聚氨酯改性瀝青及其混合料性能研究

劉喆

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通運輸業(yè)得到了迅速的發(fā)展，導(dǎo)致各級道路的交通負荷越來越重，且在道路中行駛的車輛經(jīng)常出現(xiàn)超載超重的情況，瀝青路面所處的使用環(huán)境也越來越惡劣。為了能夠有效的應(yīng)對路面遇到的復(fù)雜問題，提高路面的通行質(zhì)量和使用壽命，對瀝青路面的性能開展更深層次的研究以提高瀝青路面的使用性能已迫在眉睫。

聚氨酯具有耐磨、耐油、耐候、耐老化、耐高溫、抗撕裂強度高、低溫韌性好等優(yōu)點。本研究采用聚氨酯對瀝青進行改性，并對改性瀝青混合料的性能進行研究。

1 試驗

1.1 原材料

（1）基質(zhì)瀝青：試驗采用殼牌70#基質(zhì)瀝青，各項性能指標(biāo)均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求，見表1。

表1 基質(zhì)瀝青的基本技術(shù)性能指標(biāo)

（2）聚氨酯（TPU）：WHT-1190，浙江嘉興某公司產(chǎn)品，外觀呈透明晶體狀，密度為1.1 g/cm3。

（3）水泥：42.5級普通硅酸鹽水泥。

（4）抗剝落劑：自制，外觀呈現(xiàn)棕色粘稠狀液體。

（5）SBS：星型結(jié)構(gòu)，嵌段比（S/B）30/70，撕裂強度 50 MPa，硬度（邵氏 A）為 82度，市售。

（6）4%SBS改性瀝青：向基質(zhì)瀝青中添加4%的SBS，在實驗室中經(jīng)高速剪切制得。

1.2 聚氨酯改性瀝青的制備

聚氨酯改性瀝青是一種新型改性瀝青，相關(guān)制備工藝資料可參考的文獻較少，其關(guān)鍵制備環(huán)節(jié)中的拌合溫度、拌合時間等變量均需要通過試驗來確定[1]。由于聚氨酯改性瀝青是熱固性材料，在高溫條件下會發(fā)生固化反應(yīng)，在不同的溫度條件下聚氨酯改性瀝青的固化速度會有所差異，通過前期大量的試驗研究確定聚氨酯改性瀝青的拌合溫度為120℃。

將聚氨酯按比例加入到基質(zhì)瀝青中，使用膠體磨攪拌機均勻拌合，聚氨酯添加量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的30%、50%分別進行測試，使其能夠在基質(zhì)瀝青中分散均勻，考慮到聚氨酯是一種具有熒光效應(yīng)的材料，通過熒光顯微鏡熒光照片觀測其是否攪拌均勻以確定拌合時間。圖1、圖2分別為摻30%和50%TPU改性瀝青的熒光照片。

圖1 摻加30%聚氨酯改性瀝青的熒光照片

圖2 摻加50%聚氨酯改性瀝青的熒光照片

由圖1、圖2可見，當(dāng)攪拌時間為5 min時，聚氨酯與瀝青各組分混合不均勻，聚氨酯材料未充分分散于瀝青中；當(dāng)攪拌時間為20 min時，因攪拌過程過長導(dǎo)致部分聚氨酯材料早期固化，聚氨酯成團狀體集聚在瀝青膠漿中；攪拌時間為10 min，兩者可以比較充分的混合，故通過該試驗確定聚氨酯與瀝青的攪拌反應(yīng)時間為10 min。

1.3 瀝青混合料試驗方案

分別制備70#基質(zhì)瀝青、4%SBS改性瀝青、30%聚氨酯改性瀝青和50%聚氨酯改性瀝青等4種瀝青混合料進行對比?；旌狭显O(shè)計采用統(tǒng)一的礦料級配AC-13，如表2所示。其中粗集料、細集料及礦粉均采用石灰?guī)r堿性石料制備而成。

通過前期完成的大量基礎(chǔ)性工作，各類混合料的最佳油石比已通過試驗確定，過程不再贅述。70#基質(zhì)瀝青混合料的最佳油石比4.9%，4%SBS改性瀝青混合料的最佳油石比5.0%，30%及50%聚氨酯改性瀝青混合料的最佳油石比5.4%。

表2 AC-13礦料級配

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 高溫性能

車轍試驗是一種工程試驗，可以在一定程度上充分模擬車輪在瀝青路面上行駛的實際狀況，用于評價瀝青混合料在高溫條件下抵抗塑性變形的能力。根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，4種瀝青混合料的車轍試驗結(jié)果見表3。

