聚氨酯瀝青及混合料性能研究

賈 敏

（晉中市公路建養服務中心，山西 晉中 030600）

0 引言

我國公路建設迅猛發展，瀝青路面憑借平整性高，行車舒適等優點已成為我國高等級路面的主要形式。隨著車輛荷載的日益增加，高等級公路對瀝青路面的性能要求也在提升，尤其是高速公路。為保證瀝青路面的路用性能，高速公路常采用改性瀝青，常見的改性劑主要可以分為熱塑型和橡膠類。然而，近年來許多國內外研究發現，無論是熱塑型改性劑還是橡膠類改性，其在對基質瀝青進行改性時多為物理改性，沒有從根本上提高瀝青性質，同時還存在不同程度的離析現象[1-2]。聚氨酯是一種熱固性樹脂，具有耐磨、高韌和高耐久性的特點，同時其所含的多種官能團可以與瀝青發生化學發應，全面提高瀝青的使用性能，近年來受到了國內外的廣泛關注。孫敏等[3]研究了聚氨酯改性瀝青的高溫流變特性，結果表明，聚氨酯瀝青的黏度高于普通SBS瀝青。夏磊等[4]研究了不同摻量聚氨酯改性瀝青的性能，發現聚氨酯的摻量并非越多越好，摻量過大時會降低瀝青的性能。目前關于聚氨酯瀝青的研究多集中在單一因素變量上，如摻量等，而針對瀝青改性過程中的其他影響因素研究較少，同時有關不同聚氨酯類型改性劑的研究更是少見報道。為此本文采用正交方法研究了不同因素和水平下聚氨酯改性瀝青的性能，以促進聚氨酯改性瀝青在道路工程領域的發展。

1 原材料和試驗方法

1.1 試驗原材料

1.1.1 聚氨酯預聚體

本文的聚氨酯預聚體類型分為3種，一種是聚醚型聚氨酯預聚體，簡稱JM型。另一種是聚酯型聚氨酯預聚體，簡稱JZ型。最后一種是PTMEG型聚氨酯，簡稱PT型。3種聚氨酯預聚體的基本性能如表1所示。

表1 3種聚氨酯預聚體基本性能指標

1.1.2 瀝青

本文的基質瀝青選用70號基質瀝青，主要技術指標如表2所示。瀝青的各項指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）[5]的技術要求。

表2 基質瀝青技術指標

1.2 試驗方法

1.2.1 聚氨酯瀝青的制備

首先將基質瀝青加熱到流動狀態，加入乙二胺擴鏈劑，采用高速剪切機進行攪拌，剪切時間為30 min，以保證擴鏈劑在基質瀝青中的相同性。之后，將3種不同摻量（10%、15%、20%）的聚氨酯預聚體加熱至90℃，放入基質瀝青中，在不同剪切溫度下以恒定速率（1 200 rmp）剪切30 min，最終制備得到聚氨酯改性瀝青。

1.2.2 聚氨酯瀝青基本性能指標分析

對不同工藝制備得到的各組聚氨酯瀝青進行基本性能指標測試，包括針入度、軟化點和延度。根據試驗結果確定基質瀝青的適宜聚氨酯預聚體類型和最佳制備工藝，為進一步研究做準備。

1.2.3 聚氨酯瀝青混合料性能研究

根據上文的研究結果，以最佳制備工藝成型的聚氨酯瀝青混合料并進行路用性能分析，包括高溫穩定性、低溫抗裂性以及水穩定性，各項試驗均嚴格按照《公路瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）[6]要求進行。

2 試驗結果與分析

2.1 聚氨酯改性瀝青基本性能分析

本文旨在研究不同聚氨酯預聚體在不同影響因素下對基質瀝青的改性效果，因此首先進行了L9（33）三因素三水平正交試驗設計。其中3種因素分別為預聚體類型、預聚體摻量和剪切溫度。預聚體類型三水平分別為JM、JZ和PT型，摻量三水平設置為10%、15%和20%，剪切溫度三水平選擇100℃，125℃和150℃。正交設計試驗的具體方案如表3所示。

表3 聚氨酯改性瀝青正交試驗設計

按表3的正交試驗設計方案進行聚氨酯改性瀝青的制備。對制備后得到的聚氨酯改性瀝青進行基本性能指標測試，包括針入度、軟化點、延度以及彈性恢復。基本性能試驗的具體結果見圖1所示。

圖1 聚氨酯改性瀝青針入度

針入度表征了瀝青的稠度和硬度，同時可以反映瀝青抵抗剪切破壞的能力，是重要的感溫性能指標之一。由圖1可以看出，加入聚氨酯預聚體后，基質瀝青的針入度明顯下降，這表明聚氨酯使得基質瀝青變硬。基質瀝青的針入度在65 mm左右，而加入聚氨酯后，不同水平下的改性瀝青的針入度降低到了35～55 mm之間，瀝青的抵抗剪切破壞能力明顯提升。不同影響因素對聚氨酯改性瀝青的效果也有明顯區別。首先，聚氨酯類型方面，JZ型聚氨酯和JM型聚氨酯改性后基質瀝青的針入度基本相等，保持在46 mm左右，而PT型聚氨酯可以達到40 mm。

相比于聚氨酯類型，摻量對改性效果的影響更明顯。當摻量在10%～15%時，聚氨酯的摻量越多，基質瀝青的針入度也相應地越低。但繼續提高聚氨酯用量時發現，基質瀝青的針入度并沒有進一步降低。最后，剪切溫度對聚氨酯改性瀝青的針入度也有較大影響。剪切溫度越高，聚氨酯預聚體和基質瀝青的相容性越好，出現離析的現象也就越少，因此改性后瀝青的整體性能也就更優。

