聚氨酯改性瀝青及其混合料的性能研究

曾永亮

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

聚氨酯樹脂是一種熱固性樹脂，具有柔韌性好、耐候性好的特點，在涂料中常常用作改性劑制備瀝青基防腐涂料[1]。聚氨酯樹脂與瀝青有較好的相容性，熱存儲穩定性好，較之SBS改性瀝青，其與瀝青內基團發生化學接枝和交聯，而非物理共混，長期存放不會出現離析等問題[2]。劉穎[3-4]研究了聚氨酯改性瀝青及其膠結料的反應機理。研究發現，聚氨酯改性瀝青具有優異的貯存穩定性，證實了聚氨酯化學改性的效果。聚氨酯改性瀝青的性能對聚氨酯的種類和用量有較大影響。本文選擇聚醚型聚氨酯對瀝青進行改性研究，考察聚氨酯在不同摻量下對改性瀝青及其混合料性能的影響。

1 試驗用原材料

1.1 聚氨酯預聚體

聚氨酯是分子中含有（-NH-COO-）基團的聚合物，一般需要采用聚氨酯預聚體和擴鏈劑反應得到。試驗中采用的是聚醚型預聚體，該種類型預聚體黏度小，流動性好，反應速度易控制，成本較低，其性能見表1。

表1 聚氨酯預聚體的性能參數和物理性能

1.2 擴鏈劑

選用對二鄰氯苯胺甲烷（MOCA）作擴鏈劑，MOCA分子式為C12H12N2Cl2。MOCA儲存穩定性好，可降低聚氨酯的合成反應速度。

1.3 基質瀝青

基質瀝青選用70號石油瀝青，改性瀝青為SBS改性瀝青，基質瀝青三大指標見表2。

表2 瀝青的性能指標

2 聚氨酯改性瀝青的制備方法

加熱基質瀝青至130℃，將瀝青倒入高速分散釜內，在1 500 r/min的轉速下分散5～10 min，在5 min之內少量多次的加入相容劑，加入擴鏈劑MOCA，繼續分散10 min。預熱聚氨酯預聚體，在保證溫度和轉速不變的環境下緩慢加入預聚體，防止爆聚[5]。預聚體完全加入后繼續反應20 min，得到聚氨酯改性瀝青。

3 改性劑對瀝青性能的影響

在聚氨酯改性瀝青的制備中，分別加入不同劑量的聚氨酯預聚體，按照改性瀝青的制備方法，制得改性劑含量1%、3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%的聚氨酯改性瀝青。對不同聚氨酯含量的改性瀝青進行針入度、延度、軟化點的性能測試，試驗結果見圖1、圖 2、圖 3。

圖1 改性瀝青的針入度變化

圖2 改性瀝青的延度變化

圖3 改性瀝青的軟化點變化

從圖1中可以看出，針入度隨聚氨酯摻量增多呈線性下降趨勢，聚氨酯為熱固性樹脂，少量的聚氨酯即顯著提高改性瀝青的針入度。圖2中聚氨酯摻量對改性瀝青的延度影響最為顯著，在聚氨酯摻量為7%之前延度有所提高，改性瀝青的10℃延度由23 cm提高到32 cm，聚氨酯摻量繼續提高時，改性瀝青的延度大幅增長，當聚氨酯改性劑摻量為11%時延度達到56 cm，聚氨酯繼續增加，改性瀝青的延度增長無明顯變化。從圖3看出，在聚氨酯摻量為7%之前，軟化點上升較快，聚氨酯摻量為11%時，軟化點達到最大值54℃，伴隨著聚氨酯摻量持續增加，軟化點在達到最大值后出現小幅下降的趨勢，軟化點在聚氨酯加入初期大幅提升的原因主要是聚氨酯和瀝青的某些組分發生交聯反應。

綜合改性瀝青三大指標的變化規律，聚氨酯改性劑摻量選為11%。圖4是聚氨酯摻量為11%時改性瀝青的室內延度試驗照片。

圖4 瀝青延度試驗照片

4 級配和油石比

按照AC-13混合料級配要求進行級配設計，所用集料為石灰巖，集料性能滿足規范要求。選用0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～16 mm 四檔料，合成級配見圖5。

