聚氨酯改性沥青混合料的性能及应用研究

吴 琼

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原市 030032)

0 引言

普通基质沥青是传统沥青路面建设中的主要路面材料,但随着我国道路交通量持续增长、重载交通加大,传统的基质沥青混合料路面耐久性差、温度敏感性高等缺陷开始凸显开来,如何提高基质沥青的性能成为当下研究热点。聚氨酯(简称PU)是一种热固性高分子聚合物材料,具有抗老化与磨损性能强、弹性好等特点[1-2]。已有研究表明:聚氨酯改性剂的掺入可以有效提高沥青混合料的高温性能[3-5]。但目前已有研究对于PU改性沥青混合料的综合性能影响尚不完善。为了提高基质沥青混合料的综合性能,在AC-13型基质沥青混合料中掺入聚氨酯改性剂,对其综合性能进行了室内试验及工程应用研究,对于聚氨酯改性沥青混合料的推广与应用具有积极意义。

1 室内试验

1.1 试验材料

(1)沥青:选用壳牌70号基质沥青,主要性能如表1所示。

表1 基质沥青主要性能指标

(2)PU改性剂:试验所用PU改性剂由聚氨酯预聚体、扩链剂(MOCA)、稀释剂组成,其中MOCA主要为了加强聚氨酯预聚体的固化、稀释剂可以改善预聚体性能,降低改性沥青黏度增长速度,满足施工需要[6]。

稀释剂选用源邦化工材料有限公司生产的PU-10型稀释剂,预聚体、扩链剂(MOCA)均来自淄博华天橡塑科技有限公司,预聚体(H2143型)相关技术指标见表2。

表2 聚氨酯预聚体相关技术指标(H2143型)

(3)集料:选用石灰岩碎石集料,矿粉选用石灰岩粉末,性能检测结果见表3～表5。

表3 粗集料相关性能检测结果

表4 细集料相关性能检测结果

表5 矿粉相关性能检测结果

1.2 配合比设计

(1)矿料级配

选用AC-13级配,级配设计如表6所示。

表6 沥青混合料级配组成(AC-13)

(2)确定最佳油石比

初选油石比4.5%～6.5%制备试件进行马歇尔试验,根据表7试验结果分析油石比与各项指标的关系,最终得到最佳油石比为5.8%。

表7 马歇尔试验结果

1.3 试验方案

采用拉伸试验确定PU改性沥青中聚氨酯预聚体的最佳掺入量;以SBS改性、基质沥青混合料作为对照组,参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的相关试验要求,对最佳聚氨酯预聚体掺量下的PU改性沥青混合料的路用性能进行试验分析。具体试验方案见表8。

表8 室内试验方案

2 PU改性剂最佳掺量确定

2.1 扩链交联剂、稀释剂的掺量确定

扩链交联剂、稀释剂的掺量根据已有研究[7]及厂家推荐掺量,分别取基质沥青质量的10%、6%。

2.2 聚氨酯预聚体最佳掺量确定

预聚体的最佳掺量采用拉伸试验进行确定,扩链交联剂、稀释剂的掺量分别取10%、6%,初选预聚体的掺量为30%～50%,掺量以5%增加量递增,基质沥青预热(120℃～130℃)→依次加入预聚体、扩链交联剂、稀释剂高速剪切(剪切机转速2000rad/min、剪切搅拌温度120℃)。分别制备不同预聚体掺量下的PU改性沥青哑铃状试件进行拉伸试验,试验结果如图1所示。

图1 拉伸试验结果

聚氨酯预聚体最佳掺量综合考虑拉伸强度与断裂伸长率进行确定。由图1可知,拉升强度随聚氨酯预聚体掺量的增加而增加,当聚氨酯预聚体掺量由30%提升到35%时,拉伸强度得到巨大的提升,提升幅度达到93.43%,但当掺量大于35%后,拉伸强度保持稳定,略微增长;另一方面,断裂伸长率随聚氨酯预聚体掺量增加大致呈线性降低趋势,这是因为基质沥青含量随着聚氨酯预聚体掺量增加而降低,PU改性沥青的延展性由此出现降低,致使断裂伸长率逐渐降低。综合考虑上述两项指标,得到聚氨酯预聚体的最佳掺量为35%。

