聚氨酯改性瀝青的制備及混合料路用性能評價*

李彩霞

(陜西交通職業技術學院公路與鐵道工程學院 西安 710018)

聚氨酯改性瀝青的制備及混合料路用性能評價*

李彩霞

(陜西交通職業技術學院公路與鐵道工程學院 西安 710018)

為了驗證聚氨酯改性劑賦予基質瀝青良好的物化性能，同時探究混合料試驗的進度和試驗結果的準確性，基于選擇的原材料，分析了聚氨酯改性瀝青的制備工藝參數及其混合料養生條件，對其混合料的路用性能進行了研究.結果表明，制備聚氨酯改性瀝青時，合理的攪拌溫度與攪拌時間分別為120 ℃和10 min，該條件下聚氨酯能夠均勻地分散于基質瀝青中，且能夠與基質瀝青長時間共存，達到良好的改性效果；其混合料適宜的養生溫度和時間分別為120 ℃和48 h，此時可進行試件的測試試驗，不會影響試驗結果的準確性；聚氨酯改性瀝青混合料具有良好的高低溫性能，但水穩性能相對不足，實際使用時需要采取措施以提高其水穩性能.

聚氨酯改性瀝青；制備工藝參數；改性瀝青混合料；養生溫度；養生時間；混合料路用性能

0 引 言

基質瀝青由于其性能相對較差，不能適應特殊環境條件下對膠結料的要求，因此,常常對其進行改性，以賦予基質瀝青良好的物化性能.不同的改性劑對基質瀝青的改性效果不同，各國對改性劑的研究已經從苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物SBS、丁苯橡膠SBR等常用改性劑發展到目前的諸如環氧樹脂、聚氨酯等新型改性劑，并且對這些新型改性劑的改性效果進行了研究，取得了有價值的成果[1-5].

聚氨酯屬于熱固性高分子材料，其屬性不同于SBS,SBR改性劑，因此,聚氨酯改性瀝青的制備條件及混合料養生條件也就不同于SBS和SBR改性瀝青，有必要對其制備條件、混合料養生條件以及混合料路用性能進行研究，為實際應用提供理論支撐[6-10].目前，改性瀝青主要有直接投入法和預混法兩種制備方式.直接投入法是指在制備瀝青混合料時，直接將改性劑加入礦料中，以形成改性瀝青混合料；而預混法是指根據改性劑種類、制備設備等選用特殊的加工工藝，將改性劑與基質瀝青預先混合均勻，形成相容性和儲存穩定性良好的改性瀝青成品，以供后期使用的過程[11-12].綜合考慮研究條件和工藝復雜程度，文中選擇預混法中的機械攪拌法進行聚氨酯改性瀝青的制備，首先試驗確定了制備工藝參數及混合料養生溫度和時間，然后根據該溫度和養生時間探究了混合料的路用性能.

針對聚氨酯改性劑的特殊性，通過對其改性瀝青的制備工藝參數、混合料養生時間和路用性能的分析，能夠有效保證改性瀝青的物化性能及混合料試驗的進度和結果的準確性，同時為其工業化生產奠定良好的理論基礎，為其工程應用提供正確的理論指導.

1 試驗原材料

1.1 瀝青

試驗采用克拉瑪依石化公司生產的適用于氣候分區為1-3的A級70#基質瀝青制備聚氨酯改性瀝青，試驗前對該基質瀝青的各項性能指標進行測試，以確保基質瀝青的質量，目的是使制備的改性瀝青可最大化地發揮其優良性能.由文獻[13]中提供的試驗方法，該基質瀝青的性能測試結果見表1，據表1.該70#基質瀝青的各項性能指標均能滿足規范要求.

表1 試驗用克拉瑪依A級70#基質瀝青性能指標

1.2 聚氨酯

聚氨酯屬于樹脂類聚合物，分子結構中含有氨基甲酸酯基團(—NH—COO—)，其是一種高分子材料，由于其具有耐磨、耐老化、抗沖刷、力學強度高和低溫柔性好等優點，因此,廣泛應用于化工、電子、航空和航天等領域.聚氨酯可與瀝青發生固化反應，以賦予基質瀝青優良的物化性能，改性后的瀝青具有良好的耐候而不老化性能、高溫穩定性、抵抗塑性變形的能力及與集料良好的黏附性能，在土建行業中廣泛應用于橋面鋪裝、機場跑道、排水路面和水泥路面下封層等對材料性能要求高的場合[14].試驗選用的聚氨酯由某公司提供，具體物性指標見表2.

