關(guān)鍵詞：改性瀝青 | 聚氨酯 | 混合料 | 路用性能

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路交通量迅速增長(zhǎng)，路面交通負(fù)荷增大，超載、重載問(wèn)題突出，對(duì)瀝青路面的路用性能和耐久性提出了更高要求。而基質(zhì)瀝青作為一種傳統(tǒng)路面材料，存在溫度敏感性高、強(qiáng)度低、易老化、脆點(diǎn)高等性質(zhì)缺陷[1，2]，其性能難以滿足目前道路建設(shè)的需求。因此，對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，改善其路用性能，提高瀝青路面耐久性已成為交通行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著高性能聚合物材料研發(fā)進(jìn)展，大量性能優(yōu)異的聚合物材料被應(yīng)用于道路工程領(lǐng)域。聚氨酯作為一種性能優(yōu)異的聚合物材料，摻入基質(zhì)瀝青后能夠改善基質(zhì)瀝青高低溫性能[3]。將聚氨酯作為新型瀝青改性劑是改善瀝青性質(zhì)的新方向，Salas Miguel Angel[4]利用廢舊聚氨酯泡沫材料對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，制備出聚氨酯摻量為4%改性瀝青，發(fā)現(xiàn)聚氨酯作為瀝青改性劑可提高基質(zhì)瀝青的高、低溫性能。Behrokh Bazmara[5]研究了熱塑性聚氨酯改性瀝青的基本性能，通過(guò)DSR試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聚氨酯對(duì)基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性具有顯zhu改善作用。班孝義[6]對(duì)比不同類型聚氨酯改性瀝青的高低溫性能，確定了聚醚型聚氨酯對(duì)基質(zhì)瀝青的改性效果zui好，聚酯型聚氨酯改性瀝青存在水解特性。孫銘鑫[7]研究了聚氨酯空隙彈性路面混合料的性能，測(cè)試混合料的路用性能，表明聚醚型聚氨酯PERS混合料具有優(yōu)異的抗車轍性能。郭根才[8]等研究了30%和50%摻量聚氨酯改性瀝青混合料的高溫性能，利用熒光顯微鏡分析不同制備工藝和養(yǎng)生時(shí)間對(duì)改性瀝青性能的影響。

聚氨酯材料種類繁多，不同類型產(chǎn)品性能差異較大，將其作為瀝青改性劑及相應(yīng)改性混合料的研究和應(yīng)用成果較少。本文研究了聚氨酯改性瀝青的基本指標(biāo)，確定聚氨酯的摻量范圍，設(shè)計(jì)混合料的級(jí)配，對(duì)聚氨酯改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)其路用性能。

聚氨酯改性瀝青基本指標(biāo)

采用某公司生產(chǎn)的溶液型聚氨酯（以下簡(jiǎn)稱PU）產(chǎn)品對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)和延度指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出，隨著摻量的增加，瀝青的針入度和延度逐漸降低，軟化點(diǎn)逐漸升高。摻量小于20%，PU對(duì)基質(zhì)瀝青的改性作用不明顯；摻量大于30%，改性瀝青的針入度和延度降低，符合SBS類Ｉ-Ｄ型的性能要求。因此，為保證改性瀝青具有均衡的高低溫性能，確定PU摻量為20%~30%，制備PU改性瀝青，進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)。

PU改性瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

集料技術(shù)指標(biāo)

(1)粗集料：粗集料采用浙江產(chǎn)玄武巖碎石，集料石質(zhì)堅(jiān)硬、干燥、無(wú)雜物，不含風(fēng)化顆粒，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

(2)細(xì)集料：細(xì)集料采用浙江產(chǎn)的石灰?guī)r機(jī)制砂，細(xì)集料潔凈、干燥、無(wú)雜質(zhì)且顆粒級(jí)配適當(dāng)，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

級(jí)配設(shè)計(jì)

