聚氨酯對瀝青混合料路用性能的改善效果研究

楊 嘉 葉 維 董 越

（1.重慶滬渝高速公路有限公司，重慶 401147；2.重慶渝黔高速公路有限公司，重慶 401147；3.重慶交通大學，重慶 400067；4.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 400067）

0 引言

不斷增長的交通壓力提升了人們對道路質量的要求，尤其是對路面鋪裝材料性能的要求[1]。相比于傳統的基質瀝青，聚氨酯改性瀝青混合料在抵抗車轍、彈性性能方面效果更加突出[2]。聚氨酯（PU）是新型的瀝青改性劑，在合適的溫度與剪切攪拌下與瀝青發生固化反應使得其成為穩定的網狀體系，這使得瀝青感溫性能衰弱，高溫穩定性及低溫特性得到加強[3~4]。聚氨酯與瀝青的穩定體系形成的過程相對復雜，聚氨酯摻量、固化溫度和養護時間等對改性瀝青性能都具有一定影響。

Jia等[5]使用PU配合納米材料有機化蒙脫土制備得到的復合改性瀝青具有良好的高、低溫性能，便于存放；Sheng等[6]利用PU對改性乳化瀝青進行改進，在合理的摻量比例下獲得的改性瀝青材料在低溫特性上大為提高；Zhang等[7]制備出一種適用于橋面鋪裝的熱固性PU改性瀝青，發現其綜合性能良好；Jin等[8]使用PU改性巖石瀝青同樣獲得了優異低溫性能的瀝青材料。本文通過高溫車轍試驗、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗探究聚氨酯的較佳摻比，并分析聚氨酯對瀝青混合料路用性能的改善效果。

1 實驗材料與方法

1.1 瀝青及聚氨酯

對選取的70#基質瀝青進行基礎性能測試，結果如表1所示。

表1 70#基質瀝青技術指標

聚氨酯來源于北方某公司，半透明，密度約為1.1g/cm3，23℃斷裂伸長率為295%，23℃拉伸強度為9.6MPa。

1.2 礦料

采用石灰巖礦料，其技術指標如表2、表3 和表4所示。

表2 粗集料技術指標

表3 細集料技術指標

表4 石灰巖礦粉技術指標

1.3 聚氨酯改性瀝青制備

取適量的基質瀝青加入鍋中，加熱到指定溫度后，先剪切攪拌1h，然后加入聚氨酯，繼續剪切攪拌1.5h，制得聚氨酯改性瀝青。對相關文獻進行研究[9]，聚氨酯摻量初步定為10%、20%、30%、40%，以不同摻量制得4組聚氨酯改性瀝青。

1.4 級配設計

本文選用AC-13級配，設計級配如表5所示，選擇級配中值。初步估計最佳油石比為5.0%，再以0.5%的差值取4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%五組油石比。采用常規的馬歇爾試驗，分析結果得出最佳油石比為5.1%。

表5 礦料級配

1.5 試驗方法

相同油石比、礦料級配及拌和條件下，分別成型不同聚氨酯摻量（0%、10%、20%、30%、40%）的聚氨酯改性瀝青混合料。按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）要求進行聚氨酯改性瀝青的三大指標試驗及混合料的高溫車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。

2 實驗結果與分析

2.1 三大指標實驗

測試聚氨酯改性瀝青的三大指標，試驗結果如表6所示。

表6 聚氨酯改性瀝青三大指標試驗結果

由表6可以看出，當聚氨酯摻量提高，改性后的瀝青針入度下降趨勢明顯，軟化點上升趨勢顯著。由此可以判斷聚氨酯改性對瀝青的高溫性能加強有極大幫助。

2.2 高溫穩定性能

高溫車轍試驗是檢測混合料高溫穩定性能的常規方法之一，實驗簡便，實驗結果利于分析，實驗采用德國漢堡車轍儀，試驗溫度為60℃，試驗結果如表7所示。

表7 聚氨酯改性瀝青混合料車轍試驗結果

從表7可以看出，在聚氨酯改性下的混合料動穩定度上升趨勢明顯，同時提高聚氨酯摻量也使得混合料動穩定度增加幅度變大。分析原因為：在高速剪切攪拌作用下聚氨酯分散效果良好，兩者作用下形成網狀結構，瀝青分子鏈運動被遏制，使混合料變得更加穩定，在60℃的高溫環境下抵抗車轍能力變強，固化反應同時也能加強整體的強度，使混合料力學性能增加。

2.3 低溫抗裂性能

本文對低溫抗裂性的測試選擇低溫小梁彎曲試驗，設置試驗溫度為-10℃，試驗結果如表8所示。

表8 聚氨酯改性瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗結果

從表8可以看出，混合料的彎拉應變值隨著單一變量聚氨酯摻量的提高而增大，同時勁度模量不斷減小。對比原始的70#基質瀝青，從中可以發現40%聚氨酯用量的彎拉強度提高了67%，勁度模量降低了63%。摻入聚氨酯改性瀝青混合料的低溫抗裂性良好。因此，瀝青的低溫性能在聚氨酯改性下得到改善。

2.4 水穩定性能

本文通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來驗證混合料的水穩定性能，結果如表9和表10所示。

表9 聚氨酯改性瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果

表10 聚氨酯改性瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

摻加聚氨酯改性后，馬歇爾穩定度和劈裂強度增大。網狀結構的形成使得混合料的強度加大。但分析發現凍融劈裂強度比反而有所下降，殘留穩定度變化微弱，說明聚氨酯的摻入可能對混合料的水穩定性能有不利影響，這也是聚氨酯改性瀝青的重點研究方向。

3 結束語

本文通過對70#基質瀝青摻加10%、20%、30%、40%的聚氨酯進行改性，對比分析改性前后瀝青的性能指標，軟化點隨著聚氨酯摻量增加而增大，針入度隨著摻量增大而減小。通過對不同摻量的混合料性能試驗結果對比發現，當聚氨酯摻量為40%時混合料高溫性能加強最為顯著，低溫性能也有所加強。聚氨酯固化加強了混合料的強度，使得其高溫性能加強，但水穩定性還需進一步研究改進。

隨著聚氨酯的研究不斷深入，越來越多種類的聚氨酯被應用到實際工程中，這使得聚氨酯改性瀝青的研究被不斷改進完善，效果也因為實際需求而有所區分，選擇合適類型的聚氨酯會取得更加優異的效果。隨著對路面要求的提高，聚氨酯改性瀝青技術將來會擁有更加良好的前景。