圖2 聚氨酯改性瀝青軟化點

同時，研究認為，聚氨酯改性瀝青的儲存模量和損耗模量隨溫度的變化較平緩，而基質瀝青則較敏感，這也使得聚氨酯改性瀝青的溫度穩定性優于基質瀝青，如圖3所示。

軟化點是指瀝青由彈性體開始轉化為塑性體時的溫度，也即瀝青由固態開始向流動態轉變時的溫度，可以反映瀝青的高溫性能。由圖2的結果可以看出，基質瀝青軟化點受聚氨酯類型的影響要大于針入度。PT改性后瀝青的軟化點可以達到110℃，顯著大于其他兩種聚氨酯。同時，摻量對軟化點也有很高的關聯性，聚氨酯的摻量越高，基質瀝青的軟化點也越高。摻10%～20%的聚氨酯后，基質瀝青的軟化點由51℃增加到了84℃～110℃，提升幅度非常顯著。

圖3 瀝青模量測試結果

最后，對聚氨酯改性瀝青的延度進行了研究，溫度為5℃，以明確聚氨酯對瀝青低溫性能的影響，如圖4所示。與針入度和軟化點不同，聚氨酯對瀝青的延度改性效果較差。不同水平下的延度試驗表明，聚氨酯類型和剪切溫度對延度的影響較低，和基質瀝青的結果差別較小。而摻量甚至對基質瀝青的延度有消極影響，當摻量超過10%時，基質瀝青的延度開始出現了降低。因此，從保證瀝青低溫性能的角度考慮，聚氨酯的摻量不宜過高。

圖4 聚氨酯改性瀝青延度試驗結果

綜上所述，綜合3種指標下的研究結果可以看出，最佳的聚氨酯改性工藝是以PT型聚氨酯作為改性劑，以15%的摻量在150℃下剪切成型聚氨酯改性瀝青。

2.2 聚氨酯改性瀝青混合料性能研究

我國的高等級路面常采用瀝青瑪蹄脂碎石級配（SMA）的瀝青混合料，而SMA級配瀝青混合料對瀝青的黏附性有較高要求，常使用改性瀝青。由上文的研究結果可以看出，聚氨酯對瀝青的性能具有良好改善效果。因為本節采用最佳工藝下成型的聚氨酯改性瀝青制備SMA級配的瀝青混合料，其中SMA的級配如表4所示。

表4 SMA-13級配各篩孔通過率

按SMA標準配合比流程進行配合比設計，馬歇爾試驗的研究結果顯示，最佳油石比為6.2%。以最佳油石比成型瀝青混合料，并進行相關路用性能試驗，包括：高溫性能、低溫性能和水穩定性能。研究結果如表5所示。

表5 聚氨酯瀝青混合料路用性能試驗結果

由表5可以看出，按最佳工藝制備的聚氨酯改性瀝青成型的瀝青混合料，其各項路用性能較基質瀝青混合料均有明顯提升。聚氨酯瀝青混合料的動穩定度達到了4 327次/mm，遠大于基質瀝青的916次/mm，甚至也高于SBS改性瀝青混合料的動穩定度，高溫性能非常優越。

此外，瀝青混合料的水穩定性方面，聚氨酯瀝青混合料的凍融劈裂強度比為91%，基質瀝青混合料為82%，SBS瀝青混合料為88%。聚氨酯對瀝青的水穩定性也具有良好的提升效果。分析認為，聚氨酯提高了瀝青的黏結力，使得集料和瀝青間的黏結作用得到了增強，從而提高了混合料的抵抗水損壞能力。最后低溫方面，聚氨酯對瀝青混合料的提升效果要小于高溫性能和水穩定性。聚氨酯瀝青混合料的彎拉應變為2 615 με，雖然仍高于基質瀝青混合料的2 103 με，但小于SBS瀝青混合料。因此，在低溫性能方面，聚氨酯對瀝青混合料的改性效果要劣于SBS改性劑。

分析認為，聚氨酯的玻璃化轉變溫度通常在11℃左右，當溫度低于11℃時，聚氨酯的柔韌性降低，從而更易產生開裂，此時聚氨酯的性能特征在一定程度上影響了瀝青的性能，因此可以認為，聚氨酯較低的玻璃化轉變溫度是導致改性后瀝青低溫性能較差的原因之一。

3 結論

本文研究了不同影響因素和水平下聚氨酯改性瀝青及瀝青混合料的使用性能，主要結論如下：

a）PT型聚氨酯對瀝青的抵抗剪切破壞能力提升最高，其針入度最低，而JZ型聚氨酯和JM型聚氨酯改性后基質瀝青的針入度低于PT型，且兩者基本相等。聚氨酯對瀝青的延度改性效果較差，和基質瀝青的結果差別較小。

b）聚氨酯摻量對瀝青改性效果的影響要大于聚氨酯類型和剪切溫度。當聚氨酯摻量在10%～15%時，基質瀝青的性能與摻量成正比。而進一步提高摻量并不會繼續提高瀝青的性能，因此建議聚氨酯用量不高于15%。

c）聚氨酯對瀝青混合料的高溫性能和水穩定性具有顯著提升效果，其路用性能優于基質瀝青混合料和SBS瀝青混合料，而對低溫性能改變較小，有待進一步研究。

d）建議聚氨酯的最佳改性工藝是以PT型聚氨酯作為改性劑，以15%的摻量在150℃下剪切成型聚氨酯改性瀝青。

e）聚氨酯的儲存模量和損耗模量隨溫度的變化較平緩，從而保證了改性后瀝青的溫度穩定性。而較低的玻璃化轉化溫度則導致了改性后瀝青的低溫性能較差。