聚氨酯对沥青混合料路用性能的改善效果研究

杨 嘉 叶 维 董 越

（1.重庆沪渝高速公路有限公司，重庆 401147；2.重庆渝黔高速公路有限公司，重庆 401147；3.重庆交通大学，重庆 400067；4.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400067）

0 引言

不断增长的交通压力提升了人们对道路质量的要求，尤其是对路面铺装材料性能的要求[1]。相比于传统的基质沥青，聚氨酯改性沥青混合料在抵抗车辙、弹性性能方面效果更加突出[2]。聚氨酯（PU）是新型的沥青改性剂，在合适的温度与剪切搅拌下与沥青发生固化反应使得其成为稳定的网状体系，这使得沥青感温性能衰弱，高温稳定性及低温特性得到加强[3~4]。聚氨酯与沥青的稳定体系形成的过程相对复杂，聚氨酯掺量、固化温度和养护时间等对改性沥青性能都具有一定影响。

Jia等[5]使用PU配合纳米材料有机化蒙脱土制备得到的复合改性沥青具有良好的高、低温性能，便于存放；Sheng等[6]利用PU对改性乳化沥青进行改进，在合理的掺量比例下获得的改性沥青材料在低温特性上大为提高；Zhang等[7]制备出一种适用于桥面铺装的热固性PU改性沥青，发现其综合性能良好；Jin等[8]使用PU改性岩石沥青同样获得了优异低温性能的沥青材料。本文通过高温车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验探究聚氨酯的较佳掺比，并分析聚氨酯对沥青混合料路用性能的改善效果。

1 实验材料与方法

1.1 沥青及聚氨酯

对选取的70#基质沥青进行基础性能测试，结果如表1所示。

表1 70#基质沥青技术指标

聚氨酯来源于北方某公司，半透明，密度约为1.1g/cm3，23℃断裂伸长率为295%，23℃拉伸强度为9.6MPa。

1.2 矿料

采用石灰岩矿料，其技术指标如表2、表3 和表4所示。

表2 粗集料技术指标

表3 细集料技术指标

表4 石灰岩矿粉技术指标

1.3 聚氨酯改性沥青制备

取适量的基质沥青加入锅中，加热到指定温度后，先剪切搅拌1h，然后加入聚氨酯，继续剪切搅拌1.5h，制得聚氨酯改性沥青。对相关文献进行研究[9]，聚氨酯掺量初步定为10%、20%、30%、40%，以不同掺量制得4组聚氨酯改性沥青。

1.4 级配设计

本文选用AC-13级配，设计级配如表5所示，选择级配中值。初步估计最佳油石比为5.0%，再以0.5%的差值取4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%五组油石比。采用常规的马歇尔试验，分析结果得出最佳油石比为5.1%。

表5 矿料级配

1.5 试验方法

相同油石比、矿料级配及拌和条件下，分别成型不同聚氨酯掺量（0%、10%、20%、30%、40%）的聚氨酯改性沥青混合料。按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）要求进行聚氨酯改性沥青的三大指标试验及混合料的高温车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。

2 实验结果与分析

2.1 三大指标实验

测试聚氨酯改性沥青的三大指标，试验结果如表6所示。

表6 聚氨酯改性沥青三大指标试验结果

由表6可以看出，当聚氨酯掺量提高，改性后的沥青针入度下降趋势明显，软化点上升趋势显著。由此可以判断聚氨酯改性对沥青的高温性能加强有极大帮助。

2.2 高温稳定性能

高温车辙试验是检测混合料高温稳定性能的常规方法之一，实验简便，实验结果利于分析，实验采用德国汉堡车辙仪，试验温度为60℃，试验结果如表7所示。

表7 聚氨酯改性沥青混合料车辙试验结果

从表7可以看出，在聚氨酯改性下的混合料动稳定度上升趋势明显，同时提高聚氨酯掺量也使得混合料动稳定度增加幅度变大。分析原因为：在高速剪切搅拌作用下聚氨酯分散效果良好，两者作用下形成网状结构，沥青分子链运动被遏制，使混合料变得更加稳定，在60℃的高温环境下抵抗车辙能力变强，固化反应同时也能加强整体的强度，使混合料力学性能增加。

2.3 低温抗裂性能

本文对低温抗裂性的测试选择低温小梁弯曲试验，设置试验温度为-10℃，试验结果如表8所示。

表8 聚氨酯改性沥青混合料低温小梁弯曲试验结果

从表8可以看出，混合料的弯拉应变值随着单一变量聚氨酯掺量的提高而增大，同时劲度模量不断减小。对比原始的70#基质沥青，从中可以发现40%聚氨酯用量的弯拉强度提高了67%，劲度模量降低了63%。掺入聚氨酯改性沥青混合料的低温抗裂性良好。因此，沥青的低温性能在聚氨酯改性下得到改善。

2.4 水稳定性能

本文通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来验证混合料的水稳定性能，结果如表9和表10所示。

表9 聚氨酯改性沥青混合料浸水马歇尔试验结果

表10 聚氨酯改性沥青混合料冻融劈裂试验结果

掺加聚氨酯改性后，马歇尔稳定度和劈裂强度增大。网状结构的形成使得混合料的强度加大。但分析发现冻融劈裂强度比反而有所下降，残留稳定度变化微弱，说明聚氨酯的掺入可能对混合料的水稳定性能有不利影响，这也是聚氨酯改性沥青的重点研究方向。

3 结束语

本文通过对70#基质沥青掺加10%、20%、30%、40%的聚氨酯进行改性，对比分析改性前后沥青的性能指标，软化点随着聚氨酯掺量增加而增大，针入度随着掺量增大而减小。通过对不同掺量的混合料性能试验结果对比发现，当聚氨酯掺量为40%时混合料高温性能加强最为显著，低温性能也有所加强。聚氨酯固化加强了混合料的强度，使得其高温性能加强，但水稳定性还需进一步研究改进。

随着聚氨酯的研究不断深入，越来越多种类的聚氨酯被应用到实际工程中，这使得聚氨酯改性沥青的研究被不断改进完善，效果也因为实际需求而有所区分，选择合适类型的聚氨酯会取得更加优异的效果。随着对路面要求的提高，聚氨酯改性沥青技术将来会拥有更加良好的前景。