聚氨酯/膠粉復合改性瀝青流變性能分析

作者簡介：韋錫望（1990—），碩士，工程師，主要從事公路與城市道路工程咨詢、設(shè)計、研究工作。

摘要：文章為分析聚氨酯/膠粉復合改性劑對基質(zhì)瀝青流變性能的影響，基于瀝青流變性能試驗對復合改性劑改性效果進行研究。結(jié)果表明：聚氨酯與膠粉能夠協(xié)同改善基質(zhì)瀝青的高低溫流變性能、感溫性能以及抗老化性能，且聚氨酯摻量越大，改性效果越好；當采用15%聚氨酯與10%膠粉進行復合改性時，可將基質(zhì)瀝青的PG等級由PG70-12提高至PG82-24。

關(guān)鍵詞：聚氨酯；廢舊膠粉；流變性能；感溫性能；老化性能

中圖分類號：U416.03A150494

0 引言

瀝青路面因其良好的行車舒適性、降噪特性和施工便捷性等優(yōu)點，被廣泛運用于道路工程的建設(shè)中。然而由于日益繁重的交通荷載和極端天氣的頻發(fā)，部分瀝青路面在未達到設(shè)計壽命之前會出現(xiàn)車轍、坑槽、裂縫等病害，影響行車安全和舒適性。為此，研究人員提出了改性瀝青技術(shù)，即通過加入聚合物、橡膠、天然硬質(zhì)瀝青等改性劑來改善普通瀝青的各項技術(shù)指標，以滿足瀝青路面使用性能的需求。

聚氨酯是一種由二異氰酸酯或多異氰酸酯與二羥基或多羥基化合物（多元醇）加聚而成，主鏈上含有重復氨基甲酸酯基團（—NHCOO—）的聚合物，是兼具橡膠與塑料材料特性的一種高分子彈性材料^［1］。研究人員將聚氨酯與基質(zhì)瀝青制備成改性瀝青后，發(fā)現(xiàn)聚氨酯能明顯提高瀝青在高溫和低溫環(huán)境下的力學性能，同時與瀝青之間具有良好的相容性，是一種具有良好潛力的瀝青改性劑^［2］。目前，聚氨酯改性瀝青的研究尚處于起步階段，研究方向主要集中在單一聚氨酯改性瀝青路用性能和聚氨酯改性機理等方面，對于聚氨酯復合改性瀝青的相關(guān)研究較少^［3］。廢舊膠粉是一種由廢舊橡膠輪胎加工而成的高分子彈性材料，膠粉的加入能顯著提升瀝青的抗車轍、抗疲勞等路用性能^［4］。如果膠粉與聚氨酯進行協(xié)同改性，將可能同時發(fā)揮膠粉和聚氨酯的優(yōu)勢，并提高改性瀝青的經(jīng)濟性，有利于聚氨酯改性瀝青在實際工程中的推廣應(yīng)用。鑒于此，本文采用聚氨酯與廢舊膠粉對基質(zhì)瀝青進行復合改性，并通過高溫動態(tài)剪切流變試驗、低溫彎曲梁流變試驗以及旋轉(zhuǎn)薄膜老化試驗，分析聚氨酯/膠粉復合改性瀝青的高、低溫流變性能以及溫度敏感性等路用性能，以期為聚氨酯改性劑在實際工程中的應(yīng)用提供參考。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

本文使用東海牌70^#瀝青作為基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)性質(zhì)如表1所示。

1.2 廢舊膠粉

本文采用的100目廢舊輪胎膠粉技術(shù)性質(zhì)如表2所示。

1.3 聚氨酯

本文采用的聚醚型熱固性聚氨酯預聚體與MOCA擴鏈劑主要技術(shù)指標如表3～4所示。

2 聚氨酯/膠粉復合改性瀝青的制備

將70^#基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)后，摻入瀝青質(zhì)量分數(shù)為10%的廢舊膠粉，隨后使用高速剪切乳化機進行充分剪切（剪切溫度為170 ℃，轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，剪切時間為90 min），然后摻入預定比例的聚氨酯預聚體與擴鏈劑，在150 ℃下繼續(xù)剪切60 min（轉(zhuǎn)速為3 000 r/min），剪切完成后將其放置在120 ℃的烘箱內(nèi)發(fā)育溶脹120 min，即制得不同聚氨酯/膠粉復配摻量的復合改性瀝青^［5］。

