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橡胶颗粒增强聚合物水泥跑道材料的研究,使用高聚灰比的聚合物水泥来制备水性塑胶跑道
2020年03月03日    阅读量:3240    新闻来源:中网信息 ChinaNews360.com  |  投稿

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 5044—85《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、吸胀等破坏情况涂料在线coatingol.com


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 14833—93《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

1.1 原材料

水泥:北京水泥厂的P·O42.5 水泥;白水泥:狼牙山32.5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。

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1.2 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 mm×300 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 mm×300 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

2.1 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/T14833—93 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。

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从表2 可以看出,随着聚灰比从2.00 降低到0.75,邵氏A 硬度从46 度增加到67 度,聚灰比为2.00、1.75、1.50 和1.25 时,对应的邵氏A 硬度符合GB/T 14833—93 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。


2.2 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/T14833—93 要求,塑胶跑道的拉伸强度不小于0.7 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

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从表3 可以看出,随着聚灰比从2.00 降低到0.75,拉伸强度先增大后减小,在聚灰比为1.50 时达到最大,为1.37MPa;聚灰比为0.75 时强度最低为1.00 MPa,但仍高于国标要求的0.7 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1.75 时达到最大为347%,在聚灰比为0.75 时最低为111%,同样仍高于国标要求的90%。


2.3 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 14833—93 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。


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从表4 可以看出,随着聚灰比从2.00 降低到0.75,压缩复原率先增大后减小,在聚灰比为1.50 时达到最大值96.40%;在聚灰比为0.75 处为最小值95.00%,均满足不小于95%的标准要求。从表5 可以看出,随着浆集比从0.20 增大到0.35,压缩复原率先增大,在浆集比为0.30 时达到最大值96.05%,然后稍有降低,浆集比0.20 时为最小值95.43%,但仍满足不小于95%的要求。


综合分析,适当的聚灰比会提高聚合物水泥膜自身的强度,同时提高聚合物水泥与橡胶颗粒间的粘结力,从而能够抵御更大的压力而不破坏;较大的浆集比使橡胶颗粒周围有更多的聚合物水泥浆体,使橡胶颗粒被包裹的更加密实,从而不易受压破坏;聚灰比与浆集比相互结合,得到压缩复原率性能最佳的材料配比。


2.4 聚灰比和浆集比对跑道回弹性的影响

塑胶跑道受到广泛欢迎的主要原因之一是其有优良的弹性,即吸收运动冲击的能力,会使运动人员有舒适的脚感,并能一定程度上提高运动成绩。聚合物水泥的弹性较小,水性塑胶跑道主要依靠橡胶颗粒的弹性来增强,因此,橡胶颗粒粘结牢固的条件下,认为浆集比是影响水性塑胶跑道回弹性的主要因素,即橡胶颗粒的含量越高,回弹性越佳。聚灰比和浆集比对跑道回弹性的影响分别见表6 和表7。

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从表6 可以看出,聚灰比对回弹性的影响不是十分明显,各种聚灰比制备的试样回弹性相差不大。从表7 可以看到,随着浆集比增大,回弹性降低,在浆集比为0.20 时回弹性达到最大值为16.19%。

2.5 综合分析

浆集比越大,压缩复原率越高,回弹性越低。因此,需要讨论找出合适的浆集比。从性能需求来看,表5 中浆集比为0.20时,压缩复原率仍为95%以上,满足要求;另一方面,浆集比越高,需要的聚合物乳液越多,成本增加。因此,在保证质量要求的前提下,为了追求较高的回弹性并降低成本,应取较低的浆集比。


3 机理分析

水性塑胶跑道材料中,聚合物水泥承载着粘结橡胶颗粒并达到较高强度,实现使用中的各种性能的作用,聚合物乳液与水泥之间的相互作用(成膜作用)以及形成的结构,是影响聚合物水泥性能的关键因素。


关于聚合物乳液的成膜机理,普遍认为是聚合物胶乳膜在水泥水化产物中穿梭,连接水化产物,水泥水化产物在其中逐步“生长”,并与膜相互交织,Ca(OH)2 晶体在膜和水泥基体表面外镶接,膜起到“铰”的作用;最终聚合物膜的网架结构逐步形成,C-S-H 的纤维状和钙钒石的针状晶体与聚合物膜部分交织或完全交织形成网状结构。聚合物水泥的SEM 照片见图1。

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图1 聚合物水泥的SEM 照片

从图1(a)中可以观察到,水泥水化产物和未水化的水泥颗粒包裹在聚合物中间;从图1(b)中可以观察到,水泥水化产生的片状Ca(OH)2 与聚合物乳液膜相互交织。


4 结语

(1)采用聚合物乳液、水泥、橡胶颗粒等可以制备满足GB/T 14833—93《塑胶跑道》性能指标要求且绿色环保的水性塑胶跑道材料———橡胶颗粒增强聚合物水泥操场跑道材料。

(2)聚灰比为2.00、1.75、1.50、1.25 时制备的跑道面层邵氏A 硬度在45~60 度,符合国标要求;聚灰比对跑道拉伸强度和扯断伸长率影响较大,聚灰比为1.50 时拉伸强度最大为1.37 MPa,聚灰比为1.75 时扯断伸长率最大为347%;聚灰比和浆集比均对压缩复原率有较大影响,聚灰比为1.50 时,压缩复原率最大为96.40%,浆集比为0.30 时,压缩复原率最大为96.05%;浆集比是水性塑胶跑道回弹性的主要影响因素,浆集比为0.20 时,回弹性最大为16.19%。聚灰比为1.75 或1.50,浆集比为0.25 时,水性塑胶跑道的综合性能较佳。

(3)SEM 观测可以验证聚合物水泥互穿网络结构在本体系中的适用性。


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]


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