PU 改性沥青混合料路用性能研究

2021-03-03刘志强

合成材料老化与应用 2021年1期

刘志强

（平顶山市公路交通勘察设计院，河南平顶山467000）

随着人民生活水平的不断改善，家用小汽车的使用量日益增加，道路交通量大幅加重，特别是一些超载重载车辆，使得道路路面使用状况出现了许多诸如车辙、水损害及裂缝等严重的病害。为了缓解以上问题的出现，并改善和提高路面的通行质量及使用寿命，研究一种新型的路面沥青材料势在必行。聚氨酯（PU）作为一种耐高温、低温柔性佳、抗裂强度高、耐老化、抗磨性强的新型热固性高分子材料，将其加入沥青应用到改性沥青路面具有良好的效果。在高温条件下聚氨酯会与沥青发生固化反应，并在扩链交联剂的环境中产生网状结构，正是这种网状结构减小了沥青的感温性能，从而大幅增强了沥青的高温稳定性及低温特性，成为一种高性能的改性沥青应用于沥青路面中[1]。但由于聚氨酯与沥青作用过程较为复杂，改性沥青在制备过程中的参数有待优化，以及聚氨酯在实际工程中的应用较少，其路用性能到底如何，还有待进一步研究确定。

本文基于已有的研究，通过大量室内试验，制备了聚氨酯掺量为20%、30%、40% 的改性沥青混合料，并通过与基质沥青及3% SBS 改性沥青作对比，综合评价聚氨酯改性沥青的路用性能，制备出性能优异的改性沥青，为聚氨酯改性沥青混合料在工程的实际应用中提供理论基础和经验参考。

1 原材料与试验方法

1.1 试验原材料

（1）基质沥青

采用秦皇岛70#A 级道路石油沥青，对其基本性能进行相关试验检测，其技术性能见表1。

表1 70#A 级石油沥青技术指标Table 1 Technical indexes of 70 grade A petroleum asphalt

（2）聚氨酯（PU）

聚氨酯是一种分子结构含有—NH—COO—基团的新型高分子聚合物，其能够与石油沥青发生固化反应，温度越高，固化时间相应就越短[2]。选用天津某公司生产的单组份聚氨酯，材料颜色为灰白色，其密度为1.1g/cm3，断裂伸长率为323%，23℃拉伸强度为10MPa。

（3）矿料

试验采用玄武岩粗集料，石灰岩细集料，及石灰岩磨细后得到的矿粉，各档矿料的物理力学性质均满足规范要求，试验结果见表2、表3 和表4。

表2 玄武岩粗集料技术性质Table 2 Technical properties of basalt coarse aggregate

表3 石灰岩细集料物理力学性能Table 3 Physical and mechanical properties of limestone fine aggregate

表4 石灰岩矿粉物理力学性能Table 4 Physical and mechanical properties of limestone powder

1.2 试验方法

采用布氏粘度试验确定改性沥青在不同温度下其粘度随时间的变化规律，从而确定其最佳拌合（或养护）温度；在最佳温度条件下通过马歇尔试验研究其稳定度随时间的变化规律，从而确定出最佳的养护时间。

通过马歇尔试验确定聚氨酯改性沥青、普通基质沥青和3% SBS 改性沥青混合料的最佳油石比。然后对20%、30% 和40% 聚氨酯等不同掺量的改性沥青混合料分别做高温车辙试验、低温弯曲试验、冻融劈裂试验及浸水马歇尔试验等一系列室内试验，并与普通基质沥青和3% SBS 改性沥青混合料的各项路用性能作对比，以评价不同聚氨酯掺量的改性沥青混合料的各项性能，最后通过各项性能试验结果优选出聚氨酯的最佳用量，为聚氨酯在沥青路面中的实际工程应用提供有力参考。

