沥青面层聚氨酯修复材料与修复实验研究

2024-03-21赵光海

化学工程师 2024年2期

赵光海

（西安长安大学工程设计研究院有限公司，陕西西安 710064）

截止2022 年底，我国交通运输网络总里程达到600 万km，其中公路通车里程达到535 万km，比2021 年增加了6.93 万km，公路密度达到55.73km/100km2[1，2]。2022 年，我国公路养护里程数达到535.01 万km，达到公路里程数的100%以上，在路面方面，沥青混凝土路面占比超过九成[3，4]。因此，沥青混凝土路面的病害、养护和修复等是公路研究的重点之一，路面裂缝属于我国公路路面常见的早期病害，目前，多采用高分子材料进行路面裂缝修复[5-7]，在此方面，学者们也开展了大量的研究工作，罗京[8]综合考虑黏结性和抗滑性能提出了一种高分子路面修复材料，并开展了路用性能测试，确定了材料的最终配比；颜鲁春等[9]提出了在甲醛/尿素等材料中加入碳纳米管制备胶囊材料，可以有效进行沥青混凝土路面微小病害的自修复；郝肖雨等[10]制备了水性环氧树脂、乳化沥青和水泥基胶凝材料相结合的沥青混凝土路面修复材料，并通过化学成分分析、矿物成分分析等微观手段测试了材料的路用性能；李梦杰[11]制备了适用于沥青混凝土路面修复的聚合物胶凝材料，并开展了抗压强度、抗拉强度等宏观力学性能测试。基于前人的研究成果，本文制备了适用于沥青面层修复的聚氨酯修复材料，并开展了其抗压强度、耐老化性、水稳定性以及低温性能测试，旨在确定沥青面层修复材料的最佳聚氨酯掺量，为沥青混凝土面层修复材料的工程使用提供理论依据。

1 实验部分

1.1 实验原材料

（1）聚氨酯（西安市雁塔聚氨酯厂），主要性能指标见表1。

表1 聚氨酯的主要性能指标Tab.1 Main performance index of polyurethane

（2）环氧丙烯聚酯（西安友基复合材料有限公司），主要性能指标见表2。

表2 环氧丙烯聚酯的主要性能指标Tab.2 The main performance index of epoxy acrylic polyester

（3）促进剂（2，4-二甲基苯胺AR 西安鑫圣工贸有限责任公司）。

（4）交联剂（1，4-丁二醇AR 中国石化长城能源化工有限公司）。

（5）引发剂（过氧化苯甲酰AR 中国石化长城能源化工有限公司）。

1.2 实验材料制备

本文沥青面层聚氨酯修复材料各成分配备比例见表3。当无聚氨酯掺加时，不加入交联剂；有聚氨酯掺入时，加入一定比例的交联剂。环氧丙烯聚酯材料强度高，但韧性不足，聚氨酯的掺入旨在改善沥青面层修复材料的韧性。其制备方法是向定量稀释后的环氧丙烯酸酯溶液中依次加入相应比例（如表3）的聚氨酯、交联剂、促进剂以及引发剂，然后再使用机械进行充分搅拌。

表3 实验材料配备比例表（%）Tab.3 Proportion table of test materials（%）

1.3 实验内容及仪器

1.3.1 聚氨酯修复材料抗压及耐老化性能测试参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用TG09/GM/101-3EBN 型恒温烘箱（东方化玻科技有限公司）和SHK-A105 型万能材料试验机（苏州检卓仪器科技有限公司）对聚氨酯修复材料进行常温抗压强度及高温抗拉强度测试。

1.3.2 修复后沥青面层水稳定性及低温性能测试首先对标准沥青混合料马歇尔试件和棱柱体小梁试件进行切割，模拟沥青面层裂缝，然后采用聚氨酯修复材料对切割后的马歇尔试件和棱柱体小梁试件进行修复，修复后分别采用LWD-3 型马歇尔稳定度测定仪（河北科标试验仪器有限公司）和SHK-A105型万能材料试验机（苏州检卓仪器科技有限公司）对其进行马歇尔稳定度和三点弯曲测试。

2 结果与讨论

2.1 力学性能分析

2.1.1 抗压性能沥青面层聚氨酯修复材料抗压强度随聚氨酯掺比的变化见图1。

图1 聚氨酯掺比量对沥青面层聚氨酯修复材料抗压强度的影响Fig.1 Effect of polyurethane content on the compressive strength of polyurethane repairing materials for asphalt surface layer

