聚氨酯灌縫材料對瀝青混合料路用性能的影響分析

梁松林

(1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術與筑路材料工程技術研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

目前，我國高速公路通車里程已達到15.5萬km，95%以上瀝青路面為半剛性基層，盡管半剛性基層具備抗壓強度高、穩定性好、成本低廉等優勢，但半剛性基層產生的溫縮和干縮裂縫會引起面層的反射裂縫，也是瀝青路面建設初期最常見的病害之一，并隨路面運營時間的延長，衍生出其他病害，導致路面性能下降，因此，研究開發針對瀝青路面裂縫修復的材料、工藝技術等具有重要意義。隨著科學技術的不斷發展和創新，以化學熱固型裂縫修補材料逐漸替代傳統乳化瀝青、SBS改性瀝青等，例如環氧樹脂類、有機硅樹脂類等。夏慧云等利用聚氧化丙烯二醇和二苯甲烷二異氰酸酯制備了聚氨酯類材料，研究了灌縫材料的最佳合成時間、力學性能和熱穩定性能等[1]。張文利等研究了無砟軌道灌縫膠老化后的力學性能與微觀DMT模量特性，指出聚氨酯灌縫膠硬段是影響粘附性的關鍵部位，老化越嚴重其越顯著[2-3]。譚憶秋等分析了聚氨酯灌縫膠在剪切荷載下粘附性能的變化，利用低溫拉伸試驗研究異氰酸酯指數R與粘附強度的關系，提出灌縫膠R宜在1.7～2.5之間[4-5]。

綜上所述，研究利用瀝青混合料路用性能試驗分析聚氨酯灌縫材料中聚氨酯含量對其性能影響的規律，并結合實際應用情況，提出合理的聚氨酯用量范圍，對聚氨酯灌縫材料在實體工程中的應用具有良好的技術指導作用。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

聚氨酯灌縫材料主要成分為聚氨酯和環氧丙烯酸脂，均由無錫欣葉豪有限公司生產，技術指標均滿足規范要求。粗集料選擇輝綠巖，細集料選擇機制砂，礦粉為石灰巖磨制，均由南寧市武鳴區石多多建材有限公司提供。改性瀝青為SBS I-D，由廣西金天地改性瀝青有限公司提供，相關試驗結果見表1～3。

表1 粗集料試驗結果表

表2 細集料試驗結果表

表3 SBS改性瀝青試驗結果表

1.2 試驗方案

1.2.1 聚氨酯灌縫材料制備

研究選擇聚氨酯、環氧丙烯酸酯和其他輔助添加劑材料，通過改變聚氨酯與環氧丙烯酸酯的比例，調配出性質不同的產品，其中輔助添加劑材料用量不變。聚氨酯占環氧丙烯酸酯的質量分別為20%、30%、40%、50%、60%。

1.2.2 瀝青混合料級配設計

聚氨酯灌縫材料一般應用于瀝青路面上面層，修復路面裂縫，研究選擇AC-13C級配進行配合比設計，合成級配見圖1。

1.2.3 瀝青混合料性能試驗

車輛行駛作用下，瀝青路面裂縫修復處主要受壓應力和拉應力作用，隨時間延長，路面修復區域是否能夠良好抵抗低溫裂縫和水損害剝離值得研究分析。文中選擇低溫劈裂試驗、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗進行路用性能分析[6]。

研究選擇馬歇爾試件(101.6×63.5) mm和小梁試件(250×30×35) mm進行相關試驗，通過對馬歇爾試件和小梁試件分別進行居中切割，對切割面進行拉毛處理，模擬路面裂縫狀態，灌縫寬度為3 mm，灌縫后試件在室溫狀態下養護24 h，隨后開展各項性能試驗。

2 低溫抗裂性能分析

瀝青混合料屬粘彈性體，受力過程中分為彈性、粘彈性及粘塑性階段，采用低溫劈裂試驗能夠評價混合料的低溫力學性能。選擇標準馬歇爾試件為載體，儀器采用UTM-100，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為1 mm/min，試驗結果如表4所示。

由表4可知：

(1)聚氨酯含量變化對修復試件的低溫抗裂性能存在顯著影響，隨聚氨酯含量的增加，試件的劈裂抗拉強度也呈增加趨勢，破壞拉伸應變呈下降趨勢，破壞勁度模量呈增加趨勢，但與正常試件相比，修復試件的低溫抗裂性能仍未達到原狀態。例如，針對上述不同聚氨酯含量灌縫材料，修復試件的劈裂抗拉強度值分別下降22.4%、17.0%、15.2%、10.4%、8.3%(與正常試件相比)，破壞勁度模量值分別下降28.1%、28.1%、26.5%、10.4%、6.9%。這說明聚氨酯含量提高可以有效改善材料的低溫粘結性，提高瀝青混合料低溫抗裂性能。此外，在聚氨酯含量>40%時，其劈裂抗拉強度和破壞勁度模量值改善幅度顯著，摻量為50%時的低溫抗裂性能恢復率在90%左右(與正常試件相比)。

表4 不同聚氨酯含量灌縫材料修復后試件低溫劈裂試驗結果表

(2)聚氨酯含量變化對破壞拉伸應變影響幅度最大，其增加幅度分別為31.2%、20.4%、16.5%、3.8%、7.5%(與正常試件相比)，當聚氨酯含量在50%～60%時，破壞拉伸應變的變化幅度較小，這與劈裂抗拉強度值指標變化相一致。這是因為隨聚氨酯含量的增加，灌縫材料性能也存在相應的變化，如粘附性能顯著提高導致試件破壞時的抗拉強度值增加，材料固化后柔韌度下降，材質變硬，試件在垂直方向、水平方向相對應的變形也會下降。

