聚氨酯改性沥青的路用性能研究与应用

薛 鹏

（山西交通科学研究院集团有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

延长沥青道路服役寿命，国内外学者对沥青结合料进行了长久的探索和研发，其中聚合物类的改性沥青得到较为广泛的应用[1]。不过，虽然聚合物改性剂能够与沥青较好地相容，均匀分散在沥青中形成网状结构，从而提高沥青的高温抗变形能力，但是聚合物改性沥青的黏度较大，施工和易性较差，并且热存储稳定性较差，这限制了其更大范围的应用[2]。

近年来[3-5]，能够与沥青发生化学反应，并较好改善沥青的性能，有较好存储稳定性的聚氨酯得到关注，但研究仍然较少，较为分散。因此，本文拟采用不同聚氨酯掺量的改性沥青对其各项性能进行测试，并对其路用性能进行综合评价。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 沥青

采用90号基质沥青作为聚氨酯改性对象，其技术性能如表1所示。

表1 基质沥青技术指标

1.1.2 聚氨酯改性剂

本文选用的聚氨酯改性剂，为褐色液体，其内部活性基团能够与沥青的部分官能团发生化学反应，形成新的官能团，故而改变沥青的性质。

1.2 聚氨酯改性沥青的制备方法

采用高速剪切机对聚氨酯改性沥青进行制备，制备过程改性沥青不应发生老化，保证沥青受热均匀，成品聚氨酯改性沥青应足够均匀。制备过程如下：a）将基质沥青加热至140℃，按比例加入一定量的聚氨酯改性剂，用玻璃棒均匀搅拌；b）将剪切机调整为3 000 r/min持续剪切90 min；c）将剪切完成的沥青，放入烘箱中溶胀发育30 min。

1.3 聚氨酯改性沥青试验方案

本文选择的聚氨酯掺量分别为0%、2%、3%、4%，对改性后沥青进行三大指标试验，黏度试验、热存储稳定性试验、DSR流变试验，综合以上评价沥青的改性效果。

2 试验结果和分析

2.1 基本指标

在相同的试验条件下对不同高黏剂掺量的改性沥青进行技术性能测试，其中沥青针入度试验温度为25℃，荷重100 g，贯入时间5 s，软化点试验温度误差不超过 2℃，延度试验温度为 5℃，拉伸速度为5 cm/min±0.25 cm/min，通过测试聚氨酯改性沥青的基本性能如图1～图3所示。

图1 针入度

图2 软化点曲线

图3 5℃延度

由图1可知，随着聚氨酯改性剂掺量的提高，沥青25℃针入度逐渐下降，且变化幅度有明显减缓趋势。当改性剂掺量从0%提高到2%时，沥青针入度变化高达22.5（0.1 mm），这说明聚氨酯的添加可以降低沥青的稠度，提升沥青抗变形能力。当聚氨酯掺量由3%增大到4%时，其针入度值只减小了4.3（0.1 mm），改性效果放缓。

通过图2可以看到，聚氨酯对沥青的软化点有所提升，这说明聚氨酯可以提高沥青的高温性能，但在有限的改性剂掺量范围内提升幅度并不是很大。

由图3可知，聚氨酯的添加使得沥青的低温延度有所减小，减小幅度由快变慢，当掺量为4%时，沥青5℃延度只有6.0 cm，相对于传统的改性沥青要低很多。

从基本性能来看，聚氨酯改性剂的添加能够提高沥青的高温稳定性能，且改性效果在前期表现更为明显。

2.2 135℃的布氏旋转黏度

为了保证改性后的沥青能够满足施工和易性的需要，采用布洛克菲尔德黏度剂旋转法测试沥青在45℃以上的表观黏度，以Pa·s计，根据试验测定的聚氨酯改性沥青在135℃的旋转黏度结果如图4所示。

图4 135℃旋转黏度

由图4可以看到，聚氨酯掺量由0%提高到4%，改性后的沥青黏度提高，但是最大值也只有0.983 Pa·s，远远小于规范要求的3 Pa·s，这说明聚氨酯改性沥青有较好的和易性，能够保证施工拌和、压实的顺利。

2.3 热存储稳定性

相比较其他聚合物改性，聚氨酯不仅有物理改性，还有化学反应，因此其热存储稳定性应是优势之一。采取软化点差值衡量聚氨酯改性沥青的热存储稳定性，选取改性剂掺量中值3%的聚氨酯改性沥青，试验的加热时间为4 h、8 h、16 h、24 h。试验结果如表2所示。

