基于声力协同的聚氨酯高弹多孔混合料材料组成设计方法转让专利
申请号 : CN202110307171.9
文献号 : CN112979215B
文献日 : 2022-02-15
发明人 : 钟科 , 张勐 , 孙明志
申请人 : 交通运输部公路科学研究所
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于声力协同的聚氨酯高弹多孔混合料材料组成设计方法,其中聚氨酯高弹多孔混合料由聚氨酯胶粘剂、橡胶颗粒和矿料组成,该方法包括如下步骤:步骤一:选取影响声力学性能的材料组成参数,并制备聚氨酯高弹多孔混合料试件(1)矿料级配:目标空隙率20%‑30%,设计N1组不同矿料级配;
采用固定的聚氨酯胶粘剂用量,与不同矿料级配制备成混合料,测定各矿料级配对应的空隙率VC;
级配种类 空隙率(%)
级配1 VC1
级配2 VC2
级配3 VC3
…… …
级配N VCN1
(2)橡胶颗粒掺量:N2组不同的橡胶颗粒掺量n;
(3)混合料制备:根据不同级配和橡胶颗粒掺量,制备聚氨酯高弹多孔混合料,其中,橡胶颗粒掺量等体积替换矿料级配中的细集料;
步骤二:聚氨酯高弹多孔混合料声力学协同分析(1)采用固定的聚氨酯胶粘剂用量,将橡胶颗粒掺量等体积替换矿料级配中的细矿料,制备混合料试件,采用浸水飞散试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验,分别测试不同空隙率VC+固定橡胶颗粒掺量和不同橡胶颗粒掺量n+固定级配下聚氨酯高弹多孔混合料的浸水飞散损失r、浸水马歇尔残留稳定度MS和冻融劈裂残留强度比TSR,分别对各力学指标测试结果进行标准化去量纲处理,计算公式如下式所示,得到ri’、MSi’、TSRi’;
然后采用二次函数拟合橡胶颗粒掺量n、空隙率VC和标准化处理后的三个力学指标的函数关系,如下式所示:
则聚氨酯高弹多孔混合料力学综合评价指标F分别与橡胶颗粒掺量n、空隙率VC的函数关系如下式所示:
(2)采用固定的聚氨酯胶粘剂用量,将橡胶颗粒掺量等体积替换矿料级配中的细矿料,制备混合料试件,采用驻波管法、轮胎下落噪声试验,分别测试不同空隙率VC+固定橡胶颗粒掺量和不同橡胶颗粒掺量n+固定级配下聚氨酯高弹多孔混合料的吸声系数A和噪声声级S,并根据噪声声级,基于下式计算降噪声级L,L=15‑S
分别对各声学指标测试结果进行标准化去量纲处理,得到Ai’、Li’;
然后采用二次函数拟合橡胶颗粒掺量n、空隙率VC和标准化处理后的两个声学指标的函数关系,如下式所示:
则聚氨酯高弹多孔混合料声学综合评价指标V分别与橡胶颗粒掺量n、空隙率VC的函数关系如下式所示:
(3)根据(1)、(2)中的不同空隙率及橡胶颗粒掺量条件下获得的力学指标F及声学指标V,并基于声力学协同理念,结合实际工程对路面力学、声学性能的需求,提出聚氨酯高弹多孔混合料力学综合评价指标和声学综合评价的权重,并提出声‑力学协同指标M,公式如下:其中,ω1、ω2分别为力学综合评价指标和声学综合评价指标对应权重值,其中ω1+ω2=1,且ω1、ω2<1,
在满足规范要求的力学性能前提下,通过分析声‑力学协同指标M的最大值,确定混合料矿料级配/空隙率及橡胶颗粒掺量;
步骤三:高弹多孔混合料聚氨酯用量确定以步骤二中确定的矿料级配、橡胶颗粒掺量,和不同的聚氨酯胶粘剂用量m制备混合料,通过浸水飞散试验拐点确定聚氨酯胶粘剂最小用量,析漏试验拐点确定最大用量,聚氨酯胶粘剂最小用量与最大用量的平均值即为最佳的聚氨酯用量。
2.根据权利要求1所述的方法,所述固定的橡胶颗粒掺量为30%;固定的聚氨酯胶粘剂用量为5%,所述固定级配所对应的孔隙率为20%。
3.根据权利要求1所述的方法,所述矿料采用玄武岩集料,采用废旧轮胎制备的橡胶颗粒按相应橡胶颗粒掺量等体积由小至大替换粒径1.18mm~9.5mm细集料。
4.根据权利要求1所述的方法,所述不同矿料级配为五组矿料级配;所述橡胶颗粒掺量n为20%,25%,30%,35%,40%五组掺量。
