PU改性瀝青混合料路用性能試驗研究

林 翔

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

近年來,隨著我國經濟的不斷發展以及在《交通強國建設綱要》《國家綜合立體交通網規劃綱要》等國家政策的背景下,我國的交通事業迅速發展,其中交通運輸業的膨脹式發展也使各級道路承受的負荷加重,所帶來的道路超重、超載情況愈發突出。目前公路大多采用瀝青鋪裝,為了使瀝青路面在道路特殊情況下能夠有效應對各種載重,以及更好地提高瀝青路面的承受荷載和使用壽命,對瀝青路面的材料性能開展進一步的研究顯得尤為重要。近年來,國內外學者們針對瀝青的性能提升及應用場景的拓展開展了一系列研究,在國內,金嬌等[1]利用有機蒙脫土改性瀝青,增強瀝青的抗老化;羅航宇[2]通過SBS改性瀝青,提高瀝青的性能;周沛延等[3]基于DMA方法的相變改性瀝青粘彈特性及低溫性能。

本文針對瀝青路面在超負荷下所帶來的車轍、鼓包、開裂等問題,利用聚氨酯(PU)本身具有的耐磨、高機械強度、高彈性、耐老化、耐腐蝕的優點,與基質瀝青、粗細集料制備出一種PU改性瀝青混合料,對其在高溫環境下的穩定性能、低溫環境下的抗裂性能以及水穩定性能進行測試,并評價其路用性能以及應用于道路的可行性。

1 試驗

利用聚氨酯(PU)與瀝青熔融混合,制備出PU改性瀝青,根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011),依次進行高溫抗車轍試驗、小梁彎曲試驗和浸水馬歇爾試驗[4],測定聚氨酯改性瀝青混合料的高溫穩定性能、低溫抗裂性能和水穩定性能,以此研究聚氨酯改性瀝青混合料的路用性能。

1.1 試驗原材料

1.1.1 聚氨酯

聚氨酯(PU)是由多異氰酸酯和多羥基聚合物加聚而成以及主鏈上含有重復氨基甲酸酯基團的高分子化合物,其全稱為聚氨基甲酸酯[5]。本試驗所采用聚氨酯為廣州某聚氨酯生產廠家生產,其密度為1.2 g/cm3。

1.1.2 基質瀝青

本文試驗采用廣西某瀝青廠生產70#瀝青,其各項性能指標均符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTJ 032-94)的相關要求[6],詳細實測數值見表1。

表1 基質瀝青技術指標表

1.1.3 集料

本試驗采用玄武巖作為粗集料,石灰巖作為細集料,填料采用礦粉,集料和礦粉均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》要求。粗集料檢測標準和試驗結果見表2、細集料檢測標準和試驗結果見表3、礦粉檢測標準和試驗結果見表4。

表2 粗集料技術指標表

表3 細集料技術指標表

1.2 試驗方案

本文主要利用70#基質瀝青、4%SBS改性瀝青、35%PU改性瀝青、45%PU改性瀝青分別添加混合料進行拌和制成各類瀝青混合料,并通過試驗分析其性能指標。鑒于PU改性瀝青的制備目前可參考的制備工藝較少,且PU改性瀝青為熱固性材料,在高溫環境的影響下會發生固化反應導致其凝固,其凝固速度隨溫度的變化而變化[7]。本文通過反復試驗研究,在溫度為120 ℃時對PU改性瀝青進行拌和,且拌和時間為15 min。在進行反復的馬歇爾試驗后分別得出4種PU瀝青混合料的最佳油石比,70#基質瀝青混合料的最佳油石比為4.9%、4%SBS改性瀝青混合料的最佳油石比為5.0%、35%PU改性瀝青混合料的最佳油石比為5.4%、45%PU改性瀝青混合料的最佳油石比為5.4%[8]。混合料級配采用AC-13型級配,如表5所示。

表5 混合料級配表

2 性能測試結果與分析

2.1 高溫穩定性能

瀝青的高溫穩定性是指在高溫環境下能抵抗行車動荷載所帶來的變形的能力[9],由于瀝青混合料在高溫下會出現黏度降低而導致軟化,高溫軟化后的瀝青混合料在行車荷載的不斷作用下極易出現車轍,車轍的產生致使瀝青路面受到嚴重破壞,影響行車安全。因此,高溫穩定性是考驗瀝青鋪裝路面在高溫環境下是否穩定的一個關鍵指標。本文采用試驗室車轍試驗來測定4種不同瀝青混合料的動穩定度,從而評價4種PU改性瀝青混合料在高溫環境下的穩定性。車轍試驗的試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm,試驗條件為:在試驗溫度為60 ℃、施加荷載為0.7 MPa的條件下,碾壓速率45次/min[10]。4種不同瀝青混合料的試驗結果如表6所示,計算公式如下:

