橡胶颗粒增强聚合物水泥跑道材料的研究

data-full-width-responsive="true"> 橡胶颗粒增强聚合物水泥跑道材料的研究刘晓斌，王栋民，张亮，慕园园[中国矿业大学（北京） 混凝土与环境材料研究所，北京100083]目前我国各大中小学校操场、运动场上铺设的塑胶跑道为聚氨酯基材料，其使用性能优良、颜色鲜亮、美观、弹性好、耐磨。但有些聚氨酯塑胶跑道却对人体存在着安全危害：其原材料甲苯二异氰酸酯（TDI）为GB 504485《职业性接触毒物危害程度分级》规定的Ⅱ级（高度危害），严重危害人体健康，特别是对正处于身体生长阶段的小学生来说，危害更大；聚氨酯塑胶跑道材料在铺设过程中会使用含有重金属离子的催化剂，对环境造成破坏；施工中大量使用苯、甲苯等可挥发性有机溶剂，污染周围环境[1－2]。另一方面，环境中空气的湿度、混凝土或沥青基层上的水分对油性聚氨酯塑胶跑道的施工有很大的影响，如果环境湿度过大或基层上有水，便不能进行施工，如施工时无意中混入水分，固化后的跑道会出现空鼓、吸胀等破坏情况。本文针对以上问题，采用聚合物乳液、水泥、颜料等替代聚氨酯制备水性塑胶跑道，得到与聚氨酯塑胶跑道相似的使用性能。根据GB/T 1483393《塑胶跑道》对塑胶跑道物理机械性能的要求，本文研究聚灰比（聚合物乳液与水泥的质量比）、弹性层的浆集比（聚合物水泥浆体与废旧橡胶颗粒集料的质量比）对跑道邵氏硬度、拉伸强度、扯断伸长率、回弹性和压缩复原率的影响规律，找出跑道材料性能最佳的配合比，并分析其材料优化机理。1 试验11 原材料水泥：北京水泥厂的PO425 水泥；白水泥：狼牙山325水泥；聚合物乳液：国民淀粉砂浆专用乳液CB603，为苯乙烯-丙烯酸酯共聚物，固含量为55%~57%，玻璃化温度为-8 ℃；废旧橡胶颗粒，市售，级配如表1 所示；EPDM（三元乙丙橡胶）颗粒：粒径2～4 mm，红色；颜料：氧化铁红。12 试件制备水性塑胶跑道主要分为弹性层和防滑层，弹性层主要由聚合物乳液、水泥和废旧橡胶颗粒搅拌均匀、摊铺固化而成，厚度约为10 mm；防滑层主要由聚合物乳液、白水泥、颜料和EPDM 制备而成，首先将聚合物乳液、白水泥、颜料搅拌成匀质的浆体，然后均匀涂布在固化的弹性层上，再喷撒EPDM颗粒，固化得防滑层。邵氏硬度、拉伸强度和扯断伸长率试样的制备：由于邵氏硬度测试方法要求试样匀质且孔隙较少，因此，制备试样时将聚合物乳液、颜料和白水泥按照一定的聚灰比搅拌均匀，摊铺制得，厚度约为3 mm，大小为300 mm300 mm，固化并养护14 d 后按照邵氏硬度的测试方法要求裁剪试样。拉伸强度和扯断伸长率试样的制备方法与邵氏硬度试样制备方法一致，只需裁剪成哑铃形。压缩复原率和回弹性试样的制备：试样尺寸为300 mm300 mm，厚13 mm，其中10 mm 为弹性层、3 mm 为防滑层，试样固化并养护14 d 后，裁剪成所需的形状，进行性能测试。2 结果与讨论21 聚灰比对跑道邵氏硬度的影响硬度在一定程度上反映材料的耐磨性和柔韧性，硬度过高会使材料倾向于脆性，硬度过低则不耐磨。因此，GB/T1483393 要求，塑胶跑道的邵氏A 硬度为45~60 度。聚灰比对跑道邵氏A 硬度的影响见表2。从表2 可以看出，随着聚灰比从200 降低到075，邵氏A 硬度从46 度增加到67 度，聚灰比为200、175、150 和125 时，对应的邵氏A 硬度符合GB/T 1483393 的要求。随着聚灰比的降低，邵氏硬度增加，这是由聚合物水泥的独特结构决定的：在聚合物水泥固化而成的结构中，水泥颗粒及其水化产物充当骨架，将柔软的聚合物乳液膜支撑起来，形成互相交织缠绕铰接于一体的坚韧结构。因此，随着聚灰比的降低，水泥的相对量增加，骨架增多，从而使硬度增加。22 聚灰比对跑道拉伸强度和扯断伸长率的影响塑胶跑道在使用的过程中要保证不会被蹬力破坏，因此，要求塑胶跑道有适当的拉伸强度和承载变形的能力。GB/T1483393 要求，塑胶跑道的拉伸强度不小于07 MPa，扯断伸长率不小于90%。水性塑胶跑道防滑层的试验结果见表3。表3 聚灰比对跑道拉伸强度和扯断伸长率的影响从表3 可以看出，随着聚灰比从200 降低到075，拉伸强度先增大后减小，在聚灰比为150 时达到最大，为137MPa；聚灰比为075 时强度最低为100 MPa，但仍高于国标要求的07 MPa。扯断伸长率与拉伸强度有相似的规律，也是随着聚灰比的降低先增大后减小，并在聚灰比为175 时达到最大为347%，在聚灰比为075 时最低为111%，同样仍高于国标要求的90%。23 聚灰比和浆集比对跑道压缩复原率的影响塑胶跑道在使用过程中除了要承受磨损、蹬力和拉扯变形外，还要承受压力的作用，即在受压之后要有很强的复原能力，避免受压破坏，GB/T 1483393 要求压缩复原率不小于95%。水性塑胶跑道的压缩复原率主要受聚灰比和浆集比2个因素影响，试验设计了6 种聚灰比和4 种浆集比，每种聚灰比对应的4 种浆集比样品的压缩复原率求平均值，得到聚灰比对压缩复原率的影响规律；同样，每种浆集比对应6 种聚灰比样品的压缩复原率求平均值，得到浆集比对压缩复原率的影响规律。聚灰比和浆集比对跑道压缩复原率的影响规律分别见表4 和表5。