聚氨酯改性沥青及其混合料性能研究

刘喆

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000）

近年来，随着我国经济的快速发展，交通运输业得到了迅速的发展，导致各级道路的交通负荷越来越重，且在道路中行驶的车辆经常出现超载超重的情况，沥青路面所处的使用环境也越来越恶劣。为了能够有效的应对路面遇到的复杂问题，提高路面的通行质量和使用寿命，对沥青路面的性能开展更深层次的研究以提高沥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、耐高温、抗撕裂强度高、低温韧性好等优点。本研究采用聚氨酯对沥青进行改性，并对改性沥青混合料的性能进行研究。

1 试验

1.1 原材料

（1）基质沥青：试验采用壳牌70#基质沥青，各项性能指标均符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求，见表1。

表1 基质沥青的基本技术性能指标

（2）聚氨酯（TPU）：WHT-1190，浙江嘉兴某公司产品，外观呈透明晶体状，密度为1.1 g/cm3。

（3）水泥：42.5级普通硅酸盐水泥。

（4）抗剥落剂：自制，外观呈现棕色粘稠状液体。

（5）SBS：星型结构，嵌段比（S/B）30/70，撕裂强度 50 MPa，硬度（邵氏 A）为 82度，市售。

（6）4%SBS改性沥青：向基质沥青中添加4%的SBS，在实验室中经高速剪切制得。

1.2 聚氨酯改性沥青的制备

聚氨酯改性沥青是一种新型改性沥青，相关制备工艺资料可参考的文献较少，其关键制备环节中的拌合温度、拌合时间等变量均需要通过试验来确定[1]。由于聚氨酯改性沥青是热固性材料，在高温条件下会发生固化反应，在不同的温度条件下聚氨酯改性沥青的固化速度会有所差异，通过前期大量的试验研究确定聚氨酯改性沥青的拌合温度为120℃。

将聚氨酯按比例加入到基质沥青中，使用胶体磨搅拌机均匀拌合，聚氨酯添加量为基质沥青质量的30%、50%分别进行测试，使其能够在基质沥青中分散均匀，考虑到聚氨酯是一种具有荧光效应的材料，通过荧光显微镜荧光照片观测其是否搅拌均匀以确定拌合时间。图1、图2分别为掺30%和50%TPU改性沥青的荧光照片。

图1 掺加30%聚氨酯改性沥青的荧光照片

图2 掺加50%聚氨酯改性沥青的荧光照片

由图1、图2可见，当搅拌时间为5 min时，聚氨酯与沥青各组分混合不均匀，聚氨酯材料未充分分散于沥青中；当搅拌时间为20 min时，因搅拌过程过长导致部分聚氨酯材料早期固化，聚氨酯成团状体集聚在沥青胶浆中；搅拌时间为10 min，两者可以比较充分的混合，故通过该试验确定聚氨酯与沥青的搅拌反应时间为10 min。

1.3 沥青混合料试验方案

分别制备70#基质沥青、4%SBS改性沥青、30%聚氨酯改性沥青和50%聚氨酯改性沥青等4种沥青混合料进行对比。混合料设计采用统一的矿料级配AC-13，如表2所示。其中粗集料、细集料及矿粉均采用石灰岩碱性石料制备而成。

通过前期完成的大量基础性工作，各类混合料的最佳油石比已通过试验确定，过程不再赘述。70#基质沥青混合料的最佳油石比4.9%，4%SBS改性沥青混合料的最佳油石比5.0%，30%及50%聚氨酯改性沥青混合料的最佳油石比5.4%。

表2 AC-13矿料级配

2 试验结果与分析

2.1 高温性能

车辙试验是一种工程试验，可以在一定程度上充分模拟车轮在沥青路面上行驶的实际状况，用于评价沥青混合料在高温条件下抵抗塑性变形的能力。根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，4种沥青混合料的车辙试验结果见表3。

