在路面工程中的应用情况与现有技术水平,为相关科研工作者提供参考。
1 改性沥青用聚氨酯
沥青作为一种粘弹性材料,其高低温性能、抗疲劳性有待提高。将聚氨酯预聚体加入到沥青中,可以提高沥青路面的路用性能。聚氨酯预聚体中异氰酸酯基可与沥青组分中的羟基、羧基反应,生成氨基甲酸酯基团。同时,异氰酸酯可与空气或沥青中的水反应,使得聚氨酯与沥青表现出良好的化学相容性,并且PU极性基团与沥青组分相互作用形成氢键,内聚能增加,提高了物理相容性,最终提高了聚氨酯改性沥青拌合料的路用性能。
聚氨酯改性沥青的性能评价主要通过粘接性能、抗变形能力和长期抗老化性能等方面进行。聚氨酯改性沥青粘接性能优异,混合料具有更高的动态模量,抗变形能力更强,路用性能优良。
2 路面裂缝修补用聚氨酯
路面裂缝常用修补材料为沥青灌封料,其高低温性能较差,内聚能较低,易出现粘接失效、老化开裂等问题,而聚氨酯裂缝灌封料能够克服沥青灌封料的上述缺点。常用聚氨酯裂缝灌封料有硬质聚氨酯泡沫料和聚氨酯弹性体原液。
2.1 硬质聚氨酯泡沫料硬质聚氨酯泡沫料通常为双组分,灌入裂缝后,可以形成高密度硬质疏水闭孔泡沫,起到修补增强的作用。相比于传统沥青,硬质聚氨酯泡沫料混合后快速发泡固化,强度上升较快且稳定,适合用作沥青路面修补。
2.2 聚氨酯弹性体原液
具有良好粘结性和韧性的聚氨酯密封胶可以适应裂缝膨胀变形,解决了沥青灌封料与界面粘结力不足导致的路面二次开裂问题,能够延长修补后路面的使用寿命。
3 功能性道路铺装用聚氨酯
近年来,聚氨酯在一些功能性道路路面铺装中取得应用,例如透水路面、低噪声路面、防滑除冰路面等。
透水路面结构设计与传统防渗沥青路面不同,其通常设计成多孔结构,使水体下渗,促进城市自然水循环。Lu等以生物基聚氨酯与废弃陶瓷混合制备透水路面铺装材料,其抗压强度是传统沥青混合料的2倍,水渗透率为传统沥青混合料的3倍,且无需加热保温。修福晓等研究了聚氨酯用量对聚氨酯碎石混合物抗压强度和透水性能的影响。结果表明,当聚氨酯质量分数为4%时,混合物抗压强度能够达到10MPa,15cm厚的混合物可以实现500mL蒸馏水在20s内流出,透水性能良好。
4 展望
综上可知,聚氨酯可以对沥青进行改性,克服其缺陷,提高路面的性能和使用寿命,聚氨酯也可直接用于路面的修补和铺装,是一种值得期待的路用工程材料。但由于聚氨酯价格较高,短时间内较难大规模替代沥青材料。
未来一方面应加大低成本路用聚氨酯材料的开发,例如利用工业、农业废弃物制备路用聚氨酯材料;另一方面应围绕聚氨酯材料,建立道路修补和铺装用聚氨酯的评价标准体系,为聚氨酯路用材料的工程推广奠定基础。