3 聚氨酯/膠粉復合改性瀝青流變性能

3.1 高溫流變性能

為探究聚氨酯/膠粉對基質(zhì)瀝青高溫流變性能的影響，本文基于動態(tài)剪切流變儀（Dynamic Shear Rheometer，以下簡稱DSR）對不同聚氨酯/膠粉摻量復合改性瀝青試件的高溫流變性能進行分析。DSR試驗參數(shù)為：應(yīng)變控制模式，應(yīng)變控制水平為12%，加載頻率為10 rad·s^-1，溫度為70～88 ℃。結(jié)果如表5與圖1、圖2所示。

由表5與圖1、圖2可知：

（1）基質(zhì)瀝青中摻入聚氨酯和膠粉改性劑后，同等試驗溫度條件下的復合改性瀝青相位角均明顯下降，且聚氨酯的摻量越大，相位角降幅越大。相位角主要表征材料的粘彈性特征。相位角越小，材料的彈性特征越強，理想彈性材料相位角為0°。試驗結(jié)果表明聚氨酯與膠粉能顯著提高基質(zhì)瀝青在高溫條件下的彈性特征，提高聚氨酯摻量能進一步改善瀝青抵抗高溫剪切變形的性能。

（2）摻入聚氨酯和膠粉后，基質(zhì)瀝青在同一試驗溫度下的G^*/sin δ明顯提高。聚氨酯摻量越大，G^*/sin δ的增幅越大。G^*/sin δ表征瀝青抵抗剪切變形的能力，G^*/sin δ越大，高溫條件下瀝青抗車轍性能越強。試驗結(jié)果表明，聚氨酯和膠粉能改善瀝青抗車轍性能，聚氨酯摻量越大，復合改性瀝青的抗車轍性能越強。這可能是由于聚氨酯預聚體中的異氰酸酯與膠粉中的活性成分以及瀝青中的芳香族化合物一起反應(yīng)，形成具有更多交聯(lián)點的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從宏觀上表現(xiàn)為復合改性瀝青的黏度增加和彈性特征增強，從而提高復合改性瀝青的高溫流變性能。

（3）經(jīng)過RTFOT老化后，基質(zhì)瀝青的G^*/sin δ變化幅度為44.3%～49.2%，10%膠粉改性瀝青為30.4%～34.2%，而聚氨酯/膠粉復合改性瀝青為17.5%～34.1%。聚氨酯的摻量越大，G^*/sin δ變化幅度越小。這是由于瀝青經(jīng)熱氧老化后，輕質(zhì)組分含量降低，瀝青的黏性特征降低，彈性特征增強。而聚氨酯與瀝青羥基活性氫原子的反應(yīng)改善了瀝青的膠質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而提高了復合改性瀝青的抗老化性能，延長了瀝青的使用壽命。

3.2 低溫流變性能

本文采用低溫彎曲梁流變儀（Beam Bending Rheometer，以下簡稱BBR）對聚氨酯/膠粉復合改性瀝青的低溫性能進行研究。將復合改性瀝青樣品制成小梁試件，測試各試驗組瀝青的蠕變勁度S與蠕變速率m，結(jié)果如表6與圖3所示。

由表6和圖3可知：

（1）在同等溫度條件下，基質(zhì)瀝青中摻入聚氨酯與膠粉后，試樣的蠕變勁度發(fā)生明顯降低，且改性劑中聚氨酯摻量越大，蠕變勁度下降幅度越明顯。蠕變勁度模量表征瀝青的抵抗荷載性能，值越小則表示小梁試樣在低溫條件下的柔韌變形性能越好，反之則表明試樣越硬脆。試驗結(jié)果表明，摻入聚氨酯與膠粉可提高瀝青的低溫性能，聚氨酯摻量越大，則瀝青的低溫性能越好。這可能是由于聚氨酯中的-NCO與瀝青中的羥基活性氫原子發(fā)生化學反應(yīng)，從而改善瀝青膠質(zhì)組分結(jié)構(gòu)，宏觀上表現(xiàn)為提高瀝青低溫柔韌變形性能。

（2）隨著聚氨酯摻量的增加，試樣的蠕變速率逐漸提高。蠕變速率主要反映瀝青的應(yīng)力松弛性能，值越大表示瀝青響應(yīng)收縮變形的速率越快，內(nèi)部積累溫度應(yīng)力的可能性越小，瀝青低溫抗裂性能越好。這表明聚氨酯與膠粉的協(xié)同改性作用改善了瀝青的應(yīng)力松弛性能，從而提高瀝青的低溫抗裂性能。