表3 瀝青混合料的車轍試驗結(jié)果

由表3可見，摻加聚氨酯的改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能要明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青混合料，而且摻加50%聚氨酯的瀝青混合料動穩(wěn)定度是摻加30%聚氨酯混合料的2.37倍，在一定范圍內(nèi)，聚氨酯摻量越大，瀝青混合料的動穩(wěn)定度亦越大。

2.2 低溫性能

采用輪碾成型后切制的25 mm×30 mm×35 mm棱柱體小梁試件，在-10℃試驗溫度條件下，采取中點加載，加載速率為5 cm/min。試驗結(jié)果見表4。

表4 瀝青混合料低溫抗裂試驗結(jié)果

由表4可見：

（1）彎拉應(yīng)變的大小排序為：50%聚氨酯改性瀝青混合料＞30%聚氨酯改性瀝青混合料＞4%SBS改性瀝青混合料＞70#基質(zhì)瀝青混合料。摻加50%聚氨酯瀝青混合料的彎拉應(yīng)變?yōu)閾郊?0%聚氨酯瀝青混合料的1.46倍，為基質(zhì)瀝青混合料的1.97倍。

（2）對于彎拉強度及勁度模量，變化趨勢相同，均為4%SBS改性瀝青混合料＞70#基質(zhì)瀝青混合料＞30%聚氨酯改性瀝青混合料＞50%聚氨酯改性瀝青混合料。

由上述數(shù)據(jù)得知，若以彎拉應(yīng)變大小為評價瀝青混合料低溫性能的指標(biāo)，加入聚氨酯后瀝青混合料的彎拉應(yīng)變值相比其他對比組是增大的。

2.3 水穩(wěn)定性能

瀝青膠結(jié)料與集料的粘附程度直接關(guān)系到瀝青路面的耐久性，水的侵入使得瀝青結(jié)合料的粘附性減小，阻斷了瀝青結(jié)合料和集料的相互粘結(jié)，在車輛重復(fù)荷載的作用下加速了瀝青從集料表面的剝落，危害瀝青路面的使用性能。通過浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗研究瀝青混合料的水穩(wěn)定性，結(jié)果見表5。

表5 瀝青混合料水穩(wěn)定性能試驗結(jié)果

由表5可見：

（1）4種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均符合JTG F40—2004規(guī)范要求。其中摻加50%聚氨酯的瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度與SBS改性瀝青混合料基本相近，而且在一定摻量范圍內(nèi)，隨著聚氨酯摻量的增加殘留穩(wěn)定度增大。

（2）經(jīng)凍融循環(huán)試驗，摻加聚氨酯的瀝青混合料的TSR不符合JTG F40—2004要求。通常情況下，由于凍融劈裂試驗條件較浸水馬歇爾更加嚴苛，且接近路面的實際使用情況，故以凍融劈裂來評價瀝青混合料是否滿足水穩(wěn)定性能要求。

結(jié)合上述2種試驗結(jié)果可知，聚氨酯改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性不足，需要通過摻加外加劑進行進一步改進[2-3]。為此，分別摻入集料總質(zhì)量2%的水泥代替礦粉或摻入瀝青總質(zhì)量0.2%的液態(tài)抗剝落劑制備混合料，進一步研究聚氨酯瀝青混合料的抗水損性能，試驗結(jié)果見表6。

表6 摻水泥或抗剝落劑瀝青混合料的水穩(wěn)定性能試驗結(jié)果

由表6可知，摻加水泥與抗剝落劑的聚氨酯改性瀝青混合料抗水損害性能均得以改善，且對于同一瀝青混合料而言，摻加水泥對混合料抗水損害性能的改善程度要優(yōu)于摻加抗剝落劑的?？偟膩碚f，水泥與抗剝落劑均對聚氨酯改性瀝青混合料的抗水損害性能有一定程度的改良，但是仍需要進一步深入研究開發(fā)新的改良措施。

2.4 抗疲勞性能

車輛在行駛過程中對路面進行重復(fù)加載，導(dǎo)致路面材料在重復(fù)荷載作用下達到疲勞極限，故研究瀝青混合料在動態(tài)荷載作用下的性能對道路實際應(yīng)用至關(guān)重要。故本節(jié)主要通過疲勞試驗來研究其相關(guān)的力學(xué)特性以評價瀝青混合料的優(yōu)劣。

研究瀝青混合料疲勞性能的目的是為了預(yù)估材料的疲勞壽命。國內(nèi)外學(xué)者在建立疲勞方程時，大多都以應(yīng)力或應(yīng)變水平和疲勞壽命之間的關(guān)系為基礎(chǔ)進行研究，再考慮材料特性、加載路徑、試驗條件等因素的修正。式（1）為瀝青混合料的疲勞預(yù)估方程：

