新型聚氨酯沥青冷补混合料性能研究

2023-11-11刘林林晏应李靖

聚氨酯工业 2023年5期

刘林林晏应李靖

(江苏现代路桥有限责任公司江苏省高速公路绿色养护工程技术研究中心江苏南京 210018)

沥青路面是我国高速公路、国省干线公路重要的路面形式，在长期使用过程中承受着交通荷载、周围环境的影响，难以避免地出现松散、坑槽、剥落等病害，降低了道路的通行服务能力，因此需要及时修补来保障道路的正常使用功能。沥青路面坑槽修补材料大多采用溶剂挥发型冷补混合料，工程应用中存在许多问题:(1)强度形成缓慢，早期强度低，抗水损害性能差；(2)使用其修补坑槽后经车辆荷载不断碾压，易产生二次病害，耐久性较差[1-4]。

溶剂型冷补混合料中含有柴油等稀释剂，其强度的形成主要依靠稀释剂的挥发，而稀释剂挥发完全需要7～10 d，在溶剂挥发期间沥青性能没有完全恢复到原有性能，沥青与集料的粘结力易受到雨水的破坏。另外，溶剂型冷补料大多选择LB 型级配，LB 型混合料级配属于骨架空隙结构，虽然较大的空隙有利于溶剂的挥发，但是其抗水损害性能较差。而AC 型混合料级配属于悬浮密实结构，具有较好的水稳定性能。单组分湿固化聚氨酯在有水的环境下能够快速反应固化，具有拉伸强度高、断裂伸长率大、弹性好等特点。本研究突破溶剂型冷补混合料的技术思路，采用国产聚氨酯预聚体作为胶结料，选择AC 型和LB 型级配制备聚氨酯冷补混合料，通过室内试验开展聚氨酯冷补混合料路用性能研究。研究成果为聚氨酯改性沥青、聚氨酯冷补混合料的推广应用奠定基础[5]。

1 实验部分

1.1 主要原料和仪器设备

70＃基质沥青，江苏宝利国际投资股份有限公司；0＃柴油，中国石油化工集团有限公司；聚氨酯预聚体(指标见表1)，河北铧睿发体育设施工程有限公司；水固化冷补混合料成品，日本某公司产品；溶剂型冷补混合料成品，山东众鑫工程材料有限公司；玄武岩碎石(粒径为0 ～3 mm、5 ～10 mm、10 ～15 mm)、填料(石灰岩磨细矿粉)，卓矿(山东)市政建设有限公司。沥青、矿料技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求[6-8]。

表1 聚氨酯预聚体技术指标

STJB 型强劲分散机，莱州市胜龙化工机械有限公司；BH-20 型智能全自动混合料搅拌机，上海盛世慧科检测设备有限公司；HYCX-3 沥青混合料车辙试样成型机，河北广惠试验仪器有限公司；全自动沥青车辙试验机，河北博圣嘉仪器设备有限公司；DF-5型沥青混合料稳定度测定仪，南京东永神富科技有限公司；LHPL-6 型沥青混合料低温弯曲试验测试系统，沧州昌志建筑仪器有限公司。

1.2 聚氨酯冷补混合料制备

将矿料在105 ℃烘箱中保温4 h 以上，保证矿料干燥无水，将烘干的矿料在拌锅中干拌30 s，然后加入适量聚氨酯胶结料在拌锅中常温下搅拌180 s，制得聚氨酯冷补混合料，出料温度不高于80 ℃，密封保存备用。通过室内配合比设计，得到的采用聚氨酯分别制备的冷补混合料AC-13(A1)和LB-13(A2)的最佳油石比分别为0.07(7%，单组分聚氨酯预聚体含量相对于100%矿料质量，下同)和0.062(6.2%)。

1.3 聚氨酯改性沥青冷补混合料制备

首先在70＃基质沥青中加入适量0＃柴油，在120 ℃下搅拌30 min，其次加入适量聚氨酯，搅拌30 min 后得到聚氨酯改性沥青，在80 ℃下保温备用。然后将聚氨酯改性沥青和矿料在拌锅中进行搅拌180 s，出料温度不高于80 ℃，最后制得聚氨酯改性沥青冷补混合料，密封保存备用[9-11]。通过室内配合比设计，得到采用聚氨酯改性沥青分别制备的冷补混合料AC-13(B1)和LB-13(B2)的最佳油石比分别为0.062(6.2%，聚氨酯改性沥青含量相对于100%矿料质量，下同)和0.055(5.5%)。

1.4 分析测试

初始强度:取冷补混合料1 200 g 装入试模中，用马歇尔击实仪击实试件正反双面各75 次，室温30 ℃下养生3 h，接着脱模后25 ℃恒温水箱水浴30 min，再取出测其稳定度。

成型强度:取冷补混合料1 200 g 装入试模中，采用二次击实方法，用马歇尔击实仪双面击实50次，连同试模一起以竖立放置方式于60 ℃烘箱中养生48 h，取出后再双面击实25 次，再连同试模竖立放置于室温24 h 后脱模，在60 ℃恒温水槽中养生30 min 后进行马歇尔稳定度试验。

高温抗车辙性能:采用车辙成型机成型车辙板试件，先在一个方向碾压2 个往返，再调转方向碾压8 个往返，然后将车辙板于60 ℃烘箱中养生48 h，取出后再碾压4 个往返。按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行测试，试验温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa。