表2 聚氨酯各物性指標

1.3 集料

集料是瀝青混合料的重要組成部分，試驗采用玄武巖為粗集料，石灰巖為細集料，礦粉作為填料.為了保證試驗結果的準確性，對各檔集料的技術性能指標進行測試，測試結果均滿足文獻[15].

2 混合料配合比設計

2.1 礦料級配設計

試驗采用工程中常用的AC-13級配，首先采用圖解法確定各檔集料的用量，然后通過力學強度指標馬歇爾穩定度試驗和混合料體積指標等數據對用量進行優化，從而確定礦料最佳級配，最終確定的礦料級配見表3，該級配位于合理級配范圍中.

表3 礦料級配

2.2 最佳瀝青用量的確定

根據工程經驗及AC-13級配瀝青用量范圍，首先預估瀝青用量4.8%，然后對AC-13(密級配瀝青混合料)取0.5%的間隔向兩側擴展，共取5個不同的油石比(3.8%，4.3%，4.8%，5.3%，5.8%)分別成型馬歇爾試件，以及測定試件的物理力學指標，并且繪制各物理力學指標與油石比的關系曲線，依據該試驗曲線，分別確定混合料最佳瀝青用量OAC1和OAC2，最終取其平均值作為最佳混合料瀝青用量OAC=4.9%.

3 聚氨酯改性瀝青的制備

3.1 制備工藝

改性瀝青的制備可分為溶脹、剪切和發育三個微觀過程，本次試驗選用機械攪拌法制備改性瀝青，各個過程的攪拌溫度和攪拌時間對改性瀝青的性能影響很大，通常需要根據諸如環境溫度的高低以及改性劑的種類等因素確定改性瀝青的攪拌溫度和攪拌時間.由于本次試驗選用的聚氨酯為一種熱固性材料，其在溫度較高的條件下將會產生固化現象，為了成功地制備出聚氨酯改性瀝青，需要先確定出合適的攪拌溫度和攪拌時間.通過前期大量試驗的嘗試，試驗過程中主要觀察聚氨酯的溶解性和老化性，發現溫度較低時不利于聚氨酯的溶解，而溫度較高時聚氨酯產生老化，有“燒焦”現象，均不利于聚氨酯性能的發揮.最終決定先采用攪拌溫度120 ℃、攪拌時間15 min制備聚氨酯改性瀝青，然后通過試驗確定最佳的攪拌溫度和攪拌時間，其制備工藝見圖1.

圖1 聚氨酯改性瀝青制備工藝

3.2 攪拌溫度的確定

由于聚氨酯屬于熱固性高分子材料，因此,聚氨酯改性瀝青在較高溫度條件下拌合時將會發生固化，制備時，需要選擇合理的攪拌溫度，使得在該溫度下，聚氨酯能夠均勻地分散于瀝青中，同時不至于產生固化結團的現象，以保證聚氨酯改性瀝青的使用性能.不同拌和溫度下，聚氨酯改性瀝青的固化速率不同，其黏度的變化也就不同，試驗分別在120，130，140，150 ℃攪拌溫度條件下制備20%和40%兩種摻量的聚氨酯改性瀝青(攪拌時間為10 min)，制備完成后，采用布氏黏度計測定放置不同時間的黏度，通過數據分析得出合理的攪拌溫度.經測定，含20%和40%的聚氨酯不同溫度下布氏粘度隨時間的變化規律見圖2.

圖2 含20%和40%聚氨酯不同溫度下布氏黏度隨時間的變化規律

由圖2a)可知，在不同的攪拌溫度下制備含20%聚氨酯改性瀝青，時間較短時黏度均隨時間的推移而逐漸增大，溫度為120 ℃時，黏度在整個試驗過程中均緩慢增大，溫度為130，140，150 ℃條件下，粘度在到達某一時刻時出現急劇下降的現象，且130 ℃和140 ℃時下降的程度最明顯，這說明聚氨酯的固化比較嚴重，此時刻已經和瀝青分離，只有在120 ℃時聚氨酯才能與瀝青長時間共存.同時，130，140，150 ℃時曲線峰值對應的時刻依次減小，說明溫度越高，越不利于聚氨酯與瀝青的共存.

由圖2b)可知，只有在120 ℃條件下制備摻量為40%的聚氨酯改性瀝青時，其黏度隨時間的增長而增大，其他三種溫度條件下，布氏黏度在整個試驗記錄過程中均隨時間的增長而減小，這說明聚氨酯在120 ℃下在緩慢固化，能夠與瀝青共存且后期可形成一定的力學強度.在實際運用中，聚氨酯發生一定的固化反應才具有應用價值，因此，制備含量為40%的聚氨酯改性瀝青的攪拌溫度確定為120 ℃.