5.根据权利要求1所述的方法,所述确定混合料矿料级配/空隙率的方法为:根据分析声‑力学协同指标M的最大值得到的空隙率值,与步骤一中测定的N1组矿料级配中的某一组级配的空隙率值VC相同,则选定该组矿料级配;或者根据分析声‑力学协同指标M的最大值得到的空隙率值与步骤一中测定的N1组矿料级配中的某一组级配的空隙率值VC最接近,则在该组矿料级配上调整得到新的矿料级配,以新的矿料级配、固定的聚氨酯用量、根据分析声‑力学协同指标M的最大值得到的橡胶颗粒掺量组合制备混合料,再次测定新的矿料级配的空隙率,直到该测定的新的矿料级配的空隙率与根据分析声‑力学协同指标M的最大值得到的空隙率值相同;则选定该新的矿料级配。
6.根据权利要求5所述的方法,所述不同的聚氨酯胶粘剂用量m以5%为中值,按0.5%的相邻间隔变化。
7.根据权利要求6所述的方法,所述不同的聚氨酯胶粘剂用量m分别为4%,4.5%,5%,
5.5%,6%。
8.根据权利要求1‑7任一所述的方法,聚氨酯胶粘剂采用单组份聚氨酯或双组份聚氨酯胶粘剂。
说明书 :
基于声力协同的聚氨酯高弹多孔混合料材料组成设计方法
技术领域
背景技术
比常规多孔沥青路面、橡胶沥青路面等低噪音路面有大幅提升(降噪水平能提升约2dB~
7dB),与隔音屏障相当,可大幅提升驾乘人员出行体验和沿线居民的生活品质。同时高分子
聚氨酯胶粘剂的应用,相比常规沥青结合料,能更好的提高混合料的力学性能和长期耐久
性。
降力学性能提升。现有关于聚氨酯高弹多孔混合料组成设计的方法,通常针对特定路段重
点提升混合料降噪性能,但未综合考虑级配、橡胶颗粒掺量等参数与聚氨酯高弹多孔混合
料降噪、力学指标间的协同关系,缺乏系统科学的设计理论,难以构建出混合料组成设计和
功能特性的联系,制约着聚氨酯高弹多孔混合料组成优化及综合性能提升。因此,目前行业
内亟需提供一种基于声力协同的聚氨酯高弹多孔混合料材料组成设计方法。
发明内容
统、方便的开展聚氨酯高弹多孔混合料组成设计,并降低材料组成设计阶段的盲目性和工
作量,为设计岀力学性能和降噪功能优异的聚氨酯高弹多孔路面结构奠定了基础。
级配2 VC2
级配3 VC3
…… …
级配N1 VCN1
同空隙率VC+固定橡胶颗粒掺量和不同橡胶颗粒掺量n+固定级配下聚氨酯高弹多孔混合料
的浸水飞散损失r、浸水马歇尔残留稳定度MS和冻融劈裂残留强度比TSR,分别对各力学指
标测试结果进行标准化去量纲处理,计算公式如下式所示,得到ri’、MSi’、TSRi’;
胶颗粒掺量和不同橡胶颗粒掺量n、固定级配下聚氨酯高弹多孔混合料的吸声系数A和噪声
声级S,并根据噪声声级,基于下式计算降噪声级L,
弹多孔混合料力学综合评价指标和声学综合评价的权重,并提出声‑力学协同指标M,公式
如下:
氨酯胶粘剂最小用量与最大用量的平均值即为最佳的聚氨酯用量。
选定该组矿料级配;或者
配,以新的矿料级配、固定的聚氨酯用量、根据分析声‑力学协同指标M的最大值得到的橡胶
颗粒掺量组合制备混合料,再次测定新的矿料级配的空隙率,直到该测定的新的矿料级配
的空隙率与根据分析声‑力学协同指标M的最大值得到的空隙率值相同;则选定该新的矿料
级配。
响,选取N1种聚氨酯高弹多孔混合料级配(纯石料级配),并测试其空隙率,如下表所示:
级配2 VC2
级配3 VC3
…… …
级配N1 VCN1
n2
n3
…
nN2
粒,聚氨酯胶粘剂采用单组份聚氨酯或双组份聚氨酯胶粘剂。
损失(r)、浸水马歇尔残留稳定度(MS)和冻融劈裂残留强度比(TSR),分别对各力学指标测
试结果进行标准化去量纲处理(计算公式如下式所示),得到ri’、MSi’、TSRi’。
级,基于下式计算降噪声级(L)。
弹多孔混合料力学综合评价指标和声学综合评价的权重,提出声‑力学协同指标M,公式如
下:
学综合评价指标与声学综合评价指标的权重值,其中ω1+ω2=1,且ω1、ω2<1。
最小用量,析漏试验的析漏损失拐点确定最大用量,聚氨酯胶粘剂最小用量与最大用量的
平均值即为最佳的聚氨酯用量。
程品质,且该方法易操作,能够降低聚氨酯混合料组成设计阶段的盲目性和工作量。
附图说明
具体实施方式
的方法。故凡依据本专利所述的模型及原理所做的等效变化或修饰,均应包括与本专利申