表6 車轍試驗結果表

(1)

式中:DS——動穩定度(mm/次);

d1——時間t1的變形量(mm);

d2——時間t2的變形量(mm);

c1——試驗機類型系數,本文中取1.0;

c2——試件系數,本文中取1.0;

N——試驗輪往返輾壓速度,為45次/min。

從表6可得,4種不同瀝青混合料的動穩定度值由低到高排序依次為70#基質瀝青<4%SBS改性瀝青<35%PU改性瀝青<45%PU改性瀝青,由此可得出添加了聚氨酯(PU)的改性瀝青動穩定度均得到了一定程度的提高,其中45%PU改性瀝青在進行車轍試驗后的動穩定度高達28 125 mm/次,70#基質瀝青僅為2 935 mm/次,是70#基質瀝青的9.6倍,4%SBS改性瀝青的動穩定度僅是70#基質瀝青的2.4倍,說明聚氨酯對瀝青的改性效果較SBS對瀝青的改性效果好,且隨著聚氨酯在改性瀝青中占比的增加,改性瀝青的動穩定度越高,高溫穩定性越好。

2.2 低溫抗裂性能

瀝青的低溫穩定性是指在低溫環境下能抵抗瀝青內部開裂的能力[11],在較低溫度時,會引起瀝青的收縮,從而產生路面裂縫,瀝青路面開裂易導致路面積水、空氣以及一些有害物質隨著裂縫進入路基內部,導致路基出現病害,一定程度上減少了路基的強度和使用壽命。本文采用低溫小梁彎曲試驗來評價四種不同類型瀝青的低溫抗裂性能[12]。試驗條件為:小梁試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm,試驗溫度為-15 ℃,荷載采用中點加荷,施加荷載速率為50 mm/min。4種不同類型瀝青的低溫抗裂試驗結果見表7。

表7 低溫抗裂試驗結果表

本次試驗主要以梁底彎拉應變值來考量4種不同瀝青混合料的低溫抗裂性能。從表7可得,4種不同瀝青混合料的梁底彎拉應變值由低到高排序依次為70#基質瀝青<4%SBS改性瀝青<35%PU改性瀝青<45%PU改性瀝青,兩種添加了聚氨酯(PU)的改性瀝青的彎拉應變值均較其他2種瀝青混合料的彎拉應變值高,說明添加了聚氨酯的PU改性瀝青低溫抗裂性能較均較另外2種瀝青的低溫抗裂性能好,且隨著聚氨酯(PU)添加量的不斷增加,其彎拉應變值也在不斷提高,彎拉應變值越高說明其在低溫環境下的抗裂性能越好。

2.3 水穩定性能

瀝青的水穩定性是指在浸水情況下瀝青受水的影響程度[13],在我國多雨地區,由于受到水分的破壞,部分瀝青會脫落,導致路面出現坑洞、瀝青剝離等病害,影響行車正常。本文采用浸水馬歇爾試驗來考量4種聚氨酯瀝青混合料在浸水環境下的水穩定性能。計算公式如下:

(2)

式中:MS0——試件的浸水殘留穩定度(%);

MS1——試件浸水48 h后的穩定度(kN);

MS——浸水30 min后的穩定度(kN)。

根據表8可知4種不同瀝青混合料在試驗后的殘留穩定度:70#基質瀝青為83.6%、4%SBS改性瀝青為87.6%、35%PU改性瀝青為84.7%、45%PU改性瀝青為89.8%,其中,45%PU改性瀝青經過馬歇爾試驗后的殘留穩定度較高,表明其抗水損害性能較好。

表8 浸水馬歇爾試驗結果表

3 結語

本文通過對PU改性瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性這幾個主要評價瀝青路用性能的指標來進行各項試驗并考量PU改性瀝青的路用可行性,通過路用性能的評價,證明其運用于道路上的可行性,為今后在實際工程中的應用提供理論依據,結果表明:

(1)聚氨酯(PU)對瀝青的改性效果較SBS對瀝青的改性效果好,且隨著聚氨酯(PU)添加量的增多,改性后的瀝青的動穩定度越高,高溫穩定性越好。

(2)兩種添加了聚氨酯(PU)的改性瀝青混合料的彎拉應變值均較其他兩種瀝青混合料的彎拉應變值高,說明添加聚氨酯(PU)可使改性瀝青混合料的彎拉應變值提高,且隨著聚氨酯添加量的提高,彎拉應變值也在逐漸增大,彎拉應變值增大說明其低溫抗裂性能較好。

(3)4種不同瀝青混合料在通過浸水馬歇爾試驗后的殘留穩定度均較好,但PU改性瀝青混合料在馬歇爾試驗后的殘留穩定度更高,抗水損害性能更好。