表3 沥青混合料的车辙试验结果

由表3可见，掺加聚氨酯的改性沥青混合料的高温抗车辙性能要明显优于基质沥青及SBS改性沥青混合料，而且掺加50%聚氨酯的沥青混合料动稳定度是掺加30%聚氨酯混合料的2.37倍，在一定范围内，聚氨酯掺量越大，沥青混合料的动稳定度亦越大。

2.2 低温性能

采用轮碾成型后切制的25 mm×30 mm×35 mm棱柱体小梁试件，在-10℃试验温度条件下，采取中点加载，加载速率为5 cm/min。试验结果见表4。

表4 沥青混合料低温抗裂试验结果

由表4可见：

（1）弯拉应变的大小排序为：50%聚氨酯改性沥青混合料＞30%聚氨酯改性沥青混合料＞4%SBS改性沥青混合料＞70#基质沥青混合料。掺加50%聚氨酯沥青混合料的弯拉应变为掺加30%聚氨酯沥青混合料的1.46倍，为基质沥青混合料的1.97倍。

（2）对于弯拉强度及劲度模量，变化趋势相同，均为4%SBS改性沥青混合料＞70#基质沥青混合料＞30%聚氨酯改性沥青混合料＞50%聚氨酯改性沥青混合料。

由上述数据得知，若以弯拉应变大小为评价沥青混合料低温性能的指标，加入聚氨酯后沥青混合料的弯拉应变值相比其他对比组是增大的。

2.3 水稳定性能

沥青胶结料与集料的粘附程度直接关系到沥青路面的耐久性，水的侵入使得沥青结合料的粘附性减小，阻断了沥青结合料和集料的相互粘结，在车辆重复荷载的作用下加速了沥青从集料表面的剥落，危害沥青路面的使用性能。通过浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验研究沥青混合料的水稳定性，结果见表5。

表5 沥青混合料水稳定性能试验结果

由表5可见：

（1）4种沥青混合料的残留稳定度均符合JTG F40—2004规范要求。其中掺加50%聚氨酯的沥青混合料的残留稳定度与SBS改性沥青混合料基本相近，而且在一定掺量范围内，随着聚氨酯掺量的增加残留稳定度增大。

（2）经冻融循环试验，掺加聚氨酯的沥青混合料的TSR不符合JTG F40—2004要求。通常情况下，由于冻融劈裂试验条件较浸水马歇尔更加严苛，且接近路面的实际使用情况，故以冻融劈裂来评价沥青混合料是否满足水稳定性能要求。

结合上述2种试验结果可知，聚氨酯改性沥青混合料的水稳定性不足，需要通过掺加外加剂进行进一步改进[2-3]。为此，分别掺入集料总质量2%的水泥代替矿粉或掺入沥青总质量0.2%的液态抗剥落剂制备混合料，进一步研究聚氨酯沥青混合料的抗水损性能，试验结果见表6。

表6 掺水泥或抗剥落剂沥青混合料的水稳定性能试验结果

由表6可知，掺加水泥与抗剥落剂的聚氨酯改性沥青混合料抗水损害性能均得以改善，且对于同一沥青混合料而言，掺加水泥对混合料抗水损害性能的改善程度要优于掺加抗剥落剂的。总的来说，水泥与抗剥落剂均对聚氨酯改性沥青混合料的抗水损害性能有一定程度的改良，但是仍需要进一步深入研究开发新的改良措施。

2.4 抗疲劳性能

车辆在行驶过程中对路面进行重复加载，导致路面材料在重复荷载作用下达到疲劳极限，故研究沥青混合料在动态荷载作用下的性能对道路实际应用至关重要。故本节主要通过疲劳试验来研究其相关的力学特性以评价沥青混合料的优劣。

研究沥青混合料疲劳性能的目的是为了预估材料的疲劳寿命。国内外学者在建立疲劳方程时，大多都以应力或应变水平和疲劳寿命之间的关系为基础进行研究，再考虑材料特性、加载路径、试验条件等因素的修正。式（1）为沥青混合料的疲劳预估方程：