请范围内。
级配2 100 95 72 25 11 0
级配3 100 95 70 18 8 0
级配4 100 94 67 15 8 0
级配5 100 93 69 15 7 0
级配范围(%) 100 90~100 55~75 15~26 7~20 0
生环境条件为温度30℃、湿度70%,养生时间为48h。养生完成后测试混合料的空隙率,结果
如下表所示。
空隙率(%) 20 22.5 25 27.5 30
20%±1%、25%±1%、30%±1%、35%±1%、40%±1%五个水平,基于等体积替换法替
换不同粒径的集料,将橡胶颗粒、石料拌和后加入聚氨酯胶粘剂制备混合料成型试件。
聚氨酯胶黏剂,初步采用聚氨酯胶粘剂的用量为5%,上述橡胶颗粒掺量制备完成混合料试
件后放置于恒温恒湿箱中养生,试样养生环境条件为温度30℃、湿度70%,养生时间为48h。
养生完成后测试下述性能指标。
弹多孔混合料的浸水飞散损失(r)、浸水马歇尔残留稳定度(MS)和冻融劈裂残留强度比
(TSR),结果如表5、表6所示。
量纲处理,得到r’、MS’、TSR’,如表7、表8所示;
胶颗粒掺量(n)、空隙率(VC)和标准化处理后力学指标的函数关系,如下表所示。
2 2
浸水飞散损失(r’) r’=‑0.0003VC+0.0196VC‑0.0869 R=0.993
2 2
浸水马歇尔残留稳定度(MS’) MS’=‑0.0002VC+0.009VC+0.1341 R=0.9608
2 2
冻融劈裂残留强度比(TSR’) TSR’=‑2E‑05VC‑0.001VC+0.2411 R=0.9842
2 2
浸水飞散损失(r’) r’=‑0.0001n‑0.0031n+0.3951 R=0.9955
2 2
浸水马歇尔残留稳定度(MS’) MS’=‑0.0001n+0.0102n+0.0177 R=0.9978
2 2
冻融劈裂残留强度比(TSR’) TSR’=‑2E‑05n+0.0031n+0.129 R=0.9884
声级(S),并根据噪声声级计算降噪声级(L),结果如表10、表11所示。
到橡胶颗粒掺量(n)、空隙率(VC)和标准化处理后声学指标的函数关系,如下表所示。
吸声系数(A’) A’=‑0.0006VC+0.0307VC‑0.4056 R=0.9479
2 2
降噪声级(L’,dB) L’=‑0.0004VC+0.0233VC‑0.1571 R=0.9848
2 2
吸声系数(A’) A’=‑0.0001n+0.0016n‑0.0851 R=0.9293
2 2
降噪声级(L’,dB) L’=‑0.00014n+0.0127n‑0.224 R=0.9189
0.5。根据不同空隙率及橡胶颗粒掺量条件下获得的力学指标F及声学指标V,并基于声力学
协同理念,提出声‑力学协同指标M,公式如下:
下表所示),进而使空隙率降低至27%,并得到最优级配。
和析漏试验测试聚氨酯高弹多孔混合料的浸水飞散损失和析漏损失,结果分别如图5、图6
所示。析漏损失率‑用胶量曲线交点处的用胶量为4.68%,浸水飞散损失率‑用胶量曲线交
点处的用胶量为4.71%。因此根据四舍五入的原则,保留最佳用胶量小数点后一位,得到最
佳用胶量为4.7%。
表。
动稳定度DS(次/mm) 22500 ≥5000
弯曲劲度模量(MPa) 114 ——
最大弯曲应变 37500 ≥3000
市路段为对象,结合该路段具体荷载作用工况及周边环境降噪需求,综合判定聚氨酯高弹
多孔混合料力学综合评价指标和声学综合评价指标分别为0.2和0.8。根据不同空隙率及橡
胶颗粒掺量条件下获得的力学指标F及声学指标V,并基于声力学协同理念,提出声‑力学协
同指标M,公式如下:
下表所示),进而使空隙率降低至27%,并得到最优级配。
和析漏试验测试聚氨酯高弹多孔混合料的浸水飞散损失和析漏损失,结果分别如图7、图8
所示。析漏损失率‑用胶量曲线交点处的用胶量为4.64%,浸水飞散损失率‑用胶量曲线交
点处的用胶量为4.89%。因此根据四舍五入的原则,保留最佳用胶量小数点后一位,得到最
佳用胶量为4.8%。
表。