選用AC-13礦料級(jí)配，依據(jù)技術(shù)規(guī)范中的級(jí)配設(shè)計(jì)范圍，采用馬歇爾設(shè)計(jì)法進(jìn)行礦料級(jí)配設(shè)計(jì)，參考Superpave控制點(diǎn)和限制區(qū)優(yōu)化混合料級(jí)配，見(jiàn)圖1和表4。采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定混合料zui佳瀝青用量[9]，以試驗(yàn)測(cè)得的集料密度計(jì)算混合料有效相對(duì)密度γse，結(jié)果見(jiàn)表5。

確定zui佳油石比

采用馬歇爾試驗(yàn)方法確定基質(zhì)瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料、20%和30%摻量PU改性瀝青混合料的zui佳油石比。首先以±0.5為間隔，成型6組不同油石比馬歇爾試件，將PU改性瀝青混合料試件置于60℃恒溫加熱箱中養(yǎng)生6h；其次對(duì)6組試件的物理和力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，得到20%摻量PU改性瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，按照現(xiàn)行瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中確定瀝青zui佳用量的方法確定PU改性瀝青的zui佳用量；采用同樣方法確定其他3種混合料的zui佳油石比。

摻加PU使瀝青黏度增大，流動(dòng)性降低，為保證PU改性瀝青能夠與集料拌和均勻，需要增加其用量，提高拌和溫度。20%摻量PU改性瀝青混合料的zui佳油石比為5.7%，其中PU質(zhì)量占比16.7%，基質(zhì)瀝青質(zhì)量占比83.3%；其zui佳油石比中瀝青實(shí)際占比4.7%，PU占比1.0%。相關(guān)研究表明瀝青與集料相互作用的過(guò)程和性質(zhì)是影響混合料強(qiáng)度的主要因素，瀝青與集料的黏附過(guò)程分為潤(rùn)濕、吸附以及黏附力的形成3個(gè)階段[10]，只有當(dāng)瀝青充分潤(rùn)濕集料時(shí)，瀝青中的極性物質(zhì)才能與集料相互作用；當(dāng)基質(zhì)瀝青混合料油石比低于4.7%時(shí)，集料表面瀝青膜較薄，油石界面黏結(jié)強(qiáng)度較小，混合料的強(qiáng)度未達(dá)到zui優(yōu)。PU與基質(zhì)瀝青固化后聚合物的分子量比基質(zhì)瀝青的大，在吸附過(guò)程中難以進(jìn)入集料表面的裂紋、孔隙和紋理中形成穩(wěn)定的油石界面。因此，隨著PU改性瀝青中PU摻量的增加，混合料的油石比增大。

PU改性瀝青混合料路用性能

高溫性能

采用車轍試驗(yàn)分析PU對(duì)基質(zhì)瀝青混合料高溫性能的改性效果。按照試驗(yàn)規(guī)程方法成型4種混合料車轍試件，其中20%和30%摻量PU改性瀝青混合料試件需置于60℃恒溫加熱箱中養(yǎng)護(hù)6h，之后在室溫下冷卻10h。試驗(yàn)溫度為60℃，輪壓為0.7MPa，輪碾速率42次/min，試件保溫5h后進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7和圖2。

由表7可以看出，4種瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，其高溫性能由高到低依次為：30%摻量PU改性瀝青混合料、20%摻量PU改性瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料、基質(zhì)瀝青混合料，摻入PU后改性瀝青的高溫性能得到顯zhu改善。其中20%和30%摻量PU改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度比基質(zhì)瀝青混合料的提高4.7倍和9.1倍，比SBS改性瀝青混合料的提升1.1倍和2.0倍。

由圖2可以看出，摻入PU后，混合料車轍變形量顯著降低，車轍變形量隨著其摻量增加而降低。4種混合料中30%摻量PU改性瀝青混合料在45min和60min的變形量zui小，表明PU能提升混合料抵抗高溫變形能力，摻量越大改性效果越顯著。

