高分子材料在公路路基排水工程中應(yīng)用研究

邢瑞民

(錫林郭勒盟乾圖交通設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的需要，不僅公路的通達(dá)深度、廣度需要增加，而且社會(huì)對公路服務(wù)水平的需求也在不斷提高，但由于多種自然災(zāi)害的影響，公路的服務(wù)功能明顯受到了制約，其中水害就是公路經(jīng)常發(fā)生的災(zāi)害。做好公路水害的防治工作，加強(qiáng)和改進(jìn)公路路基線外排水工程建設(shè)，是提高公路整體服務(wù)功能以適應(yīng)社會(huì)需求的行之有效的方法。

1 公路路基線外排水設(shè)施應(yīng)用現(xiàn)狀

水害是公路經(jīng)常發(fā)生的災(zāi)害，由于不能及時(shí)排水而導(dǎo)致路面、路基、邊坡等受到侵害已成為公路病害的主要根源之一。

目前，對于公路路基線外排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，多數(shù)采用溝渠典型結(jié)構(gòu)形式的圬工砌體。在綜合排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常用的路基地面排水設(shè)施包括邊溝、截水溝、排水溝、跌水、急流槽、渡槽、倒虹吸及積水池等。這些排水設(shè)施分別設(shè)在路基的不同部位，各自的排水功能、布置要求或構(gòu)造形式均有所差異，橫斷面形式主要有梯形、矩形、三角形及流線型等，構(gòu)造常采用的材料有漿砌片石、栽砌卵石和水泥混凝土預(yù)制塊等防護(hù)。

漿砌(干砌)片石和混凝土排水設(shè)施又稱硬化排水設(shè)施，是高等級(jí)公路常采用的一種排水設(shè)施。硬化排水設(shè)施邊溝結(jié)構(gòu)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，抗洪能力強(qiáng)，但這種邊溝很容易淤塞，需要經(jīng)常清理養(yǎng)護(hù)。此外，這種排水設(shè)施對環(huán)境也造成了極為嚴(yán)重的破壞。圬工砌體設(shè)施的材料主要以砂、石、水泥為主，大量開采砂、石會(huì)嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境和消耗資源，大量運(yùn)輸砂石材料會(huì)對地表植被造成嚴(yán)重的破壞。圬工砌體設(shè)施的施工季節(jié)性較強(qiáng)，工期和質(zhì)量都難以控制，工程造價(jià)高、成本大，建成以后不可移動(dòng)、適宜性較差。

為實(shí)現(xiàn)交通新的跨越式發(fā)展目標(biāo)達(dá)到“綠色公路”的要求，在公路建設(shè)中積極采用新材料、新工藝、新技術(shù)，全面提倡“安全、環(huán)保、舒適、和諧”的設(shè)計(jì)新理念，以達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)公路建設(shè)與自然相和諧的目的。在推動(dòng)設(shè)計(jì)理念和水平全面提升的形勢下，從材料應(yīng)用、設(shè)計(jì)方法到施工技術(shù)方面，有待于探索一種新型的線外排水設(shè)施來避免上述圬工砌筑所帶來的環(huán)境污染和安全隱患，已成為當(dāng)務(wù)之急。

2 高分子材料在公路建設(shè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

高分子材料是由低分子化合物經(jīng)過聚合反應(yīng)而形成的具有巨大相對分子質(zhì)量的一類化合物。塑料作為高分子合成材料之一，由于其具有質(zhì)量輕、加工方便、產(chǎn)品美觀實(shí)用等特點(diǎn)，頗受人們青睞，被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)，從我們的日常生活到高精尖的技術(shù)領(lǐng)域，都離不開塑料制品。如輸送燃?xì)庥玫母呙芏染垡蚁┕埽斔蜔崴玫木郾┕芤约熬哂幸欢ǔ休d靜液壓能力的聚氯乙烯給水管和排水管等。由于高分子合成塑料具有原料來源豐富、價(jià)格低廉、可塑性強(qiáng)、彈性好、強(qiáng)度高等獨(dú)特的性能，在大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用，尤其在公路、鐵道、水運(yùn)、水利、電力等一些基本設(shè)施建設(shè)中起到了舉足輕重的作用，并且仍然不斷地在開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。