試驗選用的聚氨酯在常溫下為液態，但其黏度較大，試驗時發現聚氨酯和基質瀝青在低于120 ℃的條件下不易攪拌均勻，且結合以上分析，不管是制備20%或者是40%的聚氨酯改性瀝青，其攪拌溫度的合理值為120 ℃，這也說明了制備工藝中提出的攪拌溫度的正確性.

3.3 攪拌時間的確定

攪拌時間同樣是制備改性瀝青的一個重要工藝參數，由于聚氨酯具有熒光效應，故利用熒光顯微鏡觀測攪拌了一定時長的樣品，通過熒光照片觀測其攪拌均勻程度，從而確定最佳的攪拌時間.試驗在攪拌溫度為120 ℃條件下進行，攪拌速率為6 000 r/min，分別獲取了20%和40%摻量的聚氨酯改性瀝青各攪拌10，15，20 min時的熒光照片，通過熒光照片分析確定了最佳的攪拌時間.圖3～4為20%和40%摻量的聚氨酯改性瀝青熒光照片.

圖3 含20%聚氨酯改性瀝青熒光照片

圖4 含40%聚氨酯改性瀝青熒光照片

根據圖3～4，10，20 min的攪拌時間均未攪拌均勻，出現了不同程度的結團現象.攪拌10 min出現聚氨酯和基質瀝青混合不均勻是因為攪拌時間太短，不足以使二者混合均勻.而攪拌20 min出現結團現象說明攪拌時間太長，部分聚氨酯已經固化，聚成團出現在基質瀝青中.并且，較含40%聚氨酯改性瀝青，含20%聚氨酯攪拌15 min更充分，這說明如果聚氨酯用量較大，需要適當延長攪拌時間，以使介質更均勻分散.綜上，聚氨酯改性瀝青適宜的攪拌時間為15 min，此時聚氨酯能夠均勻地混合在基質瀝青中，形成聚氨酯改性瀝青，這也同時驗證了制備工藝中采用15 min攪拌時間的合理性.

4 混合料養生條件分析

聚氨酯改性瀝青混合料養生條件包含養生溫度和養生時間，其強度的形成中有很大部分來自于聚氨酯的固化，而聚氨酯在環境溫度越高的條件下固化速率越快，混合料達到標準要求強度所需的時間也就越短，但是，相關資料顯示如果聚氨酯固化速率過快，則固化物結構不夠致密，這會使混合料的最終強度低于預期值，不能夠最大化地發揮聚氨酯的功能.并且，前述在120 ℃的攪拌溫度條件下，隨著時間的延長聚氨酯能夠在制備的改性瀝青中均勻存在且平穩地固化，因此，采用120 ℃作為聚氨酯改性瀝青混合料的養生溫度.

對于聚氨酯改性瀝青混合料，其養生時間可等同于聚氨酯固化完成所需的時間，而聚氨酯固化完成的直接體現就是混合料具有了較高的力學強度，因此在養生溫度為120 ℃的條件下，可通過混合料的力學強度的大小來衡量混合料的養生時間是否足夠.本次試驗應用上述AC-13型級配的瀝青混合料，通過成型馬歇爾試件，分別測定含20%和40%的聚氨酯改性瀝青混合料其馬歇爾穩定度與養生時間之間的關系，以確定合理的養生時間.試驗測定結果見圖5.

圖5 混合料馬歇爾穩定度與養生時間間的關系

由圖5可知，在120 ℃的養生溫度條件下，兩種不同摻量的聚氨酯改性瀝青混合料其馬歇爾動穩定度指標值在成型之后的48 h內上升速度很快，20%和40%聚氨酯改性瀝青混合料的強度平均增長率分別達到了0.50和0.92 kN/h，48 h后二者的動穩定度均有一定程度的下降，且逐漸趨于平穩，這說明聚氨酯在成型之后的48 h之內已經完成了固化，混合料的力學強度已經達到最大值，此時可進行試件的指標測試試驗，因此，聚氨酯改性瀝青混合料的養生時間確定為48 h.

5 聚氨酯改性瀝青混合料性能分析

5.1 高溫穩定性

試驗時，首先采用輪碾成型機成型車轍試件，然后在國標車轍儀上測定其動穩定度指標，以反映聚氨酯改性瀝青混合料的高溫性能.試驗動穩定度結果見表4.

表4 不同混合料的車轍試驗結果

由表4可知，改性劑的加入均能明顯提高混合料的高溫性能，其中聚氨酯改性劑對混合料高溫性能的改善最顯著，并且隨聚氨酯含量的增大，混合料高溫性能將會提高.究其原因，聚氨酯分子結構中含有較多極性強的低聚物多元醇軟段，固化后，這些軟段可賦予基質瀝青良好的力學性能，從而促使瀝青混合料良好的高溫抗車轍性能.綜上，聚氨酯改性瀝青混合料具有良好的高溫穩定性.