溶液型熱塑性PU摻入基質(zhì)瀝青后，溶液中的異氰酸酯基團(tuán)與基質(zhì)瀝青中的活性氫發(fā)生固化反應(yīng)[11]。固化后形成的聚合物分子結(jié)構(gòu)中含有大量強(qiáng)極性的硬鏈段，可進(jìn)一步提升基質(zhì)瀝青的彈性和強(qiáng)度[12]，改變基質(zhì)瀝青中黏彈性成分的比例，增加彈性成分，提升其抗剪切變形能力，改善其高溫性能。

低溫性能

依托低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的低溫性能。按照規(guī)程中的方法成型4種混合料的車轍板，切制小梁試件。試驗(yàn)溫度-10℃，中點(diǎn)加載，加載速率5cm/min，試件在保溫2h后進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表8。

由表8可以看出，摻入PU后混合料的彎曲勁度降低，彎拉應(yīng)變變化不明顯，表明PU對(duì)混合料低溫性能也具有顯zhu改善作用。30%摻量PU改性瀝青混合料的彎曲勁度zui低，低溫性能zui好。由于PU是一種具有優(yōu)異高低溫性能的材料[13]，其分子結(jié)構(gòu)中的軟、硬鏈段對(duì)基質(zhì)瀝青的高低溫性能均具有改善作用，軟鏈段能增加基質(zhì)瀝青的柔性[14]，提升其低溫性能。

水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的水穩(wěn)定性。成型4種混合料的浸水馬歇爾和凍融劈裂馬歇爾試件，PU改性瀝青混合料試件需置于60℃恒溫養(yǎng)生箱中養(yǎng)護(hù)6h。然后將浸水馬歇爾試件分為兩組，一組置于60℃水浴箱中浸泡48h，另一組水浴0.5h后，分別測(cè)定兩組試件的馬歇爾穩(wěn)定度，結(jié)果見(jiàn)表9。

由表9可以看出，4種混合料的殘留穩(wěn)定度值均滿足規(guī)范要求，隨著PU摻量增加，PU改性混合料的殘留穩(wěn)定度先增大后降低。PU改性瀝青固化后，PU分子與基質(zhì)瀝青分子形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善了瀝青的分子結(jié)構(gòu)，使混合料強(qiáng)度增加。

PU摻量超過(guò)30%后，改性瀝青中PU比例增加，其分子結(jié)構(gòu)中的氨基甲酸酯、脲基、脲基甲酸酯基等基團(tuán)在一定條件下會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)[15]，水分子可使原分子鏈從這些基團(tuán)處斷裂，使分子鏈長(zhǎng)度、分子量降低，導(dǎo)致PU綜合性能降低，且其水解屬于化學(xué)結(jié)構(gòu)上的不可逆過(guò)程[16]，降低了PU改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

結(jié)語(yǔ)

采用溶液型熱塑性PU改性基質(zhì)瀝青，獲得了PU改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度指標(biāo)，并與基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青對(duì)比評(píng)價(jià)其改性效果。根據(jù)基質(zhì)瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料和PU改性瀝青混合料的路用性能對(duì)比試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

(1)通過(guò)測(cè)試不同摻量PU改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度指標(biāo)，確定PU摻量范圍為20%~30%，采用馬歇爾混合料設(shè)計(jì)方法得到不同摻量PU改性瀝青混合料zui佳油石比。

(2)PU對(duì)基質(zhì)瀝青高、低溫性能改性效果優(yōu)異，PU改性瀝青混合料高溫性能顯著提升。

(3)對(duì)比4種混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果可知：30%摻量PU改性瀝青混合料的高低溫性能zui好，強(qiáng)度zui高；但摻量超過(guò)30%后，PU改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能有一定程度降低。

(4)PU作為一種性能優(yōu)良的高分子聚合物材料，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中，針對(duì)不同行業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品種類繁多，性能差異較大，而將其作為瀝青改性劑的研究和應(yīng)用正處于積極探索階段，目前還未有針對(duì)道路工程使用特性研發(fā)的產(chǎn)品，與應(yīng)用較廣的SBS等改性劑相比，PU摻量偏大，在后期研究中應(yīng)嘗試更多不同類型的PU材料，降低PU摻量。

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全文完 發(fā)布于《公路》2021年第10期 

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