式中：Nf——達到破壞時的重復(fù)荷載作用次數(shù)，次；

ε0——初始彎拉應(yīng)變，με；

c、m——分別為試驗確定的參數(shù)（無量綱參數(shù)）。

試驗過程中聚氨酯改性瀝青混合料的應(yīng)變水平分別為：1150、1250、1350 με，其余2組瀝青混合料的應(yīng)變水平分別為：800、600、400 με。圖3為4種不同的瀝青混合料的疲勞應(yīng)變關(guān)系，其中橫坐標(biāo)為拉應(yīng)變的對數(shù)，縱坐標(biāo)為重復(fù)荷載作用次數(shù)的對數(shù)。

由試驗數(shù)據(jù)及圖3可知，在特定的應(yīng)變水平條件下，聚氨酯改性瀝青混合料的疲勞特性要明顯高于其他各組瀝青混合料。聚氨酯作為改性劑加入瀝青中能夠提升混合料的抗疲勞特性，在一定程度范圍內(nèi)其摻量越多疲勞性能改善的程度就越好。而且通過疲勞應(yīng)變方程可以預(yù)估在任意應(yīng)變條件下的疲勞壽命，4種混合料的疲勞應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)性，而且混合料的疲勞壽命隨著應(yīng)變的增大而減小。

圖3 4種瀝青混合料的疲勞應(yīng)變關(guān)系

2.5 動態(tài)模量SPT試驗

當(dāng)前對道路路面設(shè)計采用的是靜態(tài)模量作為設(shè)計相關(guān)參數(shù)，其與實際路面受力狀況有較大差異，因此對路面結(jié)構(gòu)層材料的動態(tài)模量研究就具有重要意義[4-5]。

2.5.1 加載溫度與動態(tài)模量的關(guān)系

圖4為不同改性瀝青混合料動態(tài)模量與加載溫度之間的相互關(guān)系。

圖4 不同改性瀝青混合料動態(tài)模量與加載溫度的關(guān)系

由圖4可以看出：不同種類瀝青混合料的動態(tài)模量在相同的頻率下隨著溫度的升高而逐漸減小。分析其原因是：瀝青膠結(jié)料作為一種典型的粘彈性體[6]，高溫下處于軟化狀態(tài)使得粘結(jié)力降低，混合料的彈性不再起到主要作用，其粘性作用占主要部分，此時的瀝青混合料動態(tài)模量值較低。2.5.2 加載頻率與動態(tài)模量的關(guān)系

圖5為不同改性瀝青混合料動態(tài)模量與加載頻率之間的相關(guān)關(guān)系。

圖5 3種改性瀝青混合料動態(tài)模量與加載頻率的關(guān)系

由圖5可以看出：

（1）3種不同改性瀝青混合料的動態(tài)模量隨著頻率的減小而逐漸降低。

（2）在頻率較低和較高范圍內(nèi)，隨著頻率的變動瀝青混合料動態(tài)模量的變化相對較小，而在曲線的中段出現(xiàn)變化率最大的部分。說明材料的動態(tài)模量不會隨著頻率的增大而無限制的增大，而是會到某個最大值。對于瀝青混合料而言，低溫高頻和高溫低頻對動態(tài)模量的作用是等效的，即高溫和低頻狀態(tài)下瀝青混合料的動態(tài)模量均較低，低溫和高頻狀態(tài)下動態(tài)模量較高。

3 結(jié)論

（1）通過對4種改性瀝青混合料的高溫性能車轍試驗進行研究表明，聚氨酯改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度明顯優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，而且隨著聚氨酯摻量的增大，動穩(wěn)定度亦增大，說明聚氨酯的添加對瀝青混合料的高溫性能是有利的。同時，通過動態(tài)模量試驗亦得到此規(guī)律。針對聚氨酯改性瀝青良好的高溫性能，在工程應(yīng)用中建議在高溫地區(qū)利用此混合料類型以抵抗車轍變形。

（2）低溫抗裂性試驗中，若以彎拉應(yīng)變作為低溫性能的評價指標(biāo)，則聚氨酯改性瀝青混合料的低溫性能較70#基質(zhì)瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料性能優(yōu)異，若以彎拉強度作為評價指標(biāo)，則聚氨酯改性瀝青混合料性能欠佳。

（3）通過水穩(wěn)定性試驗得知，在浸水馬歇爾試驗中，摻加聚氨酯材料對瀝青混合料的抗水損害性能是有利的；但是，經(jīng)過凍融循環(huán)試驗后，聚氨酯改性瀝青混合料的TSR不符合JTG F40—2004規(guī)范要求，但通過摻入水泥或抗剝落劑可使氨酯改性瀝青混合料的抗水損性能有所改善。

（4）通過對4種瀝青混合料的抗疲勞性能試驗得知，聚氨酯瀝青混合料的抗疲勞性能相對較優(yōu)，由此可知聚氨酯材料能夠提高瀝青混合料的抗疲勞特性。