PU改性瀝青抗車轍性能試驗研究

王富強，陽利君，陳鈺婷

(廣西交通職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

車轍、裂縫及坑槽是瀝青路面的主要病害。提高瀝青結(jié)合料性能是改善瀝青路面抗裂、車轍、熱裂等破壞性能的途徑之一[1-2]。聚氨酯(PU)是一種彈性體，同時具備熱塑性塑料和橡膠的優(yōu)點。目前有研究學者基于聚氨酯(PU)材料進行改性瀝青的研究，以取代價格昂貴的聚合物改性劑。研究表明，采用PU改性瀝青提高了抗車轍能力和高溫等級，滿足瀝青路面強度要求且耐磨，但提升程度有限。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[3-4]。為此，本文選用石灰石粉(LF)作為改性瀝青的填料與PU復摻[5]，進行短期老化試驗和動態(tài)剪切流變試驗，研究填料與合成的聚氨酯在中高溫下對瀝青結(jié)合料流變性能參數(shù)的影響，包括復數(shù)剪切模量G*和相位角δ，并與單摻PU進行對比；同時還研究復摻LF對老化指數(shù)AI的影響，為PU改性瀝青的推廣和應用提供參考依據(jù)。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

(1)基質(zhì)瀝青(BA)：為中石油重交瀝青70#，經(jīng)過試驗測得主要技術指標及結(jié)果如表1所示。

(2)聚氨酯(PU)：為西安某科技有限公司生產(chǎn)，顏色灰白，分子結(jié)構中R-N=C=O含量為30.5%，多元醇羥值≥180 mg KOH/g，固體含量≥80%，斷裂伸長率為323%，拉伸強度為10 MPa，25 ℃黏度為1.01 mPa·s，異氰酸酯與多元醇的比例為100∶56。

1.2 制備

(1)單摻PU改性瀝青：采用BA和PU兩種材料。將基質(zhì)瀝青加熱至完全融化，在130 ℃～140 ℃的溫度中高速攪拌10 min；將預熱至90 ℃的PU緩慢加入到瀝青中，高速攪拌10 min即可。PU摻量分別為瀝青總質(zhì)量的3%、5%、7%。

表1 70#基質(zhì)瀝青主要技術指標表

(2)與LF復摻改性瀝青：采用BA、PU和石灰石粉(LF)三種材料?？紤]到填料的粉膠比推薦范圍為0.8～1.2，本文選取瀝青路面工程中常用的石灰石粉(LF)作為填料，粉膠比為1.0。

制備瀝青膠漿前將石灰石粉放入烘箱中(溫度設為105 ℃)干燥6 h。在攪拌前1 h將瀝青放入150 ℃的烘箱中加熱至流動狀態(tài)。正式攪拌前，將石灰石粉填料與完全融化的基質(zhì)瀝青按粉膠比為1.0進行混合，并用玻璃棒人工攪拌使混合物大致均勻。采用恒溫油浴鍋對瀝青膠漿進行保溫(溫度150 ℃)，并在保溫同時采用數(shù)顯電動攪拌機對瀝青膠漿攪拌45 min，以使填料與瀝青混合均勻，置于150 ℃的烘箱中保溫1 h。將預熱至90 ℃的PU分別按瀝青總質(zhì)量的3%、5%、7%緩慢加入到瀝青中高速剪切攪拌10 min即可。

(3)單摻PU或與LF復摻共制備8種瀝青試樣，分別為：BA、BA+3%PU、BA+5%PU、BA+7%PU、BA+LF、BA+LF+3%PU、BA+LF+5%PU、BA+LF+7%PU。

1.3 試驗方案

1.3.1 短期老化試驗

采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(RTFOT)，對瀝青試樣進行短期老化試驗，得到老化后試樣。老化瓶控制溫度為(163.0±0.5)℃，瀝青試樣在老化瓶再次進行老化，時間為85 min。

1.3.2 動態(tài)剪切流變試驗

動態(tài)剪切流變儀(DSR)在高溫下測定瀝青試樣的流變性能，包括復數(shù)剪切模量G*和相位角δ，由此得到抗車轍因子G*/sinδ。車轍因子反映瀝青試樣的抗車轍能力，值越大，高溫時的流動變形越小，則抗車轍性能越高。

在瀝青膠漿制備過程中，用DSR測定瀝青試樣的G*/sinδ，分析不同摻量對其抗車轍性能的影響。DSR試驗參數(shù)為：試樣厚度為1 mm，直徑為25 mm。應變值采用應變式控制模式，未老化樣品的應變設為12%，老化樣品的應變設為10%，頻率為1.59 Hz(10 rad/s)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 摻入材料對車轍因子(G*/sinδ)的影響

