聚氨酯改性沥青（聚氨酯改性沥青混合料性能试验研究）

张乐乐

河北交规院瑞志交通技术咨询有限公司 河北省道路结构与材料工程技术研究中心

摘 要：通过在沥青中掺加聚氨酯材料可达到提高沥青混合料使用性能的目的，以基质沥青和4%SBS改性沥青作为参照组，借助一系列室内试验分析评价了聚氨酯改性沥青混合料的强度、高低温和水稳定性，试验结果表明:聚氨酯能够明显提高沥青混合料的强度和高温抗永久变形能力，改善其低温柔韧性，并对水稳定性具有一定的改善作用，最后综合考虑各方面路用性能及经济性，推荐聚氨酯最佳掺量宜为25%。

关键词：聚氨酯;改性沥青;沥青混合料;路用性能;

0 引言

道路交通作为公用基础设施的重要组成部分，支撑着城市的发展骨架，道路往往是一个城市的重要门户，因此，路面需要具有一定的美观、平整度及舒适度。道路路面类型主要分为水泥路面和沥青路面两类，由于水泥路面较高的强度和耐久性，过去一直很受青睐，但随着经济水平的提高，人们对道路的认知和功能要求越来越高，沥青路面具有平整度高、舒适性好的特点，但普通沥青路面在夏季易出现车辙、拥包、推移，冬季寒冷季节易出现温缩裂缝等现象[1]。尤其是车辆超载超重的情况频出，对于路面的质量提出了更大的挑战，因此，道路行业研究者一直在致力于研究改性沥青，以尽可能减少这类病害，提高路面使用寿命。

目前使用较多的沥青改性剂为聚合物类，如SBS、SBR，加入基质沥青后性质明显改善，沥青路面的使用性能大幅度提升。随着对改性沥青的不断研究和探索，目前已发现有上百种沥青改性剂，但不同的改性剂制备出的改性沥青性能也差异甚大。聚氨酯是一种耐磨性高、高温稳定性好、低温柔韧性优、抗老化性强的新型高分子材料，有研究发现，将这种材料加入基质沥青后可以大幅改善沥青的高温和低温性能[2]。结合研究者对于聚氨酯改性沥青已有的研究成果，进一步展开研究和探索聚氨酯改性沥青混合料的各方面路用性能。

1 试验原材料(1)基质沥青

用于制备聚氨酯改性沥青的基质沥青采用东海牌70号A级道路石油沥青，其技术指标见表1。

表1 东海牌70#基质沥青技术性能 下载原图

(2)聚氨酯

研究表明，不同的固化温度对于固化后的强度和柔韧性影响较大，而强度与柔韧性又是影响沥青路面耐久性的重要指标。因此，需严格控制聚氨酯的固化温度，而确定最佳固化温度的方式主要采用抗拉强度和断裂伸长率两个指标直观反映，选用广东某新材料公司生产的聚氨酯预聚体材料，生产厂家提供的固化温度与抗拉强度、断裂伸长率指标见表2，同时结合国内外关于环氧树脂在道路沥青路面材料中的应用案例，要求环氧树脂断裂伸长率和抗拉强度不低于200%、1.5MPa的条件[3]，因此试验中选用60℃作为聚氨酯的固化温度。

(3)矿料

本次试验粗集料和细集料均采用石灰岩，粗集料分为3～5mm、5～10mm和10～15mm三档集料，矿粉是经石灰岩磨细而得，集料和矿粉技术性质见表3～表5。

表2 聚氨酯预聚体技术性能 下载原图

表3 粗集料技术性能 下载原图

表4 细集料技术性质 下载原图

表5 矿粉技术性质 下载原图

(4)聚氨酯改性沥青混合料制备

先将提前称取好的矿料和基质沥青置于130℃恒温烘箱中加热，待沥青加热至流淌状态时取出，缓缓倒入置于电子秤上的烧杯中，然后将装有定量沥青的烧杯置于电炉上边加热边用玻璃棒搅拌，将按比例称取好的聚氨酯缓缓加入烧杯中，采用高速剪切机以每分钟500转匀速剪切10min，在剪切过程中应使用温度计或温度枪控制温度在150℃±5℃。