式中：Nf——达到破坏时的重复荷载作用次数，次；

ε0——初始弯拉应变，με；

c、m——分别为试验确定的参数（无量纲参数）。

试验过程中聚氨酯改性沥青混合料的应变水平分别为：1150、1250、1350 με，其余2组沥青混合料的应变水平分别为：800、600、400 με。图3为4种不同的沥青混合料的疲劳应变关系，其中横坐标为拉应变的对数，纵坐标为重复荷载作用次数的对数。

由试验数据及图3可知，在特定的应变水平条件下，聚氨酯改性沥青混合料的疲劳特性要明显高于其他各组沥青混合料。聚氨酯作为改性剂加入沥青中能够提升混合料的抗疲劳特性，在一定程度范围内其掺量越多疲劳性能改善的程度就越好。而且通过疲劳应变方程可以预估在任意应变条件下的疲劳寿命，4种混合料的疲劳应变关系呈现较好的线性相关性，而且混合料的疲劳寿命随着应变的增大而减小。

图3 4种沥青混合料的疲劳应变关系

2.5 动态模量SPT试验

当前对道路路面设计采用的是静态模量作为设计相关参数，其与实际路面受力状况有较大差异，因此对路面结构层材料的动态模量研究就具有重要意义[4-5]。

2.5.1 加载温度与动态模量的关系

图4为不同改性沥青混合料动态模量与加载温度之间的相互关系。

图4 不同改性沥青混合料动态模量与加载温度的关系

由图4可以看出：不同种类沥青混合料的动态模量在相同的频率下随着温度的升高而逐渐减小。分析其原因是：沥青胶结料作为一种典型的粘弹性体[6]，高温下处于软化状态使得粘结力降低，混合料的弹性不再起到主要作用，其粘性作用占主要部分，此时的沥青混合料动态模量值较低。2.5.2 加载频率与动态模量的关系

图5为不同改性沥青混合料动态模量与加载频率之间的相关关系。

图5 3种改性沥青混合料动态模量与加载频率的关系

由图5可以看出：

（1）3种不同改性沥青混合料的动态模量随着频率的减小而逐渐降低。

（2）在频率较低和较高范围内，随着频率的变动沥青混合料动态模量的变化相对较小，而在曲线的中段出现变化率最大的部分。说明材料的动态模量不会随着频率的增大而无限制的增大，而是会到某个最大值。对于沥青混合料而言，低温高频和高温低频对动态模量的作用是等效的，即高温和低频状态下沥青混合料的动态模量均较低，低温和高频状态下动态模量较高。

3 结论

（1）通过对4种改性沥青混合料的高温性能车辙试验进行研究表明，聚氨酯改性沥青混合料的动稳定度明显优于SBS改性沥青混合料，而且随着聚氨酯掺量的增大，动稳定度亦增大，说明聚氨酯的添加对沥青混合料的高温性能是有利的。同时，通过动态模量试验亦得到此规律。针对聚氨酯改性沥青良好的高温性能，在工程应用中建议在高温地区利用此混合料类型以抵抗车辙变形。

（2）低温抗裂性试验中，若以弯拉应变作为低温性能的评价指标，则聚氨酯改性沥青混合料的低温性能较70#基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料性能优异，若以弯拉强度作为评价指标，则聚氨酯改性沥青混合料性能欠佳。

（3）通过水稳定性试验得知，在浸水马歇尔试验中，掺加聚氨酯材料对沥青混合料的抗水损害性能是有利的；但是，经过冻融循环试验后，聚氨酯改性沥青混合料的TSR不符合JTG F40—2004规范要求，但通过掺入水泥或抗剥落剂可使氨酯改性沥青混合料的抗水损性能有所改善。

（4）通过对4种沥青混合料的抗疲劳性能试验得知，聚氨酯沥青混合料的抗疲劳性能相对较优，由此可知聚氨酯材料能够提高沥青混合料的抗疲劳特性。