3 低溫拉伸性能分析

低溫彎曲破壞試驗主要用來評價瀝青混合料在低溫狀態下的抗變形能力。研究分析不同性質的聚氨酯灌縫材料修復后路面的低溫抗變形能力，試件尺寸為(250×30×35) mm，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min(見圖2)。根據梁體的跨中撓度可推出彎拉應力、最大彎拉破壞應變及勁度模量，試驗結果見圖2～4。

圖2 抗彎拉強度試驗結果柱狀圖

圖3 彎曲勁度模量試驗結果柱狀圖

圖4 最大彎拉應變試驗結果柱狀圖

由圖2～4可以看出：

(1)聚氨酯含量變化對瀝青混合料低溫彎曲拉伸性能也存在較大影響，對彎拉強度影響幅度最大，對彎拉應變、彎曲勁度模量影響相接近。隨聚氨酯含量的增加，修復瀝青混合料試件抗彎拉強度、最大彎拉應變及彎曲勁度模量值均呈增加趨勢。這說明聚氨酯含量越多，對修復瀝青混合料試件的彎曲拉伸性能越有利，即瀝青混合料在低溫環境下越柔韌，抵抗斷裂的能力越強。例如，針對上述不同聚氨酯含量灌縫材料，修復試件的抗彎拉強度值分別下降35.2%、28.8%、19.2%、15.2%、5.5%(與正常試件相比)，最大彎拉應變值分別下降28.1%、24.4%、11.1%、9.3%、3.7%。

(2)當聚氨酯含量>40%時，修復瀝青混合料試件的抗彎拉強度恢復率在80%以上，聚氨酯含量在50%、60%時的最大彎拉應變恢復率分別為91.7%和96.3%。隨聚氨酯含量的增加，對瀝青混合料修復的效果逐漸下降。這說明聚氨酯灌縫材料在瀝青路面裂縫修復過程中具備相應的合理添加范圍，且需結合其他性能指標進一步分析。

4 水穩定性能分析

選擇浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價聚氨酯修復瀝青混合料的抗水損害能力，均按照(JTG E20-2011)[7]公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程中的相關要求進行試驗分析，試驗結果見下頁圖5～8。

圖5 殘留穩定度試驗結果柱狀圖

圖6 浸水48 h穩定度試驗結果曲線圖

由圖5～6可知：

(1)經過修復，瀝青混合料試件殘留穩定度值隨聚氨酯含量的增加而提高，聚氨酯含量的增加對瀝青混合料抗水損害剝離能力有顯著改善效果。聚氨酯含量為20%時的殘留穩定度值不滿足規范要求(≥80%)，當含量>40%后，其改善效果下降，殘留穩定度值處于85%左右。如針對上述不同聚氨酯含量灌縫材料，修復試件的殘留穩定度值分別下降17.5%、9.0%、4.4%、2.0%、2.9%(與正常試件相比)。

(2)為進一步分析修復瀝青混合料試件力學性能，分析浸水48 h后的穩定值變化規律。隨聚氨酯含量的增加，其穩定度值顯著增加，當聚氨酯含量分別為50%、60%時的穩定度值均為9.1 kN，說明聚氨酯含量>50%時對修復瀝青混合料的穩定度值改善效果一般，這與殘留穩定度值變化規律相一致。

為進一步分析驗證上述瀝青混合料水穩定性變化規律，開展了凍融劈裂試驗，由圖7～8可知：

圖7 凍融劈裂強度比試驗結果柱狀圖

圖8 凍融后劈裂抗拉強度試驗結果曲線圖

(1)聚氨酯含量變化對凍融劈裂強度比的影響規律與殘留穩定度變化相一致，但對其影響程度大于殘留穩定度。凍融劈裂試驗描述了瀝青混合料試樣在飽水條件下經過凍融循環后的抗剝離能力，而浸水馬歇爾試驗描述高溫浸水后的抗剝離能力，二者模擬環境條件不同，說明聚氨酯灌縫材料對凍融環境條件更為敏感，如不同聚氨酯含量灌縫材料，修復試件的凍融劈裂強度比分別下降21.3%、14.6%、9.8%、9.2%、5.1%(與正常試件相比)。

(2)隨聚氨酯含量的增加，凍融劈裂強度也逐漸增加，當含量>40%時，增加幅度顯著降低，這與殘留穩定度影響規律相接近，聚氨酯含量在40%、50%、60%時的凍融劈裂強度分別提高了16.1%、16.5%、21.2%(與聚氨酯含量20%相比)。

5 結語

(1)聚氨酯灌縫材料對瀝青路面裂縫修復具有顯著作用，隨聚氨酯含量的增加，其低溫抗裂性能、低溫拉伸性能和水穩定性能均具有良好的改善效果，但對不同路用性能改善幅度存在一定的差異，對殘留穩定度的改善效果最佳、最大彎拉應變居中、劈裂抗拉強度最差。

(2)依據瀝青混合料性能改善效果，聚氨酯用量存在相應合理范圍，當聚氨酯含量為20%時，修復瀝青混合料水穩定性能不滿足規范要求，聚氨酯含量>40%時，其劈裂抗拉強度、最大彎拉應變、殘留穩定度和凍融劈裂強度比恢復率分別達到85%、90%、95%和90%以上。

(3)通過對修復瀝青混合料試件路用性能的分析，聚氨酯灌縫材料中聚氨酯含量適宜范圍在40%～50%，對瀝青混合料性能改善效果均高于規范要求。