将烘干的矿料倒入提前预热好的搅拌器中进行搅拌30s，然后将制备好的改性沥青按比例倒入搅拌器中搅拌60s，随后将矿粉按比例撒入搅拌器中再搅拌30s即完成沥青混合料的拌和，将料倒入预热好的试件模板中进行压实成型。最后将成型好的试件置于60℃恒温烘箱中养护24h。

2 沥青混合料配合比设计(1)矿料级配

结合目前国内常规路面结构层的做法，改性沥青主要用于道路结构层的上、中面层，上面层大多数采用细粒式沥青混合料AC-13，因此拟采用AC-13作为检验改性沥青混合料性能的矿料级配，AC-13合成级配见6。

表6 AC-13矿料级配 下载原图

(2)最佳沥青用量

为了确定沥青混合料的最佳油石比，采用马歇尔试验对4.8%、5.2%、5.6%、6.0%、6.4%五种油石比下的沥青混合料进行测试，研究其稳定度、流值、饱和度和毛体积密度、空隙率等参数与油石比的关系，确定了最佳油石比为5.8%。采用同样的方法确定基质沥青与SBS改性沥青混合料最佳油石比分别为4.8%和5.1%。

3 试验结果与分析

改性沥青性能的好坏直接影响着沥青混合料的路用性能，沥青面层的使用性能主要是由沥青混合料决定的[4]。为了找出不同聚氨酯掺量的改性沥青对沥青混合料路用性能的影响，在前期试验研究的基础上选取20%、25%、30%等3种聚氨酯掺量分析聚氨酯改性沥青混合料的最佳使用性能，并采用基质沥青、4.0%SBS改性沥青混合料作为对照组。

(1)强度

将成型养护好的试件(试件尺寸为直径101.6mm，高度为63.5mm)分为两组，一组放入60℃恒温水浴中半小时用于做马歇尔试验，另一组放入15℃恒温箱中6h以上，然后将试件置于万能材料试验机上测试劈裂强度，两组试验中每种沥青混合料试件个数均不低于3个，最后取平均值，其结果见表7。

从表7中可以看出，掺聚氨酯的改性沥青混合料的劈裂抗拉强度和稳定度都比较大，且掺量越多，强度越高，其次是SBS改性沥青，基质沥青对应的强度最小，掺30%聚氨酯改性沥青混合料的劈裂抗拉强度、稳定度相对SBS改性沥青分别提高了86%、25%。说明加了聚氨酯的改性沥青与集料的粘结力更强，能承受更大的外力荷载。

表7 强度试验结果 下载原图

(2)高温稳定性

在夏季高温条件下，沥青混合料会受热变软，加之车辆的反复碾压，沥青路面会逐渐形成不同程度的车辙[5]，因此，对于沥青混合料的耐高温性能提出了更高的要求。为了分析聚氨酯改性沥青混合料的高温稳定性，采用国内常用的车辙试验对其进行评价，室内成型边长30cm、厚度5cm厚的车辙板试件，经60℃恒温烘箱养护并冷却一定时间后置于车辙仪中，试验温度为60℃，轮压为0.7MPa，车轮运行速率为每分钟42次，试验结果整理数据见表8。

表8 车辙试验结果 下载原图

从表8数据可以看出，掺入20%、25%和30%聚氨酯的改性沥青混合料动稳定度分别较4%SBS改性沥青混合料提高了29%、95%和106%，且聚氨酯掺量从20%到25%的动稳定度增幅为51%，而掺量从25%到30%的动稳定度增幅仅仅6%;随着聚氨酯掺量的增加，其60min时的车辙变形量逐渐变小，基质沥青的变形量最大，其次是4%SBS改性沥青，说明聚氨酯改性沥青混合料在高温时的抗变形能力较强。因此，从动稳定度及变形量方面来看，并考虑经济性，掺25%聚氨酯的改性沥青混合料的高温性能最佳。

(3)低温抗裂性

裂缝是造成沥青路面破坏的原因之一，在冬季温度骤降时，沥青路面在温度应力和荷载应力的综合作用下，路面的收缩应力超过沥青混合料的极限应力时会产生拉裂，用以释放多余的收缩应力[6]。一种良好的路面材料不仅要求强度较高，其抗变形能力也要较强，采用MTS万能材料试验机进行小梁弯曲试验，用于分析聚氨酯改性沥青混合料的低温抗裂性能。将成型和养护好的车辙板试件经切割机制作成尺寸为250×35×30mm的小梁试件，试验加载速率为50mm/min，试验环境为-10℃。试验结果见表9。

