聚氨酯-石灰石粉復合改性瀝青抗高溫性能試驗研究

李衛寧，王富強，鄧 君

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

瀝青混合料面層在夏季高溫環境中長期承受重載車輛荷載的反復作用，導致網絡骨架結構失穩直至破壞，瀝青混合料面層產生永久變形[1]。永久變形是瀝青混合料面層產生車轍坑槽病害的主要原因之一[2]。提高瀝青混合料性能尤其是改善其抗高溫性能非常重要，可提高其抵抗永久變形的能力，有效消除車轍、坑槽等病害的產生[3]。

研究表明，選用聚氨酯(PU)作為化學改性劑摻入道路石油瀝青，產生化學反應后能改變瀝青結構并生成新基團，從而降低瀝青溫度敏感性和改善存儲穩定性，提高瀝青的抗車轍能力和抗高溫性能，但提升程度有限[4]。如果只是單獨摻入PU進行改性，不能有效改善瀝青混合料的綜合性能，相比之下，摻入兩種以上材料的復合改性技術具有更顯著的優勢，可有效提升瀝青的各項性能。

瀝青混合料中摻入石灰石粉(LF)作為填料，可增加混合物的密度從而提升其力學穩定性能，在我國工程實踐中得到了廣泛認可[5]。本文選用LF作為填料，利用復合改性技術制備聚氨酯-石灰石粉復合改性瀝青，進行多應力蠕變恢復試驗，與單摻PU試驗結果進行對比，研究合成的聚氨酯-石灰石粉復合改性瀝青在中高溫環境中的不可恢復蠕變柔量Jnr，旨在研究其在中高溫下的抗高溫性能，為以后的實際工程和進一步的理論研究提供參考。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 試驗材料

(1)基質瀝青(BA)：采用中石油70#A瀝青，其性能指標如表1所示。

表1 基質瀝青的性能指標表

(2)聚氨酯(PU)：采用PU預聚體多元醇與異氰酸酯分步對基質瀝青進行改性，多元醇為聚丙二醇分子結構中的R-N=C=O，含量為30.5%，羥值≥180 mg KOH/g。常溫下固體顏色灰白，熔化后為透明液體，為西安某科技有限公司生產。

(3)石灰石粉(LF)：本試驗的填料選擇了目前國內常用的LF，填料的細度經過篩析，均<75μm。表2列出了石灰石粉填料的化學成分。

表2 石灰石粉填料的化學成分含量表(%)

1.2 制備

(1)PU改性瀝青：基質瀝青中單一摻入PU。基質瀝青預熱至150 ℃并且完全融化，在高速剪切儀中高速攪拌10 min，隨后將預熱至90 ℃的PU摻入其中，繼續攪拌10 min，制得PU改性瀝青。PU摻量為基質瀝青總質量的3%、5%和7%。

(2)PU-LF復合改性瀝青：PU改性瀝青與LF復摻。基質瀝青預熱至150 ℃并且完全融化，摻入石灰石粉(LF)作為填料進行混合，粉膠比為1.0。在高速剪切儀中攪拌45 min后，按瀝青總質量的3%、5%和7%分別摻入聚氨酯預聚體，攪拌反應60 min后，將其放入120 ℃的烘箱中。24 h后取出制樣進行性能測試。

1.3 多應力蠕變恢復試驗(MSCR)方案

采用AR1500ex型動態剪切流變儀進行多應力蠕變恢復試驗(MSCR)，制備PU改性瀝青和PU-LF復合改性瀝青試樣，分別為BA、BA+3%PU、BA+5%PU、BA+7%PU、BA+LF、BA+LF+3%PU、BA+LF+5%PU和BA+7%PU+LF。對比分析PU改性瀝青與PU-LF復合改性瀝青的試驗結果，評價PU-LF復合改性瀝青高溫抗車轍性能。

MSCR試驗設置轉子直徑為25 mm，間隙為1 mm，先后在0.1 kPa和3.2 kPa剪切應力控制模式下進行加載，即進行1 s水平加載后卸載9 s，并確保兩個步驟連貫不間歇。先在0.1 kPa的應力水平重復加載10個周期，然后在3.2 kPa的應力水平下重復加載10個周期，共計20個周期。前10個周期用于調整試件，數據不予采納。后10個周期蠕變恢復周期內的平均不可恢復蠕變柔量值分別表示為Jnr，0.1和Jnr，3.2。