3.3 PG分級

根據(jù)SHRP提出的瀝青PG分級標準，以及表5、表6中的DSR與BBR試驗結(jié)果，將聚氨酯/膠粉復合改性瀝青的PG等級匯總?cè)绫?所示。

由表7可知，聚氨酯和廢舊膠粉能有效提高瀝青的PG高溫、低溫等級，表明聚氨酯和廢舊膠粉的協(xié)同改性作用有效改善了瀝青材料在車輛荷載與環(huán)境溫度作用下的抵抗變形性能，從而提高瀝青路面使用壽命。

4 聚氨酯/膠粉復合改性瀝青感溫性能

為評價聚氨酯/廢舊膠粉復合改性瀝青感溫性能，本研究采用了復數(shù)模量指數(shù)GTS作為感溫性能評價指標。GTS是通過瀝青的復數(shù)模量G^*的雙對數(shù)與試驗溫度T的對數(shù)進行回歸擬合計算得到的，其計算公式如式（1）所示。基于DSR試驗結(jié)果和式（1）分別計算GTS，結(jié)果如表8所示。

lg［lg（G^*）］=GTS×lg（T）+C（1）

式中：G^*——復數(shù)剪切模量（Pa）；

T——試驗溫度（K）；

C——回歸擬合中常數(shù)項；

GTS——復數(shù)模量指數(shù)。

由表8可知，膠粉單一改性瀝青與聚氨酯/膠粉復合改性瀝青的復數(shù)模量指數(shù)絕對值|GTS|均小于基質(zhì)瀝青，且復合改性瀝青中的聚氨酯摻量越大，|GTS|值越小。|GTS|用于表征瀝青在溫度上升時復數(shù)模量G^*的變化幅度。結(jié)果表明，膠粉與聚氨酯均能降低高溫對瀝青材料力學指標的負面影響，使瀝青在高溫條件下仍能維持良好的力學性能以抵抗車輛荷載的作用。聚氨酯能夠與膠粉協(xié)同改善基質(zhì)瀝青的感溫性能，聚氨酯摻量越大，復合改性瀝青的感溫性能越好。

5 結(jié)語

本文通過DSR與BBR瀝青流變性能試驗研究了聚氨酯/膠粉復合改性劑對基質(zhì)瀝青的黏彈性特征、高溫流變性能、低溫應(yīng)力松弛性能、溫度敏感性等流變性能的影響，得出以下結(jié)論：

（1）聚氨酯/膠粉復合改性劑能顯著提高基質(zhì)瀝青高溫條件下的彈性特征、抗車轍因子，降低瀝青老化前后的性能變化，改善瀝青的高溫剪切變形與熱氧老化的性能。

（2）聚氨酯/膠粉復合改性劑能明顯提高瀝青的低溫柔韌變形性能與應(yīng)力松弛性能，從而改善瀝青的低溫抗裂性能，且聚氨酯摻量越大，復合改性瀝青低溫性能越好。

（3）聚氨酯/膠粉復合改性劑能降低高溫對瀝青材料力學指標的負面影響，提高基質(zhì)瀝青的溫度敏感性能。

（4）聚氨酯與膠粉能協(xié)同改善基質(zhì)瀝青的高、低溫流變性能，當摻入15%聚氨酯與10%膠粉時，可將基質(zhì)瀝青的PG等級由70～12提高至82～24。

參考文獻

［1］李添帥，陸國陽，梁 棟，等.聚氨酯前驅(qū)體基化學改性瀝青及其改性機理［J］.中國公路學報，2021，34（10）：45-59.

［2］孫 佳，張增平，王 封，等.聚氨酯/環(huán)氧樹脂復合改性瀝青性能研究與組成優(yōu)化［J］.熱固性樹脂，2022，37（1）：1-4，11.

［3］萬 寧，賀求生，張 帥，等.聚氨酯/環(huán)氧樹脂改性瀝青混合料路用性能研究［J］.公路交通科技，2022，39（9）：9-15.

［4］徐光霽，范劍偉，馬 濤，等.高摻量廢胎膠粉改性瀝青性能研究［J］.材料導報，2022，36（16）：5-12.

［5］金 鑫，郭乃勝，閆思檬，等.聚氨酯復合改性瀝青的制備與性能研究［J］.中國公路學報，2021，34（3）：80-94.