高分子材料在公路路基排水工程中应用研究

邢瑞民

(锡林郭勒盟乾图交通设计有限责任公司，内蒙古 锡林浩特 026000)

随着我国经济建设和社会发展的需要，不仅公路的通达深度、广度需要增加，而且社会对公路服务水平的需求也在不断提高，但由于多种自然灾害的影响，公路的服务功能明显受到了制约，其中水害就是公路经常发生的灾害。做好公路水害的防治工作，加强和改进公路路基线外排水工程建设，是提高公路整体服务功能以适应社会需求的行之有效的方法。

1 公路路基线外排水设施应用现状

水害是公路经常发生的灾害，由于不能及时排水而导致路面、路基、边坡等受到侵害已成为公路病害的主要根源之一。

目前，对于公路路基线外排水系统的设计，多数采用沟渠典型结构形式的圬工砌体。在综合排水系统设计中，常用的路基地面排水设施包括边沟、截水沟、排水沟、跌水、急流槽、渡槽、倒虹吸及积水池等。这些排水设施分别设在路基的不同部位，各自的排水功能、布置要求或构造形式均有所差异，横断面形式主要有梯形、矩形、三角形及流线型等，构造常采用的材料有浆砌片石、栽砌卵石和水泥混凝土预制块等防护。

浆砌(干砌)片石和混凝土排水设施又称硬化排水设施，是高等级公路常采用的一种排水设施。硬化排水设施边沟结构规范标准，抗洪能力强，但这种边沟很容易淤塞，需要经常清理养护。此外，这种排水设施对环境也造成了极为严重的破坏。圬工砌体设施的材料主要以砂、石、水泥为主，大量开采砂、石会严重破坏生态环境和消耗资源，大量运输砂石材料会对地表植被造成严重的破坏。圬工砌体设施的施工季节性较强，工期和质量都难以控制，工程造价高、成本大，建成以后不可移动、适宜性较差。

为实现交通新的跨越式发展目标达到“绿色公路”的要求，在公路建设中积极采用新材料、新工艺、新技术，全面提倡“安全、环保、舒适、和谐”的设计新理念，以达到节约资源、保护环境、促进公路建设与自然相和谐的目的。在推动设计理念和水平全面提升的形势下，从材料应用、设计方法到施工技术方面，有待于探索一种新型的线外排水设施来避免上述圬工砌筑所带来的环境污染和安全隐患，已成为当务之急。

2 高分子材料在公路建设中的应用现状

高分子材料是由低分子化合物经过聚合反应而形成的具有巨大相对分子质量的一类化合物。塑料作为高分子合成材料之一，由于其具有质量轻、加工方便、产品美观实用等特点，颇受人们青睐，被广泛应用在各行各业，从我们的日常生活到高精尖的技术领域，都离不开塑料制品。如输送燃气用的高密度聚乙烯管，输送热水用的聚丙烯管以及具有一定承载静液压能力的聚氯乙烯给水管和排水管等。由于高分子合成塑料具有原料来源丰富、价格低廉、可塑性强、弹性好、强度高等独特的性能，在大规模的经济建设中发挥了重要的作用，尤其在公路、铁道、水运、水利、电力等一些基本设施建设中起到了举足轻重的作用，并且仍然不断地在开拓新的应用领域。

虽然我国的塑料工业已取得了举世瞩目的成就，而且应用领域也在不断地拓宽。但目前有关塑料在公路建设中的应用技术研究仅局限于各种土工合成材料(塑料在岩土工程中统称合成材料)，基本集中在加筋土挡墙、软基加固、路面反射裂纹防治和桥台加筋处理等方面。所以，加大高分子塑料在公路建设中的应用已经变得刻不容缓。

3 公路路基线外排水设施高分子材料的选用、改性及其性能研究

聚氯乙烯(PVC)塑料具有良好的综合机械性能、耐化学腐蚀和电绝缘性，在三大通用塑料中价格最低、性价比最优。PVC塑料已经在建筑管道、塑料门窗、塑料墙板等产品中得到了广泛的应用。

基于PVC优良的综合机械性能和良好的性价比，可以选用PVC塑料作为高分子公路路基线外排水设施的基材。但为了满足内蒙古地区气候寒冷、紫外线辐射强、日照时间长、昼夜温差大、使用过程中冷热循环次数多的气候特点，需对PVC进行改性，以提高PVC塑料的低温抗冲击性能、耐紫外光老化和热氧老化性能。

为了改善PVC的韧性，一直以来，国内外众多学者致力于新的增韧方法和增韧途径的研究。采用氯化聚乙烯(CPE)和核壳型聚丙烯酸酯树脂(ACR)复合增韧PVC以改善其抗冲击性能，同时通过掺加紫外线吸收剂、光稳定剂和热稳定剂等来改善PVC塑料的耐紫外光老化和热氧老化性能，将其良好的性价比发挥出来，从而用于制备综合性能优良的PVC公路路基线外排水设施。