Jnr越小，說明黏性流動變形(殘余變形)越小，瀝青膠漿在高溫下抵抗變形的能力越強，抗高溫性能越好，反之，則抗高溫性能差。

2 試驗結果與分析

2.1 不可恢復蠕變柔量Jnr的評價

如圖1所示為瀝青試樣在0.1 kPa和3.2 kPa兩種剪切應力作用下的不可恢復蠕變柔量Jnr，0.1、Jnr，3.2。從圖1可知，Jnr值變化規律基本一致，均隨PU摻量增加而降低，隨溫度的升高其降低趨勢增強。溫度升高導致瀝青試樣抗高溫性能下降，而增加PU摻量可提高其抗高溫性能；溫度越高，各摻量改性瀝青的Jnr和BA之間的差值也越大，表明其在高溫環境中具有顯著的抗高溫性能；相同溫度對應的Jnr隨PU摻量增加而減小，與BA的差值也逐漸增大，表明摻入PU能有效改善瀝青高溫抗永久變形能力；應力從0.1 kPa增大到3.2 kPa時，Jnr值增大，這與實際瀝青混凝土路面上較大的軸載會產生較大的車轍深度相符合。

同等溫度和摻量情況下，單摻PU的Jnr為PU-LF復合的近50倍左右。58 ℃和64 ℃單摻PU或PU-LF復合摻量為3%和5%的Jnr變化不大，當摻量增加為7%降低趨勢顯著。70 ℃下摻量由3%增加到5%和7%時，單摻PU較PU-LF復合的Jnr降低趨勢顯著，說明PU改性瀝青中加入LF后增強了抵抗變形的能力，提高了抗高溫性能。PU摻量由3%增加到5%和7%時，單摻PU的Jnr減小幅度較復摻顯著；而PU-LF復合改性瀝青的Jnr減小幅度很小。單摻PU時，通過增加PU摻量可有效提高瀝青試樣的抗高溫性能；而PU-LF復合改性瀝青對PU摻量不敏感，說明增加PU摻量對其抗高溫性能增效是有限的。與基質瀝青相比，改性瀝青的Jnr值從小到大排序為PU-LF復合

(a)0.1 kPa剪切應力下

(b)3.2 kPa剪切應力下

(c)0.1 kPa剪切應力下

(d)3.2 kPa剪切應力下

2.2 不可恢復蠕變柔量隨應力變化率Jnr，diff的評價

本文采用不可恢復蠕變柔量隨應力變化率Jnr，diff評價瀝青試樣對蠕變應力的敏感性。計算公式如下：

Jnr，diff=[(Jnr，3.2 kPa-Jnr，0.1 kPa)/Jnr，0.1 kPa]×100

(1)

式中：Jnr，diff——不可恢復蠕變柔量隨應力變化率；

Jnr，0.1 kPa和Jnr，3.2 kPa——在0.1 kPa和3.2 kPa剪切應力下的平均不可恢復蠕變柔量值。

Jnr，diff越大，說明在應力作用下會產生較大影響，敏感性強，穩定性差。

(a)單摻PU的Jnr，diff

(b)PU-LF復合的Jnr，diff

如圖2所示，隨著PU摻量增大和溫度的升高，不可恢復蠕變柔量差Jnr，diff總體上呈現上下波動的變化規律，而并非是單一變化趨勢。瀝青試樣的Jnr，diff值相差較大，這說明PU-LF復合改性瀝青表現出較強的應力敏感性，特別是PU摻量對應力敏感性影響較大。PU摻量增大其抗變形能力降低，穩定性較差。單摻PU的Jnr，diff敏感性高，PU-LF復合的Jnr，diff值顯著減小。表明采用復合改性技術后的PU-LF復合改性瀝青，應力敏感性明顯降低，抗變形能力提高。

3 結語

本文采用AR1500ex型動態剪切流變儀進行多應力蠕變恢復試驗(MSCR)，研究合成的聚氨酯-石灰石粉復合改性瀝青在中高溫環境中的不可恢復蠕變柔量Jnr，并與單摻PU試驗結果進行對比，分析PU-LF復合改性瀝青高溫和中溫環境下抵抗變形的能力和抗高溫性能，得出以下結論：

(1)Jnr均隨PU摻量增加而降低，隨溫度的升高降低趨勢增強。表明摻入PU能有效改善瀝青高溫抗永久變形能力。應力從0.1 kPa增大到3.2 kPa時，Jnr值增大，這與實際瀝青混凝土路面上較大的軸載會產生較大的車轍深度相符合。

(2)同等溫度和摻量情況下，單摻PU的Jnr為PU-LF復合的近50倍左右。各瀝青試樣的Jnr值由小到大排序為：PU-LF復合

(3)不可恢復蠕變柔量差Jnr，diff總體上呈現出上下波動的變化規律。單摻PU的Jnr，diff敏感性高，PU-LF復合的Jnr，diff值顯著減小。這表明采用復合改性技術的PU-LF復合改性瀝青，明顯降低了應力敏感性，提升了高溫性能，復合改性明顯優于摻入單一材料改性。