表2 聚氨酯改性沥青技术指标

从软化点差值来看，聚氨酯改性沥青表现得并不稳定，有一定波动，但整体趋势明显。在热存储的早期，沥青的软化点差值较大，随着存储时间越长，软化点差值越小。分析其原因在于，聚氨酯与基质沥青在存储早期仍然存在一定的反应，这使得热存储一段时间后沥青表现出的技术性能有些许差异。从数值来看4 h的存储时间，软化点差值只有0.56，满足施工技术规范对于软化点差值小于2.5℃的要求，说明聚氨酯与沥青有较好的相容性，在沥青的存储、运输中不会发生聚合物离析，有较好的稳定性。

2.3 动态剪切流变试验（DSR）

沥青作为一种复杂的黏弹性材料，其技术性能对温度敏感性较高，往往随着温度的变化而表现出较大的改变，为了更好地了解荷载、温度对聚氨酯改性沥青的影响，本文采用动态剪切流变试验（Dynamic Shear Rheological Test）准确反应沥青的流变特性。试验采用温度扫描模式，测试不同温度下的聚氨酯改性沥青的复数模量G*、相位角δ。试样直径为25 mm，厚度为2 mm，应变值γ设定为12%，频率ω为10 rad/s，温度区间设定为40℃～80℃，试验结果如图5和图6所示。

图5 相位角曲线

图6 复数模量曲线

相位角[6]反映材料中黏性和弹性的成分比例，相位角大，则材料中的黏性成分高。由图5可知，随着温度的提高，基质沥青和聚氨酯改性沥青的相位角都相应提高，两者呈线性增长关系，这是沥青在高温下，内部分子间作用力下降，高分子链段的柔性提高，沥青黏度增加。从聚氨酯的添加来看，掺量越大，其相位角越小，分析其原因在于聚氨酯中存在的成分与沥青发生了物理或者化学反应，使得沥青内部结构得到加固，高分子链段不断生成，从而表现出更高的弹性。从不同聚氨酯掺量的相位角改性幅度来看，较为均匀平缓。

复数模量[7-8]可以表征沥青抵抗重复剪切应力变形的能力。由图6可见，聚氨酯改性剂的添加使得沥青的复数模量指标提升巨大，沥青的抗剪切能力提升明显。可以看到，当聚氨酯掺量为2%时，改性沥青的复数模量相比基质沥青有了巨大提升，这说明聚氨酯的抗剪切变形能力改性效果较好，但从不同掺量的改性沥青的复数模量大小来看，当改性剂掺量从2%提高到4%，沥青的复数模量提升幅度逐渐减小，这说明改性剂的改性效果逐渐减缓。随着温度的提高，沥青的复数模量减小，多个温度下沥青复数模量均表现出较高的数值，这说明聚氨酯改性沥青的抗高温变形能力良好。

3 工程应用

选用聚氨酯掺量为3%的改性沥青混合料铺筑试验路段，试验路段铺设宽11.75 m，总长300 m，桩号为K10＋510—K10＋810。通过对该路段取样，对路面高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性等指标进行了室内试验检测，试验结果如表3所示。

表3 聚氨酯改性沥青路面技术性能

结果显示，聚氨酯改性沥青混合料在施工运输中稳定性高，各项指标均满足路面设计要求。工程应用较为成功，不过聚氨酯改性沥青路面的水稳定性表现一般，基本满足不小于80%的残留稳定度要求，建议可以添加抗剥落剂以提高沥青混合料抗水损坏能力。

4 结语

a）选用90号基质沥青与聚氨酯改性剂，通过高速剪切制备聚氨酯改性沥青，三大指标表明聚氨酯改性沥青高温性能提高，但低温延度下降。

b）从135℃的布氏旋转黏度来看，2%～4%掺量的聚氨酯改性沥青均小于规范要求的3 Pa·s，这说明聚氨酯改性沥青有较好的和易性，能够保证施工的拌和、压实顺利。

c）热存储稳定性来看，改性的聚氨酯改性沥青软化点差值均满足规范小于2.5℃的要求，这说明聚氨酯能与沥青有较好的相容性，在沥青的存储、运输中不会发生聚合物离析，有较好的稳定性。

d）DSR试验表明，聚氨酯改性剂中多种成分与沥青发生物理以及化学反应，沥青内部形成稳定的网络状结构，弹性成分提高，表现出相位角减小，复数模量明显提升，沥青的高温稳定性和抗剪切变形能力得到提升。