1.3 配合比设计

试验采用AC-13 型矿料级配类型，各档集料的筛余百分比见表5。

表5 AC-13 型矿料级配表Table 5 Grading table of AC-13 mineral aggregate

首先预估聚氨酯沥青混合料的最佳油石比为5.2%，并以0.5%为浮动值左右各取2 组油石比，即分别为4.2%、4.7%、5.2%、5.7%、6.2%，以5 组油石比分别做马歇尔试验并测试其毛体积密度、矿料间隙率、沥青饱和度以及流值和稳定度等指标参数，绘制各项指标与油石比的关系曲线，最终得到聚氨酯沥青混合料的最佳油石比为5.4%。按同样的试验方法可以得到普通基质沥青和3%SBS 改性沥青混合料的最佳油石比分别为4.9%和5.2%。

2 试验结果分析

2.1 养护温度和养护时间的确定

2.1.1 养护温度的确定

聚氨酯改性沥青作为一种在高温条件下发生固化反应的热固性材料，其性能的好坏会受温度大小的影响，不同温度会影响其固化程度和固化速率[3]。为了研究聚氨酯改性沥青混合料试件的养护温度，本文通过采用布氏粘度试验研究在不同温度时的改性沥青粘度随时间的变化关系，间接地确定了混合料试件的最佳养护温度。试验结果如图1 所示。

图1 不同温度状况下改性沥青粘度随时间的变化趋势Fig.1 Variation trend of viscosity of modified asphalt with time under different temperature conditions

从图1 可以看出，当温度为130℃、140℃和150℃时，改性沥青粘度随着时间逐渐提高，但在达到一定峰值后又急剧降低，可能是因为温度高时聚氨酯首先与沥青融合在一起并完成了固化，而后又与沥青分离导致了粘度的迅速降低。在120℃时其粘度随时间一直是呈总体上升趋势，表明在120℃时聚氨酯能够均匀地分散于沥青中，二者具有良好的相容性，也有利于混合料强度的形成。另外，在试验过程中发现，在温度低于120℃时聚氨酯较为黏稠，难以均匀分散于沥青中，最终导致混合料强度偏低。因此，本文最终确定以120℃作为其养护温度。

2.1.2 养护时间的确定

为了确定最佳养护时间，以120℃作为养护温度，采用马歇尔试验分别对不同聚氨酯掺量的改性沥青混合料在不同养护时间时的稳定度进行测试，试验结果见图2 所示。

图2 马歇尔稳定度与养护时间的关系Fig.2 Relationship between marshall stability and curing time

从图2 可以看出，在养护时间48h 内混合料的强度逐渐形成并达到峰值，养护时间超过48h 后混合料的强度基本趋于平稳状态，甚至有略微的降低。表明聚氨酯在养护时间48h 内已经完成并形成一定的强度并趋于平稳。

2.2 高温稳定性

采用车辙试验分别对普通基质沥青、20%、30% 和40% 聚氨酯沥青混合料以及3% SBS 改性沥青混合料进行室内试验，以动稳定度作为评价指标。室内成型试件尺寸为300mm×300mm×50mm，试验荷重为0.7MPa，试验温度为60℃，车轮碾压速度为42 次/min[4]。试验结果见表6 和图3。

表6 车辙试验结果Table 6 Results of rutting test

图3 不同混合料的高温性能比较Fig.3 Comparison of high temperature properties of different mixtures

从试验结果可以看出，掺了聚氨酯的沥青混合料的动稳定度有了很大的提升，并且随着聚氨酯用量的增加动稳定度随之不断增加。从动稳定度数值大小来看，70#基质沥青＜3% SBS 改性沥青＜20% PU 改性沥青＜30%PU 改性沥青＜40% PU 改性沥青，掺40% 聚氨酯时动稳定度是SBS 改性沥青的2.17 倍，基质沥青的6.5 倍，说明聚氨酯能明显改善沥青混合料的高温抗车辙能力。主要由于聚氨酯均匀地分散于石油沥青中形成交联的空间网络结构，而且被石油沥青包裹的聚氨酯发生固化反应，形成一定的强度。此外，聚氨酯分子结构内存在极性很强低聚物多元醇软段，聚氨酯于沥青中发生固化后，促使了沥青的力学性质发生了质的飞跃，从而大幅度地提高了高温稳定性[5]。