3 PU改性沥青混合料路用性能分析

3.1 高温稳定性

高温车辙试验结果如图2所示。

图2 车辙试验结果

由图2可知,相比于基质沥青混合料与SBS改性沥青混合料,PU改性沥青混合料的动稳定度分别提升了约180%、17%,高温稳定性能提升显著,这是因为PU改性剂掺入后与沥青发生固化反应形成了交联网状体系,由此增强了沥青胶结料的粘结力以及对集料的包裹能力,有效提升了高温性能。

3.2 低温抗裂性

小梁弯曲试验结果如表9所示。

表9 小梁弯曲试验结果

由表9可知,相比于基质沥青与SBS改性沥青混合料,PU改性沥青混合料的弯拉破坏应变分别提升了约75%、29%,展现出了优异的低温抗裂性能。这是因为PU改性剂的掺入有效提升了基质沥青的粘结强度与延展性,由此增强了混合料的低温抗裂性能。

3.3 水稳定性

水稳定性能试验结果如图3所示。

图3 浸水马歇尔、冻融劈裂强度试验结果

由图3可知,一方面,在基质沥青混合料中掺入PU改性剂后,残留稳定度与冻融劈裂强度比均得到了一定的提升,分别提升了约9%、2%,抗水损害能力得到了有效提升;另一方面,PU改性沥青混合料与SBS改性沥青混合料两者的水稳定性能相差不大。分析水稳定性能提升的原因可知:PU改性剂有效提升了沥青胶结料的粘结力以及对集料的包裹能力,可以降低水分对集料的剥离作用,从而提升水稳定性能。

4 工程应用

4.1 工程概况

某新建连续刚构桥,作为新建高速公路的重要节点,桥面铺装上面层采用PU改性沥青混合料(AC-13)。施工现场,桥面上面层铺装所用材料与配合比设计均与室内试验一致,施工现场所用预聚体、扩链剂(MOCA)、稀释剂的掺量分别取35%、10%、6%,最佳油石比为5.8%。

4.2 施工要点

(1)温度控制

各施工流程中,温度控制标准参照表10进行。

表10 混合料温度控制标准

(2)拌合

施工现场拌合料的投料顺序与技术要点如下:集料加热→集料干拌(时间5s)→喷入基质沥青,同时人工投放PU改性剂(依次投入预聚体、扩链剂、稀释剂)→湿拌(55s)→出料。

(3)摊铺

现场摊铺系数1.18,采用单机进行摊铺,速度宜控制在2～2.5m/min,连续、均匀进行摊铺。

(4)碾压

碾压过程应注意如表11所示施工要点。

表11 碾压技术要求

4.3 检测及评价

该新建刚构桥桥面铺装施工完成并通车的3年内经历了不利的高温及冻融循环天气,且车流量大、重载交通多。对该桥面铺装进行了为期3年的长期观测,观测结果表明:采用PU改性沥青混合料作为桥面铺装后,路面平整度好,长期路用性能优异,未出现轮迹、裂纹等病害,实际应用效果优异。

5 结论

(1)在基质沥青混合料中掺入一定量聚氨酯改性剂后,高低温性能得到了显著提升,动稳定度、最大弯拉应变分别提升了约180%、75%。

(2)PU改性沥青混合料水稳定性能显著优于基质沥青混合料,与SBS改性沥青混合料相差不大。

(3)建议 H2143型聚氨酯预聚体的最佳掺量取35%。

(4)PU改性沥青混合料在桥面铺装实际应用中,展现出了优异的长期路用性能,路面平整度好,未出现轮迹、裂纹等病害,具备推广价值。