聚氨酯-石灰石粉复合改性沥青抗高温性能试验研究

2022-11-17李卫宁王富强

西部交通科技 2022年9期

李卫宁，王富强，邓君

(广西交通职业技术学院，广西南宁 530023)

0 引言

沥青混合料面层在夏季高温环境中长期承受重载车辆荷载的反复作用，导致网络骨架结构失稳直至破坏，沥青混合料面层产生永久变形[1]。永久变形是沥青混合料面层产生车辙坑槽病害的主要原因之一[2]。提高沥青混合料性能尤其是改善其抗高温性能非常重要，可提高其抵抗永久变形的能力，有效消除车辙、坑槽等病害的产生[3]。

研究表明，选用聚氨酯(PU)作为化学改性剂掺入道路石油沥青，产生化学反应后能改变沥青结构并生成新基团，从而降低沥青温度敏感性和改善存储稳定性，提高沥青的抗车辙能力和抗高温性能，但提升程度有限[4]。如果只是单独掺入PU进行改性，不能有效改善沥青混合料的综合性能，相比之下，掺入两种以上材料的复合改性技术具有更显著的优势，可有效提升沥青的各项性能。

沥青混合料中掺入石灰石粉(LF)作为填料，可增加混合物的密度从而提升其力学稳定性能，在我国工程实践中得到了广泛认可[5]。本文选用LF作为填料，利用复合改性技术制备聚氨酯-石灰石粉复合改性沥青，进行多应力蠕变恢复试验，与单掺PU试验结果进行对比，研究合成的聚氨酯-石灰石粉复合改性沥青在中高温环境中的不可恢复蠕变柔量Jnr，旨在研究其在中高温下的抗高温性能，为以后的实际工程和进一步的理论研究提供参考。

1 试验材料及试验方案

1.1 试验材料

(1)基质沥青(BA)：采用中石油70#A沥青，其性能指标如表1所示。

表1 基质沥青的性能指标表

(2)聚氨酯(PU)：采用PU预聚体多元醇与异氰酸酯分步对基质沥青进行改性，多元醇为聚丙二醇分子结构中的R-N=C=O，含量为30.5%，羟值≥180 mg KOH/g。常温下固体颜色灰白，熔化后为透明液体，为西安某科技有限公司生产。

(3)石灰石粉(LF)：本试验的填料选择了目前国内常用的LF，填料的细度经过筛析，均<75μm。表2列出了石灰石粉填料的化学成分。

表2 石灰石粉填料的化学成分含量表(%)

1.2 制备

(1)PU改性沥青：基质沥青中单一掺入PU。基质沥青预热至150 ℃并且完全融化，在高速剪切仪中高速搅拌10 min，随后将预热至90 ℃的PU掺入其中，继续搅拌10 min，制得PU改性沥青。PU掺量为基质沥青总质量的3%、5%和7%。

(2)PU-LF复合改性沥青：PU改性沥青与LF复掺。基质沥青预热至150 ℃并且完全融化，掺入石灰石粉(LF)作为填料进行混合，粉胶比为1.0。在高速剪切仪中搅拌45 min后，按沥青总质量的3%、5%和7%分别掺入聚氨酯预聚体，搅拌反应60 min后，将其放入120 ℃的烘箱中。24 h后取出制样进行性能测试。

1.3 多应力蠕变恢复试验(MSCR)方案

采用AR1500ex型动态剪切流变仪进行多应力蠕变恢复试验(MSCR)，制备PU改性沥青和PU-LF复合改性沥青试样，分别为BA、BA+3%PU、BA+5%PU、BA+7%PU、BA+LF、BA+LF+3%PU、BA+LF+5%PU和BA+7%PU+LF。对比分析PU改性沥青与PU-LF复合改性沥青的试验结果，评价PU-LF复合改性沥青高温抗车辙性能。