圖5 合成級配曲線

對不同油石比（4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%）的混合料進行馬歇爾擊實試驗，分別測定混合料試件空隙率、穩定度等關鍵指標，結果見表3。通過表3確定OAC1為5.7%，OAC2為5.6%，最終確定最佳油石比OAC為5.7%。

采用以上油石比確定方法對基質瀝青和SBS改性瀝青進行馬歇爾試驗，最終得出基質瀝青的最佳油石比為4.6%，SBS改性瀝青的最佳油石比為5.1%，SBS改性瀝青混合料馬歇爾試驗各項性能指標見表3。

表3 馬歇爾試驗各項指標的測試結果

5 改性劑對混合料路用性能的影響

確定好聚氨酯改性瀝青的摻量后，對聚氨酯改性瀝青和基質瀝青、SBS改性瀝青的混合料路用性能進行對比試驗，研究聚氨酯改性瀝青的高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性。

5.1 高溫穩定性

采用高溫車轍試驗對比測試3種瀝青混合料的動穩定度，每組試件制備3個，數據滿足離散性關系后取平均值，平均值試驗結果見表4。從表4可以看出，基質瀝青的動穩定度為1 832次/mm，SBS改性瀝青的動穩定度為3 678次/mm，聚氨酯改性瀝青的動穩定度為3 459次/mm。聚氨酯改性瀝青的動穩定度較SBS改性瀝青動穩定度偏低，數值上為SBS改性瀝青的94%。但較基質瀝青，動穩定度提升約1.9倍，聚氨酯改性瀝青混合料仍具有不錯的高溫穩定性，滿足改性瀝青規范要求的動穩定度2 800次/mm。

表4 高溫車轍試驗結果

5.2 低溫抗裂性

對3種瀝青混合料進行成型、切割得到標準試件，按照標準小梁彎曲試驗方法進行測試，加載速度控制在50 mm/min，小梁試件的平均值試驗結果見表5。

表5 低溫彎曲試驗結果

從表5中看出，聚氨酯改性瀝青的最大彎拉破壞應變是基質瀝青的1.65倍，是SBS改性瀝青的1.14倍。在低溫下聚氨酯改性瀝青較SBS改性瀝青具有更高的抗彎拉性能，在承受相同彎拉強度下具有更大的彎拉應變。聚氨酯本身就有很好的柔韌性，聚氨酯鏈段與瀝青結合后提高了瀝青低溫柔韌性，相較SBS改性瀝青，聚氨酯改性瀝青的低溫性能更好。

5.3 水穩定性

對3種瀝青混合料分別進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，測定混合料的殘留穩定度和凍融劈裂殘留強度比來評價3種混合料的抗水損能力，試驗結果見表6。

表6 水穩定性試驗結果 %

聚氨酯改性瀝青的殘留穩定度為89.7%，凍融殘留強度比為87.1%。與SBS改性瀝青相比，兩個數據均有所提高，反應出較好的水穩定性。聚氨酯改性瀝青試件經60℃水浸泡后試件穩定度下降有限，殘留穩定度和殘留強度比都滿足規范的要求。聚氨酯改性瀝青試件水穩定性好的原因主要是由于聚氨酯自身耐水性好[6]，與瀝青完全相容后形成的聚氨酯改性瀝青與石料黏附性更強。

6 結語

借助不同摻量聚氨酯改性瀝青的三大指標測試，發現在聚氨酯摻量為11%時綜合性能最好。以此摻量進行路用性能試驗，在最佳油石比下，對比3種瀝青混合料的路用性能，聚氨酯改性瀝青的動穩定度滿足改性瀝青的要求；與SBS改性瀝青相比，其柔韌性更好，低溫抗彎應變更高；由于聚氨酯改性瀝青與石料的黏附效果更好，殘留穩定度和凍融殘留強度比均達到87%以上，表現出優異的耐水性能。