道路用聚氨酯改性瀝青的制備工藝探討

李 夏

（中路高科交通檢測檢驗認證有限公司，北京 100088）

采用聚氨酯作為瀝青改性劑，擁有遠超傳統聚合物改性劑的彈性恢復能力、耐久性能，可對車輛負荷、環境荷載等因素下的塑性變形產生一定抵抗能力，有利于瀝青道路使用壽命的延長、使用品質的提升。聚氨酯改性瀝青的誕生，不僅使我國改性瀝青品種得到豐富，更是將公路運營維修成本降低，同時也實現了瀝青路面行車舒適度的提升。

1 試驗部分

1.1 試劑和材料

70#瀝青；端異氰酸酯預聚體；聚合物多元醇；有機金屬催化劑；1,4-丁二醇；偶聯劑。

1.2 試驗步驟

一定量的基質瀝青在加熱條件下，到達預期溫度，先持續1h 恒定轉速剪切，緊接著將聚合物多元醇、擴鏈劑、偶聯劑按比例于1h 內一次加入[1]。在完成上述操作之后，加入端異氰酸酯預聚體、催化劑，持續2h 共混，完成聚氨酯改性瀝青的制備。

2 瀝青改性共混設備

2.1 螺旋槳葉輪攪拌器

該攪拌器是一種常用的改性瀝青制備共混設備，結合攪拌葉作用而言，螺旋槳葉具有更強的排出能力，在需要剪切力的分散反應等場合不適應，黏度偏高的介質中也不適用，基本只能在2～3Pa·s 介質黏度的螺旋槳攪拌中使用。在制備聚氨酯改性瀝青時不適用。

2.2 圓盤鋸齒式攪拌器

該攪拌器的金屬圓盤外緣處有鋸齒形葉片，葉輪鋸齒狀葉片處于高速回轉狀態時，四周產生強有力的剪切力。在形成剪切力時，基本會消耗葉輪輸入能量的75%。罐內介質在以軸為中心的渦流形成中被使用，因各個葉片擁有不同角度，所以葉輪于半徑方向會形成由內至外、直達罐壁的劇烈流動，在罐壁上下方向轉換之后會有渦流形成，且于罐內形成整體循環的螺旋流。

3 結果與討論

3.1 正交試驗結果

制備工藝可在極大程度影響聚氨酯改性瀝青性能，首先采用80mm 葉輪、115mm 容器作為改性瀝青制備試驗的配套用具。其次，確定攪拌器轉速、一次攪拌量、共混溫度、改性劑摻量等主要的4 個工藝參數，通過3 水平4 因素的正交試驗（假設因素間不存在交互作用），對比分析挑選最佳工藝組合，表1 為各水平的具體參數。

表1 聚氨酯改性瀝青制備工藝因素水平

根據軟化點指標進行聚氨酯改性瀝青制備工藝的篩選、優化，軟化點試驗測試的依據為標準JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規范》。

根據測試結果極差大小發現：有關改性瀝青軟化點影響的各因素中，依據大小順序排列為B＞A＞C＞D。影響軟化點的因素中，一次攪拌量至關重要；其次為攪拌器轉速和共混溫度；最小的為改性劑摻量[2]。之所以如此，是因為聚氨酯改性瀝青屬于反應型聚合物改性瀝青，要想充分進行化學反應，就必須確保采用的共混設備適宜——圓盤鋸齒式攪拌器，在試驗條件達標、反應體系剪切力足夠、流動性劇烈條件下，可將預期改性效果達成。從聚氨酯改性瀝青反應體系而言，此次正交試驗選取的3 個改性劑摻量水平并未造成太大影響。

3.2 聚氨酯改性劑摻量確定

試驗條件：采用配套115mm 容器、80mm 葉輪，175℃共混溫度，圓盤鋸齒式攪拌器1400r/min轉速，一次300g 攪拌量。分別在0.31%、0.62%、1.05%、1.57%、2.18%、3.14%、4.27%、5.00%、6.28%、8.00%等改性劑摻量變化條件下，分析評價改性瀝青軟化點中改性劑摻量的影響結果。

測試結果表明，改性劑摻量增多，聚氨酯改性瀝青軟化點會增大，呈現出先慢后快的增大趨勢。就改性瀝青軟化點中聚氨酯改性劑摻量構成的影響來說，可劃分為兩階段：第一階段，摻量超過4.27%時，增加改性劑摻量會顯著提升改性瀝青軟化點；第二階段；摻量低于4.27%時，改性瀝青軟化點會隨著改性劑摻量的增加而增大[3]。在對比分析聚氨酯改性瀝青技術指標要求后，綜合確定改性劑摻量為4.27%。

3.3 試驗驗證及性能評價

通過正交試驗獲得最優組合為A(3)、B (2)、C(2)、D(1)的聚氨酯改性瀝青制備工藝，確定了采用88mm 葉輪、115mm 容器、圓盤鋸齒式攪拌器（轉速1400r/min）、175℃共混溫度、改性劑摻量4.27%、單次攪拌300g 的制備工藝參數[4]。然而該組合并未出現在上述正交試驗組別中，所以需驗證。結合JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，測定聚氨酯改性瀝青性能，而聚氨酯改性瀝青混合料則是依據AC-13級配展開綜合評價，表2 為試驗結果。

表2 聚氨酯改性瀝青混合料試驗結果

根據表2 可知，聚氨酯改性瀝青具有優異的水穩定性、儲存穩定性且耐老化、耐高溫，擁有明顯比普通聚合物改性瀝青更高的車轍因子G*/sinδ 和15℃動態模量，基本能夠將高模量瀝青要求達成。

4 結論

本研究通過試驗測試結果將聚氨酯改性瀝青共混設備確定——圓盤鋸齒式攪拌器。結合不同改性劑摻量單因素試驗，經過對比分析之后，確定了采用88mm 葉輪、115mm 容器、圓盤鋸齒式攪拌器（轉速1400r/min）、175℃共混溫度、改性劑摻量4.27%、單次攪拌300g 的制備工藝參數。最優條件下制備的聚氨酯改性瀝青具有優異的水穩定性、儲存穩定性且耐老化、耐高溫，擁有明顯比普通聚合物改性瀝青更高的車轍因子G*/sinδ和15℃動態模量，基本滿足高模量瀝青要求。