抗水损害性能:按照成型强度试验方法成型马歇尔试件，对于浸水残留稳定度试验，二次击实次数为双面(50＋25)次；对于冻融劈裂试验，二次击实次数为双面(35＋15)次。按照JTG E20—2011 进行测试，试验温度为25 ℃，加载速率为50 mm/min。

低温抗裂性能:按照高温性能测试方法成型车辙板试件，然后按照JTG E20—2011 切割小梁，对小梁试件采用低温弯曲试验机按照JTG E20—2011 进行测试，试验温度为(-10±0.5)℃，加载速率为50 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

冷补混合料用于沥青路面的修补，在形成最终强度的过程中，必须有足够强度能够承受交通荷载的作用，这就要求冷补混合料具有较好的力学性能[12]。不同冷补混合料试验结果对比如下表2 所示。

表2 不同冷补混合料的初始强度和成型强度试验结果

表2 结果显示，采用聚氨酯改性沥青制备的冷补混合料AC-13(B1)和LB-13(B2)的初始强度较采用聚氨酯预聚体制备的冷补混合料AC-13(A1)和LB-13(A2)分别提高37.8%和21.4%；而采用聚氨酯预聚体制备的冷补混合料AC-13(A1)和LB-13(A2)的成型强度较采用聚氨酯改性沥青制备的冷补混合料AC-13(B1)和LB-13(B2)分别提高11.7%和36.1%。冷补混合料AC-13 的初始强度和成型强度均比LB-13、日本水固化冷补混合料、溶剂型冷补混合料的大，溶剂型冷补混合料的初始和成型强度最小。表明AC 型冷补混合料相比日本水固化冷补混合料、溶剂型冷补混合料具有优异的力学性能。

2.2 高温抗车辙性能

冷补混合料在交通荷载作用下需承受较大的压应力和剪应力，这就要求其具有较优的高温抗车辙能力，以免出现剪切破坏[11-12]。采用修正的车辙成型方法成型车辙板，采用车辙试验评价冷补混合料的耐60 ℃高温性能，试验结果如表3 所示。

表3 不同冷补混合料的车辙试验结果

由表3 可知，采用聚氨酯预聚体制备的冷补混合料AC-13(A1)和LB-13(A2)的动稳定度较采用聚氨酯改性沥青制备的冷补混合料AC-13(B1)和LB-13(B2)分别提高130.7%和102.6%。这是由于在测试期内，聚氨酯改性沥青中的柴油溶剂未挥发完全，沥青性能未完全恢复到原有性能，导致聚氨酯改性沥青未固化完全。 AC-13 冷补混合料的动稳定度总体上比LB-13、日本水固化冷补混合料、溶剂型冷补混合料的高，溶剂型冷补混合料的动稳定度最小。表明AC 型冷补混合料具有优异的耐60 ℃高温性能，且聚氨酯制备的冷补混合料高温性能最优。

2.3 抗水损害性能

由于溶剂型冷补混合料最终强度形成时间一般需要7～10 d，在行车过程中必须承受雨水的考验，因此要求冷补混合料具有较优的水稳定性能[11-12]。按照1.2 和1.3 节的方法制备冷补混合料，再按照1.4节测试方法进行浸水残留稳定度和冻融劈裂试验，试验结果如表4 所示。

表4 不同冷补混合料的残留稳定度和冻融劈裂试验结果

残留稳定度比指将沥青混合料试件模拟路面的水损害条件后测得的稳定度的比值(以%表示)。冻融劈裂强度比是指沥青混合料试件经冻融循环后，在受到水损害前后测得劈裂破坏的强度比值(以%表示)。残留稳定度比越大，冻融劈裂强度比越大，反映试件受水损害后的破坏程度相对较轻，也即沥青混合料的水稳定性越好。

表4 结果显示，采用聚氨酯预聚体制备的AC-13(A1)冷补混合料的残留稳定度比和冻融劈裂强度比较采用聚氨酯改性沥青制备的AC-13(B1)分别提高1.3%、4.3%。采用聚氨酯预聚体制备的LB-13(A2)冷补混合料的残留稳定度比和冻融劈裂强度比较采用聚氨酯改性沥青制备的LB-13(B2)冷补混合料分别提高4.7%、2.4%。 AC-13 冷补混合料的残留稳定度比和冻融劈裂强度比均比LB-13、日本水固化冷补混合料、市售溶剂型冷补混合料的大，溶剂型冷补混合料的残留稳定度比和冻融劈裂强度比最小。表明采用聚氨酯预聚体和聚氨酯改性沥青制备的AC 型冷补混合料具有优异的水稳定性能。

2.4 低温抗裂性能

由于沥青路面材料在低温时具有脆性，在荷载作用下易发生开裂，为了避免对下承层的损坏，要求冷补混合料在-10 ℃低温下具有较好的抗开裂性能[11-12]。试验结果如表5 所示。

表5 不同冷补混合料的低温弯曲试验结果

表5 结果显示，采用聚氨酯预聚体制备的冷补混合料AC-13(A1)和LB-13(A2)低温最大破坏应变相比于采用聚氨酯改性沥青制备的冷补混合料AC-13(B1)和LB-13(B2)分别提高39.6%和29.1%。采用聚氨酯预聚体制备的AC-13(A1)和LB-13(A2)的低温破坏应变均比日本水固化冷补混合料、市售溶剂型冷补混合料的较大，溶剂型冷补混合料的低温破坏应变最小。表明AC 型冷补混合料具有优异的低温性能，并且采用聚氨酯预聚体和聚氨酯改性沥青制备的冷补混合料低温性能均较优。