雖然我國的塑料工業(yè)已取得了舉世矚目的成就，而且應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地拓寬。但目前有關(guān)塑料在公路建設(shè)中的應(yīng)用技術(shù)研究僅局限于各種土工合成材料(塑料在巖土工程中統(tǒng)稱合成材料)，基本集中在加筋土擋墻、軟基加固、路面反射裂紋防治和橋臺(tái)加筋處理等方面。所以，加大高分子塑料在公路建設(shè)中的應(yīng)用已經(jīng)變得刻不容緩。

3 公路路基線外排水設(shè)施高分子材料的選用、改性及其性能研究

聚氯乙烯(PVC)塑料具有良好的綜合機(jī)械性能、耐化學(xué)腐蝕和電絕緣性，在三大通用塑料中價(jià)格最低、性價(jià)比最優(yōu)。PVC塑料已經(jīng)在建筑管道、塑料門窗、塑料墻板等產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。

基于PVC優(yōu)良的綜合機(jī)械性能和良好的性價(jià)比，可以選用PVC塑料作為高分子公路路基線外排水設(shè)施的基材。但為了滿足內(nèi)蒙古地區(qū)氣候寒冷、紫外線輻射強(qiáng)、日照時(shí)間長、晝夜溫差大、使用過程中冷熱循環(huán)次數(shù)多的氣候特點(diǎn)，需對PVC進(jìn)行改性，以提高PVC塑料的低溫抗沖擊性能、耐紫外光老化和熱氧老化性能。

為了改善PVC的韌性，一直以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者致力于新的增韌方法和增韌途徑的研究。采用氯化聚乙烯(CPE)和核殼型聚丙烯酸酯樹脂(ACR)復(fù)合增韌PVC以改善其抗沖擊性能，同時(shí)通過摻加紫外線吸收劑、光穩(wěn)定劑和熱穩(wěn)定劑等來改善PVC塑料的耐紫外光老化和熱氧老化性能，將其良好的性價(jià)比發(fā)揮出來，從而用于制備綜合性能優(yōu)良的PVC公路路基線外排水設(shè)施。

3.1 公路路基線外排水設(shè)施用改性PVC的制備

將100份PVC、4份復(fù)合鉛鹽熱穩(wěn)定劑、2份加工助劑、1份硬脂酸鈣、0.5份聚乙烯蠟、2份二氧化鈦、10份CPE、一定量的核殼ACR、紫外吸收劑UV326和受阻胺光穩(wěn)定劑Tinuvin770在高速混合機(jī)中充分混合，然后將混合料置于雙輥混煉機(jī)上于175℃下開煉10min后，在平板硫化機(jī)于185℃、15MPa的條件下熱壓5min，再在一定壓力下冷定形7min，壓制成150mm×150mm×2mm和150mm×100mm×4mm的板材，即得改性PVC高分子材料。

3.2 改性PVC的熱氧老化試驗(yàn)

將制備的改性PVC板材置于401AB熱空氣老化箱內(nèi)按照《塑料熱空氣暴露試驗(yàn)方法》GB7141-92進(jìn)行熱氧老化試驗(yàn)，老化溫度為(80±1)℃，老化時(shí)間分別為4d、7d、10d、15d和20d。

3.3 改性PVC板材的性能測試與結(jié)構(gòu)表征

3.3.1 拉伸性能測試。在萬能制樣機(jī)上將改性PVC樣板切割制成150mm×10mm×2mm的啞鈴型試樣，然后在電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上按《塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》(GB-T 1040.2-2006)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸性能測試，拉伸速度為10mm/min，測試溫度為室溫，每組試樣3個(gè)，測試結(jié)果取其算術(shù)平均值。