MSCR试验设置转子直径为25 mm，间隙为1 mm，先后在0.1 kPa和3.2 kPa剪切应力控制模式下进行加载，即进行1 s水平加载后卸载9 s，并确保两个步骤连贯不间歇。先在0.1 kPa的应力水平重复加载10个周期，然后在3.2 kPa的应力水平下重复加载10个周期，共计20个周期。前10个周期用于调整试件，数据不予采纳。后10个周期蠕变恢复周期内的平均不可恢复蠕变柔量值分别表示为Jnr，0.1和Jnr，3.2。

Jnr越小，说明黏性流动变形(残余变形)越小，沥青胶浆在高温下抵抗变形的能力越强，抗高温性能越好，反之，则抗高温性能差。

2 试验结果与分析

2.1 不可恢复蠕变柔量Jnr的评价

如图1所示为沥青试样在0.1 kPa和3.2 kPa两种剪切应力作用下的不可恢复蠕变柔量Jnr，0.1、Jnr，3.2。从图1可知，Jnr值变化规律基本一致，均随PU掺量增加而降低，随温度的升高其降低趋势增强。温度升高导致沥青试样抗高温性能下降，而增加PU掺量可提高其抗高温性能；温度越高，各掺量改性沥青的Jnr和BA之间的差值也越大，表明其在高温环境中具有显著的抗高温性能；相同温度对应的Jnr随PU掺量增加而减小，与BA的差值也逐渐增大，表明掺入PU能有效改善沥青高温抗永久变形能力；应力从0.1 kPa增大到3.2 kPa时，Jnr值增大，这与实际沥青混凝土路面上较大的轴载会产生较大的车辙深度相符合。

同等温度和掺量情况下，单掺PU的Jnr为PU-LF复合的近50倍左右。58 ℃和64 ℃单掺PU或PU-LF复合掺量为3%和5%的Jnr变化不大，当掺量增加为7%降低趋势显著。70 ℃下掺量由3%增加到5%和7%时，单掺PU较PU-LF复合的Jnr降低趋势显著，说明PU改性沥青中加入LF后增强了抵抗变形的能力，提高了抗高温性能。PU掺量由3%增加到5%和7%时，单掺PU的Jnr减小幅度较复掺显著；而PU-LF复合改性沥青的Jnr减小幅度很小。单掺PU时，通过增加PU掺量可有效提高沥青试样的抗高温性能；而PU-LF复合改性沥青对PU掺量不敏感，说明增加PU掺量对其抗高温性能增效是有限的。与基质沥青相比，改性沥青的Jnr值从小到大排序为PU-LF复合

(a)0.1 kPa剪切应力下

(b)3.2 kPa剪切应力下

(d)3.2 kPa剪切应力下

2.2 不可恢复蠕变柔量随应力变化率Jnr，diff的评价

本文采用不可恢复蠕变柔量随应力变化率Jnr，diff评价沥青试样对蠕变应力的敏感性。计算公式如下：

Jnr，diff=[(Jnr，3.2 kPa-Jnr，0.1 kPa)/Jnr，0.1 kPa]×100

(1)

式中：Jnr，diff——不可恢复蠕变柔量随应力变化率；

Jnr，0.1 kPa和Jnr，3.2 kPa——在0.1 kPa和3.2 kPa剪切应力下的平均不可恢复蠕变柔量值。

Jnr，diff越大，说明在应力作用下会产生较大影响，敏感性强，稳定性差。

(a)单掺PU的Jnr，diff

(b)PU-LF复合的Jnr，diff

如图2所示，随着PU掺量增大和温度的升高，不可恢复蠕变柔量差Jnr，diff总体上呈现上下波动的变化规律，而并非是单一变化趋势。沥青试样的Jnr，diff值相差较大，这说明PU-LF复合改性沥青表现出较强的应力敏感性，特别是PU掺量对应力敏感性影响较大。PU掺量增大其抗变形能力降低，稳定性较差。单掺PU的Jnr，diff敏感性高，PU-LF复合的Jnr，diff值显著减小。表明采用复合改性技术后的PU-LF复合改性沥青，应力敏感性明显降低，抗变形能力提高。