5.2 低溫抗裂性

用來評價瀝青混合料低溫性能的試驗方法較多，諸如低溫小梁彎曲試驗、直接拉伸試驗、間接拉伸試驗和三點彎曲J積分試驗.選擇試驗方法時需要結合實際試驗條件、試驗實現的難易程度以及試驗結果的準確性等綜合考慮，本次試驗采用低溫小梁彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，試件尺寸符合規范要求.五種瀝青混合料的低溫彎曲試驗結果見表5.

表5 不同混合料低溫小梁彎曲試驗結果

由表5可知，改性瀝青不同程度地增加了混合料的低溫抗裂性能，其中40%聚氨酯改性瀝青混合料的低溫性能最優.通過分析低溫性能增長趨勢，發現隨著聚氨酯添加量的增多，改性瀝青混合料的低溫性能提升的也越大，同時發現，三種聚氨酯改性瀝青混合料的低溫性能均優于3%SBS改性瀝青混合料.綜上，聚氨酯改性瀝青混合料同時具有良好的低溫抗裂性能.

5.3 水穩定性

為了保證瀝青混合料的抗水損害能力，需要對其水穩定性進行分析，本次試驗采用浸水馬歇爾試驗分別評價五種混合料的水穩定性.試驗時，首先分別成型五種混合料的標準馬歇爾試件各兩組，每組四個試件，待養生完成后，分別將各混合料的兩組試件均置于60 ℃恒溫水槽中，一組恒溫30 min，另一組恒溫48 h，分別測試馬歇爾穩定度，并計算浸水殘留穩定度，以評價混合料的水穩定性.試驗結果見表6.

表6 各瀝青混合料水穩定性試驗結果

由表6可知，五種不同混合料的水穩定性均可滿足相關技術要求，3%SBS改性瀝青混合料的水穩定性最優，SBS改性劑的加入提高了混合料的水穩定性.而20%，30%和40%聚氨酯改性瀝青混合料的水穩定性較基質瀝青混合料均有不同程度的降低，20%聚氨酯改性瀝青混合料降低的程度最大，這說明聚氨酯改性劑的加入對混合料抗水損害性能不利.實際使用時，需要采取添加抗剝落劑等措施以保證聚氨酯改性瀝青混合料的抗水損害性能.

6 結 論

1) 通過布氏黏度和熒光顯微鏡照片分析，聚氨酯改性瀝青制備時的攪拌溫度和時間分別確定為120 ℃和10 min.

2) 通過馬歇爾穩定度指標和養護時間的關系曲線分析，聚氨酯改性瀝青混合料的養護溫度和時間分別為120 ℃和48 h.

3) 較基質和3%SBS改性瀝青混合料，聚氨酯改性瀝青混合料的高低溫性能均有顯著提高，但其抗水損害性能有不同程度的降低，實際使用時需要采取添加抗剝落劑等技術措施以確保聚氨酯改性瀝青混合料的抗水損害性能.

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Preparation of Polyurethane Modified Asphalt and Research on Road Performance Evaluation of Mixture

LICaixia

(ShaanxiCollegeofCommunicationTechnology,DepartmentofHighwayandRailwayEngineering,Xi’an710018)

In order to verify the excellent physical and chemical properties of matrix asphalt given by polyurethane modifier and explore the progress of mixture test and the accuracy of test results, preparation process parameters of polyurethane modified asphalt and curing conditions of its mixture are analyzed based on the selected raw material, then the road performance of modified asphalt mixture is studied. The results show that the reasonable stirring temperature is 120 ℃ at the process of preparing the polyurethane modified asphalt, and the corresponding stirring time is 10 min. Under this condition, the polyurethane can be uniformly dispersed in the matrix asphalt and coexist with the matrix asphalt for a long time, so as to achieve an excellent modification effect. In addition, the appropriate curing temperature and time of the mixture are 120 ℃ and 48 h respectively. At this time, the testing experiment of specimens can be carried out without affecting the accuracy of the test results. Meanwhile, polyurethane modified asphalt mixture has good high and low temperature performance, but the water stable performance is insufficient relatively. It is necessary to take measures to improve the water stability performance in actual use.

polyurethane modified asphalt; preparation process parameters; modified asphalt mixture; curing temperature; curing time; road performance of mixture

U416.03

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.014

2017-09-27

李彩霞(1981—)：女,博士，副教授,主要研究領域為路基路面新材料

*陜西交通職業技術學院B類重點項目資助(混凝土橋面防水層性能與施工質量控制研究YJ170011)