圖1所示為試驗溫度為64 ℃對應的G*/sinδ值，短期老化后試樣均大于未老化試樣。與BA對比可知，單摻PU或與LF復摻均可提高瀝青結(jié)合料的G*/sinδ值，改善其抗車轍性能。與LF復摻改性瀝青的G*/sinδ值均大于相對應溫度下的單摻PU改性瀝青。與LF復摻的G*/sinδ值增大最顯著，較未老化BA增大4.7倍，較短期老化后BA增大3.6倍。

(a)64 ℃未老化

(b)64 ℃短期老化

2.2 PU摻量對車轍因子(G*/sinδ)的影響

瀝青試樣通常使用60 ℃來評價抗車轍性能，而事實上，瀝青路面在服役期間會在較大溫度變化范圍內(nèi)受到外界荷載的作用。本文模擬瀝青路面在服役期間常溫下產(chǎn)生的疲勞變形和極端溫度荷載下產(chǎn)生的瞬時塑性變形，設定試驗溫度分別為58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃，試驗結(jié)果如圖2所示。

(a)單摻PU未老化

(b)與 LF 復摻未老化

(c)單摻PU短期老化

(d)與 LF 復摻短期老化

由圖2可知，無論是單摻PU還是與LF復摻，其摻量由3%增加到5%和7%時，起初階段G*/sinδ均迅速降低，隨溫度的升高降低趨勢減弱。單摻PU或與LF復摻摻量為3%和5%的改性瀝青經(jīng)過短期老化后的G*/sinδ與未老化相比，沒有顯著變化，但摻量為7%的變化較為顯著。58 ℃和64 ℃時，與LF復摻的G*/sinδ降低速度較相對應溫度下的單摻PU顯著。70 ℃和76 ℃時，單摻PU或與LF復摻對應的G*/sinδ幾乎沒有變化。說明PU的摻量為7%時，其抗車轍性能基本達到最優(yōu)。

試驗結(jié)果說明，瀝青的抗車轍性能隨溫度的升高而降低，但在高溫狀態(tài)下增加PU摻量明顯可減弱G*/sinδ的下降趨勢，提高抗車轍性能。與LF復摻的高溫性能改性效果較單摻PU的改性效果明顯，表明與LF復摻改性瀝青較其他類型瀝青具有較好的抗車轍性能。

2.3 復摻LF對老化指數(shù)AI的影響

未老化G*/sinδ與短期老化G*/sinδ的比值為老化指數(shù)AI。AI值越高，表明該瀝青試樣對老化的敏感性越高，更好地反映了瀝青試樣抗車轍、抗老化的性能。計算公式如下：

AI=(G*/sinδ)aged/(G*/sinδ)un-aged

(1)

式中：AI——老化指數(shù)；

(G*/sinδ)aged——未老化值；

(G*/sinδ)un-aged——短期老化值。

圖3 各瀝青試樣老化指數(shù)AI

計算結(jié)果繪制如前頁圖3所示。由圖3可知，與BA對比，單摻PU或與LF復摻均可降低AI值；單摻PU的老化指標和與LF復摻的老化指標差異較大，與LF復摻的AI值低于單摻PU。單摻PU摻量由3%增加到5%和7%時，隨溫度的升高，AI值均有增大，說明單摻PU對AI值均有正向影響。與LF復摻摻量由3%增加到5%和7%時，起初階段AI值均有增大，但增加幅度不大；隨溫度的升高，AI值幾乎保持不變。由此可知，單摻PU改善了瀝青結(jié)合料的流變性能，但易于老化，在PU改性瀝青中復摻LF，可有效降低改性瀝青老化的敏感性，提高其抗老化的性能。

3 結(jié)語

本文選用石灰石粉(LF)作為改性瀝青的填料與PU復摻，制備了BA、BA+3%PU、BA+5%PU、BA+7%PU、BA+LF、BA+LF+3%PU、BA+LF+5%PU和BA+LF+7%PU等8種瀝青試樣，進行短期老化試驗和動態(tài)剪切流變試驗。通過對比試驗結(jié)果，分析如下：

(1)單摻PU或與LF復摻均可改善瀝青結(jié)合料的抗車轍性能。與LF復摻的結(jié)合料車轍因子(G*/sinδ)值增大最顯著，較未老化BA增大4.7倍；較短期老化后BA增大3.6倍。

(2)單摻PU或與LF復摻摻量由3%增加到5%和7%時，隨溫度的升高，G*/sinδ降低趨勢減弱，說明PU的摻量為7%時，其抗車轍性能基本達到最優(yōu)。與LF復摻的高溫改性效果較單摻PU效果明顯，表明與LF復摻較其他類型瀝青有較好的抗車轍性能。

(3)單摻PU的老化指標和與LF復摻的老化指標差異較大，與LF復摻的AI值低于單摻PU。單摻PU改善了瀝青結(jié)合料的流變性能，但易于老化；在PU改性瀝青中復摻LF，可有效降低改性瀝青老化的敏感性，提高其抗老化的性能。