表9 低温小梁弯曲试验结果 下载原图

试件破坏时产生的应变量越大，劲度模量越小，说明材料在低温时具有较好的柔韧性。从表9中数据可以看出，随着聚氨酯掺量的增加，其变形值逐渐增加，而劲度模量逐渐减小，且从数据上可发现无论是破坏应变还是劲度模量，都是聚氨酯掺量从20%增加到25%时的增幅或降幅最大。在聚氨酯掺量25%时与4%SBS改性沥青相比，破坏应变提高了21%，劲度模量降低了40%。说明聚氨酯可以改善沥青混合料的低温抗裂性能，且从经济上考虑，以掺量25%为宜。

(4)水稳定性

沥青混合料主要依靠集料之间的嵌挤力和集料与沥青间的粘附力所形成，当路面出现裂缝后，雨水会通过裂缝渗入结构层，在车辆荷载及动水压力的长期作用下，沥青逐渐从集料表面脱落，形成不同程度的坑槽，最终影响路面行车的舒适性[7]。因此，要求沥青与集料需要具备较强的粘附力，为了分析聚氨酯改性沥青混合料的水稳定性，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验进行评价，试验结果见表10。

表1 0 水稳定性试验结果 下载原图

浸水马歇尔和冻融劈裂试验是国内推荐的用于评价沥青混合料水稳定性的试验方法，主要以残留稳定度和劈裂强度比为评价指标，其值越大，说明混合料的抗水损害性能越好[8]。从混合料试验数据结果看，4%SBS改性沥青的残留稳定度和劈裂强度比最大，其次是聚氨酯改性沥青，基质沥青的最小。从三种掺量聚氨酯改性沥青的试验结果发现，25%聚氨酯改性沥青的残留稳定度最大，而30%掺量聚氨酯改性沥青的劈裂强度比最大，但聚氨酯掺量无论是25%还是30%，其同种评价指标之间的差值均在1%之内。因此，掺加聚氨酯的改性沥青混合料的水稳定性虽然没有4%SBS改性沥青好，但与基质沥青相比，也可以在一定程度上改善沥青混合料的水稳定性，且掺量以25%较佳。

4 结论

通过一系列室内试验分析评价了聚氨酯改性沥青混合料的各方面使用性能，可以得出如下几点结论:

(1)从强度和车辙试验发现，聚氨酯可以增强改性沥青与集料的粘附性，提高沥青混合料的强度和高温时的抗永久变形，改善沥青混合料的耐久性，在强度和高温稳定性方面，均优于4%SBS改性沥青。

(2)从低温弯曲试验结果发现，聚氨酯能够在一定程度上增加试件破坏时的应变量，降低混合料试件的劲度模量，改善沥青混合料在低温时的柔韧性，提高了混合料的低温抗裂性。

(3)从水稳定性方面可以得出，聚氨酯改性沥青混合料的水稳定性虽弱于4%SBS改性沥青，但相对于基质沥青，仍可以看出聚氨酯对于沥青混合料的水稳定性具有一定的改善作用。

(4)综合各方面使用性能，并考虑经济性，推荐聚氨酯的最佳掺量宜为25%。

参考文献

[1] 张宏宇，毛艳蕾．环氧树脂沥青混凝土增柔增韧技术研究[J]．北方交通，2020(3):50-52 56.

[2] 何俊辉，赵艳纳，蒋恒，等．聚氨酯改性沥青制备与性能评价[J]．公路，2020(2):245-251.

[3] 黎小顺．聚氨酯混合料与沥青混合料路用性能评价对比[J]．中外公路，2021(3):304-309.

[4] 金鑫，郭乃胜，闫思檬，等．聚氨酯复合改性沥青的制备与性能研究[J]．中国公路学报，2021(3):80-94.

[5] 李彩霞．聚氨酯改性沥青的制备及混合料路用性能评价[J]．武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2017(6):958-963.

[6] 张宏宝．聚氨酯改性沥青混合料性能与应用技术研究[D]．重庆:重庆交通大学，2017.

[7] 李继宏．ECO改性聚氨酯混凝土在寒冷地区钢桥桥面铺装施工中的应用[J]．北方交通，2019(6):29-32.

[8] 班孝义．聚氨酯(PU)改性沥青的制备与性能研究[D]．西安:长安大学，2017.

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