3.1 公路路基线外排水设施用改性PVC的制备

将100份PVC、4份复合铅盐热稳定剂、2份加工助剂、1份硬脂酸钙、0.5份聚乙烯蜡、2份二氧化钛、10份CPE、一定量的核壳ACR、紫外吸收剂UV326和受阻胺光稳定剂Tinuvin770在高速混合机中充分混合，然后将混合料置于双辊混炼机上于175℃下开炼10min后，在平板硫化机于185℃、15MPa的条件下热压5min，再在一定压力下冷定形7min，压制成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的热氧老化试验

将制备的改性PVC板材置于401AB热空气老化箱内按照《塑料热空气暴露试验方法》GB7141-92进行热氧老化试验，老化温度为(80±1)℃，老化时间分别为4d、7d、10d、15d和20d。

3.3 改性PVC板材的性能测试与结构表征

3.3.1 拉伸性能测试。在万能制样机上将改性PVC样板切割制成150mm×10mm×2mm的哑铃型试样，然后在电子万能材料试验机上按《塑料拉伸性能试验方法》(GB-T 1040.2-2006)标准进行拉伸性能测试，拉伸速度为10mm/min，测试温度为室温，每组试样3个，测试结果取其算术平均值。

3.3.2 冲击性能测试。将改性PVC板材制备成80mm×10mm×4mm的简支梁冲击样条，铣制缺口，缺口剩余尺寸为3.2mm，在简支梁冲击试验机上进行简支梁缺口冲击性能测试，每组试样5个，测试结果取算术平均值。

3.3.3 动态机械热分析(DMA)。改性PVC板材的动态机械热分析。双悬臂梁模式，温度扫描范围为-100～150℃，升温速率为3℃/min，频率为1Hz，试样尺寸为60mm×15mm×2mm。

3.3.4 改性PVC板材的性能研究。通过熔体共混法制备了PVC公路路基线外排水设施。反映了ACR/CPE二元共混对PVC拉伸性能的影响。力学性能测试结果显示，ACR和CPE的添加虽然在一定程度上降低了PVC公路路基线外排水设施的拉伸强度，但二者复配使用能显著提高该共混物的冲击韧性。

3.3.5 推荐生产配方。考虑到PVC公路路基线外排水设施要满足我国北方地区气候寒冷、紫外线辐射强烈的特殊要求，并基于上述对改性PVC的力学性能、抗老化性能的综合分析，提出了改性PVC高分子材料的推荐生产配方，见表1。

表1 推荐配方

抗冲改性剂CPE和核壳ACR能够赋予PVC较好的低温冲击性能，UV326和Tinuvin770能够显著提高PVC的抗老化能力，少量的环氧大豆油可进一步改善PVC的低温柔韧性。

以PVC为基本原料，采用氯化聚乙烯(CPE)和核壳型聚丙烯酸酯树脂(ACR)复合增韧，显著提高了PVC的常温和低温冲击韧性，同时借助于UV326紫外线吸收剂和Tinuvin770光稳定剂，有效改善了ACR/CPE/PVC共混物的抗光氧老化性能。该改性PVC材料具有优良的力学性能和抗紫外老化性能，经紫外老化1 000h后，经1kg落锤冲击不脆裂。

4 高分子材料在公路路基线外排水设施的应用

①以PVC为基本原料，通过采用氯化聚乙烯(CPE)和核壳型聚丙烯酸酯树脂(ACR)复合增韧制备的高分子材料，开发适合于公路路基线外排水用设施的高分子材料。②采用挤出成型工艺加工PVC急流槽，并对生产制造的改性PVC急流槽的力学性能和老化性能进行了试验评价。结果表明：经加工成型的改性PVC急流槽具有优良的抗冲击性能和耐老化性能，综合力学性能优越，能够很好地满足北方寒冷地区以及强紫外线辐射地区的公路路基排水需要和气候特点。③高分子急流槽具有加工成型方便、安装简便、可重复使用、易于拆卸等优点。工业化生产制备的高分子急流槽已在实际工程中进行了试用，效果良好。

因此，工程实践中加快高分子PVC材料的应用推广，采用PVC为基材，通过ACR和CPE复合增韧及加入UV326紫外线吸收剂和Tinuvin770光稳定剂制备的高分子，可以有效提高公路路基线外排水设施的低温抗冲击性能、抗老化性能，可满足紫外线辐射强，日照时间长，昼夜温差大，使用过程中冷热循环次数多的内蒙古地区气候特点。相比较而言，对于一些线外水流流量强度较小的地方，可以大力推广高分子PVC材料的应用推广。