3.3.2 沖擊性能測試。將改性PVC板材制備成80mm×10mm×4mm的簡支梁沖擊樣條，銑制缺口，缺口剩余尺寸為3.2mm，在簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行簡支梁缺口沖擊性能測試，每組試樣5個(gè)，測試結(jié)果取算術(shù)平均值。

3.3.3 動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析(DMA)。改性PVC板材的動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析。雙懸臂梁模式，溫度掃描范圍為-100～150℃，升溫速率為3℃/min，頻率為1Hz，試樣尺寸為60mm×15mm×2mm。

3.3.4 改性PVC板材的性能研究。通過熔體共混法制備了PVC公路路基線外排水設(shè)施。反映了ACR/CPE二元共混對PVC拉伸性能的影響。力學(xué)性能測試結(jié)果顯示，ACR和CPE的添加雖然在一定程度上降低了PVC公路路基線外排水設(shè)施的拉伸強(qiáng)度，但二者復(fù)配使用能顯著提高該共混物的沖擊韌性。

3.3.5 推薦生產(chǎn)配方?？紤]到PVC公路路基線外排水設(shè)施要滿足我國北方地區(qū)氣候寒冷、紫外線輻射強(qiáng)烈的特殊要求，并基于上述對改性PVC的力學(xué)性能、抗老化性能的綜合分析，提出了改性PVC高分子材料的推薦生產(chǎn)配方，見表1。

表1 推薦配方

抗沖改性劑CPE和核殼ACR能夠賦予PVC較好的低溫沖擊性能，UV326和Tinuvin770能夠顯著提高PVC的抗老化能力，少量的環(huán)氧大豆油可進(jìn)一步改善PVC的低溫柔韌性。

以PVC為基本原料，采用氯化聚乙烯(CPE)和核殼型聚丙烯酸酯樹脂(ACR)復(fù)合增韌，顯著提高了PVC的常溫和低溫沖擊韌性，同時(shí)借助于UV326紫外線吸收劑和Tinuvin770光穩(wěn)定劑，有效改善了ACR/CPE/PVC共混物的抗光氧老化性能。該改性PVC材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能和抗紫外老化性能，經(jīng)紫外老化1 000h后，經(jīng)1kg落錘沖擊不脆裂。

4 高分子材料在公路路基線外排水設(shè)施的應(yīng)用

①以PVC為基本原料，通過采用氯化聚乙烯(CPE)和核殼型聚丙烯酸酯樹脂(ACR)復(fù)合增韌制備的高分子材料，開發(fā)適合于公路路基線外排水用設(shè)施的高分子材料。②采用擠出成型工藝加工PVC急流槽，并對生產(chǎn)制造的改性PVC急流槽的力學(xué)性能和老化性能進(jìn)行了試驗(yàn)評價(jià)。結(jié)果表明：經(jīng)加工成型的改性PVC急流槽具有優(yōu)良的抗沖擊性能和耐老化性能，綜合力學(xué)性能優(yōu)越，能夠很好地滿足北方寒冷地區(qū)以及強(qiáng)紫外線輻射地區(qū)的公路路基排水需要和氣候特點(diǎn)。③高分子急流槽具有加工成型方便、安裝簡便、可重復(fù)使用、易于拆卸等優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)化生產(chǎn)制備的高分子急流槽已在實(shí)際工程中進(jìn)行了試用，效果良好。

因此，工程實(shí)踐中加快高分子PVC材料的應(yīng)用推廣，采用PVC為基材，通過ACR和CPE復(fù)合增韌及加入U(xiǎn)V326紫外線吸收劑和Tinuvin770光穩(wěn)定劑制備的高分子，可以有效提高公路路基線外排水設(shè)施的低溫抗沖擊性能、抗老化性能，可滿足紫外線輻射強(qiáng)，日照時(shí)間長，晝夜溫差大，使用過程中冷熱循環(huán)次數(shù)多的內(nèi)蒙古地區(qū)氣候特點(diǎn)。相比較而言，對于一些線外水流流量強(qiáng)度較小的地方，可以大力推廣高分子PVC材料的應(yīng)用推廣。