由图1 可见，不掺聚氨酯材料时，纯环氧丙烯酸酯修复材料的抗压强度为50.6MPa；而掺入8%、16%、24%、32%和40%的聚氨酯后，聚氨酯与环氧丙烯酸酯组成的沥青面层修复材料抗压强度就变为49.8、48.2、46.4、45.1 和43.5MPa，比不掺聚氨酯时分别减小了1.6%、4.7%、8.3%、10.9%和14.0%。可见，随着聚氨酯掺比的增大，沥青面层修复材料抗压强度呈近似线性减小关系：聚氨酯掺比每增加10%，其值就减小约1.8MPa。由于修复材料抗压强度太高就会与待修复的路面形成明显刚度差，导致修复后路面存在再次破坏的风险，因此，建议沥青面层修复材料中聚氨酯掺比不宜小于16%。

2.1.2 耐老化性能老化温度为48℃时，不同老化处理时间下沥青面层聚氨酯修复材料抗拉强度随聚氨酯掺比变化见图2。

图2 聚氨酯掺比量对沥青面层聚氨酯修复材料抗拉强度的影响Fig.2 Effect of polyurethane content on the tensile strength of polyurethane repairing materials for asphalt surface layer

由图2 可见，无老化条件下，聚氨酯掺比为0、8%、16%、24%、32%和40%时，聚氨酯与环氧丙烯酸酯组成的沥青面层修复材料抗拉强度分别为37.9、37.2、35.8、34.6、32.7 和27.7MPa。老化处理时间为7d 条件下，聚氨酯掺比为0、8%、16%、24%、32%和40%时，沥青面层修复材料抗拉强度分别为34.5、34.2、33.3、32.5、30.8 和26.3MPa；比无老化条件下分别降低了9.0%、8.1%、7.0%、6.1%、5.9%和5.1%。老化处理时间为28d 条件下，聚氨酯掺比为0、8%、16%、24%、32%和40%时，沥青面层修复材料抗拉强度分别为24.8、24.5、24、23.2、22.7 和20.2MPa；比无老化条件下分别降低了34.6%、34.1%、33.0%、32.9%、30.6%和27.1%。可见，同一老化处理时间下，虽然随着聚氨酯掺比的增大，沥青面层修复材料抗拉强度整体上仍呈现逐渐减小的趋势；但老化时间越长，聚氨酯掺比越大的沥青面层修复材料的抗拉强度降低幅度就越小。因此，在环氧丙烯酸酯掺入一定比例的聚氨酯能够提高沥青面层修复材料的抗老化性能。

2.2 沥青面层聚氨酯修复材料修复效果分析

2.2.1 水稳定性采用聚氨酯与环氧丙烯酸酯组成的修复材料对沥青面层进行修复后，浸水前后修复面层马歇尔稳定度随聚氨酯掺比的变化见图3、4。

图3 聚氨酯掺比量对沥青修复面层马歇尔稳定度的影响Fig.3 Effect of polyurethane content on Marshall stability of asphalt repairing surface layer

由图3 可见，聚氨酯掺比为0、8%、16%、24%、32%和40%时，采用修复材料进行修复后的沥青面层马歇尔稳定度在浸水前分别为6.7、7.8、8.6、9.1、9.4 和9.5kN，在浸水后则变为5.2、6.2、7.3、8.0、8.1和7.9kN。可见，随着聚氨酯掺比的增大，由聚氨酯与环氧丙烯酸酯组成的修复材料对沥青面层浸水前马歇尔稳定度修复效果呈现逐渐上升的变化趋势，而对沥青面层浸水后马歇尔稳定度修复效果则呈现先升后减的变化趋势。结合图4 可知，当聚氨酯掺比为24%时，采用修复材料进行修复后的沥青面层残留稳定度最高，为87.9%，比不掺聚氨酯条件下提高了10%，说明在环氧丙烯酸酯掺入聚氨酯材料能够明显提高修复面层的耐水损坏性能。

图4 聚氨酯掺比量对沥青修复面层浸水残留稳定度的影响Fig.4 Effect of polyurethane content on the residual stability of asphalt repairing surface after immersion in water

2.2.2 低温性能采用聚氨酯与环氧丙烯酸酯组成的修复材料对沥青面层进行修复后，修复面层低温抗弯拉强度和破坏劲度模量的变化见图5、6。

图5 聚氨酯掺比量对沥青修复面层抗弯拉强度的影响Fig.5 Effect of polyurethane content on flexural tensile strength of asphalt repairing surface layer

图6 聚氨酯掺比量对沥青修复面层破坏劲度模量的影响Fig.6 Effect of polyurethane content on the failure stiffness modulus of asphalt repairing surface

由图5、6 可见，聚氨酯掺比为0、8%、16%、24%、32%和40%时，采用修复材料进行修复后的沥青面层低温（-10℃）抗弯拉强度分别为4.5、5.6、6.4、6.6、6.7 和6.8MPa；而破坏劲度模量则分别为1.078、1.330、1.580、1.765、1.881 和1.952GPa。可见，聚氨酯掺比越大，由聚氨酯与环氧丙烯酸酯组成的修复材料对沥青面层低温抗裂性能和变形协调性能的修复效果就越好，但当聚氨酯掺比超过24%后，这种修复效果提升就不十分明显。