2.3 低温抗裂性

用于评价沥青混合料低温抗裂能力的试验比较多，常用的主要有直接或间接拉伸试验、低温弯曲试验以及三点弯曲J 积分试验[6]。本文采用低温弯曲试验评价聚氨酯改性沥青混合料的低温抗裂性，这种试验方法操作简单，用于评价低温性能效果较佳。室内制作300mm×300mm×50mm 的试件，养护完成后切成250mm×30mm×35mm 的棱柱体小梁，试验环境-10℃，加载频率50mm/min，采用3 分点加载方式。分别对五种沥青混合料进行室内试验，试验结果见表7 和图4。

表7 低温弯曲试验结果Table 7 Results of low temperature bending test

图4 五种沥青混合料的低温性能比较Fig.4 Comparison of low temperature performance of five asphalt mixtures

通过低温弯曲试验结果可知，随着聚氨酯用量不断增加，改性沥青混合料的弯拉应变不断增加，劲度模量不断减小。与70# 基质沥青相比，40% 聚氨酯用量的弯拉强度提高了83%，劲度模量降低了65%；同3%SBS 改性沥青相比，40% 聚氨酯用量的弯拉强度提高了41%，劲度模量降低了68%。掺加聚氨酯的改性沥青混合料低温抗裂性大幅度提高，有利于改善其低温性能。

2.4 水稳定性

本文采用试验规程推荐的冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验评价3 种不同聚氨酯用量的改性沥青、基质沥青和3%SBS 改性沥青等五种沥青混合料的水稳定性。

2.4.1 浸水马歇尔试验

室内成型φ101.6mm×63.5mm 大小的马歇尔试件，并将试件各分为2 组，一组置于60℃恒温水浴中30min，另一组置于60℃恒温水浴中48h，分别对2 组试件进行马歇尔试验，以恒温水浴48h 试件所测得的马歇尔稳定度除以水浴30min 试件对应的稳定度的比值（即残留稳定度）作为水稳定性评价指标[7]。试验结果见表8。

表8 浸水马歇尔试验结果Table 8 Results of immersion Marshall test

通过试验结果分析可知，五种不同沥青类型对应的残留稳定度都能满足水稳定性技术要求，但发现20% 聚氨酯的残留稳定度小于70# 基质沥青，30% 和40% 聚氨酯的残留稳定度虽然略高于70#基质沥青，但相差不大。说明聚氨酯对沥青混合料的水稳定性影响不大，甚至可能产生不利影响，实际工程应用中应考虑掺加抗剥落剂等措施改善水稳定性。

2.4.2 冻融劈裂试验

室内成型马歇尔试件，并分别将试件分为两组，一组置于25℃水中浸泡2h 后进行马歇尔试验，另一组真空饱水15min 后放于25℃水中30min，然后置于-18℃环境中16h，取出后置于60℃恒温水浴中24h，然后再放于25℃水中2h 后进行马歇尔试验[8]。以经冻融后的试件强度与未经冻融的试件强度的比值即劈裂抗拉强度比，作为水稳定性评价指标。试验结果见表9。

表9 冻融劈裂试验结果Table 9 Freeze thaw splitting test results

从表9 发现，掺聚氨酯的混合料冻融劈裂强度比都不满足技术要求，说明掺加聚氨酯不利于混合料的水稳定性。

由上文可知，尽管浸水马歇尔试验结果偏低，但其都满足技术规范要求，而冻融劈裂试验结果都不满足技术规范要求。大量研究表明，冻融劈裂试验的试验条件较为苛刻，且其试验结果更接近实际情况，因此，常常采用冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性。但由于两种试验结果不尽相同，所以对于聚氨酯改性沥青混合料的水稳定性还有待做进一步的研究。