聚氨酯/聚乙烯復合改性瀝青混合料的路用性能研究

為評價聚氨酯（PU）和聚乙烯（PE）對瀝青混合料路用性能的影響，文章通過制備不同PU/PE摻量組合的PU/PE復合改性瀝青混合料（PUEM），進行馬歇爾穩定度試驗、車轍試驗、劈裂試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和長期老化試驗后得出：PE和PU的添加可以提升PUEM的抗車轍性能和水穩定性；PU可以顯著提高PUEM的低溫性能，盡管PE的添加使得PUEM的低溫性能有所下降，但仍優于基質瀝青混合料。根據瀝青混合料長期老化試驗結果，適量的PU和PE能顯著改善PUEM的抗老化性能；根據PUEM的路用性能試驗結果，最佳改性劑摻量組合為2%PU+6%PE。

道路工程；瀝青混合料；聚氨酯；聚乙烯；路用性能

U416.03A060173

作者簡介：楊新宇（1996—），碩士，主要從事道路工程研究工作。

0" 引言

塑料制品是生產和生活中的常見材料，但隨著塑料制品使用量的增加，廢棄塑料的數量也逐漸增加［1］。塑料垃圾需要長達百年的時間才能完全分解，是環境污染的主要來源之一［2-3］。立足于國家“雙碳”戰略需求以及交通行業的飛速發展，開發一種綠色環保的瀝青混合料既有助于打造高質量瀝青路面工程，又能解決廢棄材料的環境問題。廢棄塑料聚乙烯（PE）具有價格低、利用率高、就地取材等優勢，目前已被廣泛用于瀝青材料［4-5］。同時，作為有“第五種塑料”之稱的聚氨酯（PU），其具有優越的環保性和前瞻性，也在道路工程領域中受到了廣泛關注［6］。與傳統的聚合物改性瀝青相比，PU改性瀝青各項性能均有明顯提升，包括高溫性能、抗疲勞性、耐老化性、粘附力和低溫抗裂性等［7］。此外，PU改性瀝青的相容性好，易與其他改性劑制備各種復合改性瀝青，且PU的生產過程和使用過程相對環保，可有效減少在道路建設和服役過程中對環境的影響［8-9］。因此，本文采用PE和PU作為改性劑，制備不同摻量下的PU/PE復合改性瀝青混合料（PUEM），并開展動穩定度試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、劈裂試驗、長期老化性能試驗等，系統研究PUEM的路用性能。

1" 原材料與試驗方法

1.1" 原材料

以東海牌70#道路石油瀝青作為基質瀝青，瀝青性能結果如表1所示。本研究采用石灰石作為骨料和填料，其技術指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）。PU和PE均由湖南某化工公司供應，PU和PE的相關技術指標如表2和表3所示。

1.2" 改性瀝青制備

根據以往的研究表明，當PU的摻量為2%且PE摻量＜6%時，瀝青具有較好的性能［10-11］。因此，制備四種摻量下的PU/PE復合改性瀝青，PU摻量為2%，PE摻量分別為0、2%、4%和6%。PU/PE復合改性瀝青制備過程：將基質瀝青加熱至熔融態，隨后添加PU，在180 ℃的溫度下采用4 000 r/min的速率剪切30 min，并保持相同的剪切條件添加PE粉末，以此制備PU/PE復合改性瀝青。

1.3" 瀝青混合料制備

根據前文制備的四種PU/PE復合改性瀝青作為膠結料，以AC-13C作為級配類型，采用馬歇爾成型制備四種PUEM，即2%PU+0PE、2%PU+2%PE、2%PU+4%PE和2%PU+6%PE，并成型基質瀝青混合料作為對照組，級配曲線如下頁圖1所示。在混合料試件制備過程中，混合料試件成型的擊實次數為75次，根據馬歇爾試驗，測定混合料的體積參數，確定瀝青混合料的最佳瀝青含量，得到基質瀝青混合料和PUEM的最佳瀝青含量分別為4.7%和5.0%。

1.4" 試驗方法

（1）馬歇爾穩定度試驗：基于《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）（以下簡稱《規程》）的T0709方法，在測試前將試件置于60 ℃水浴中保溫30 min，后以50 mm/min的加載速度對試件施加垂直荷載，對PUEM的穩定度、流值進行測試，用于反映PUEM的配合比設計參數。

（2）瀝青混合料車轍試驗：按照《規程》的T0719方法，制備300 mm×300 mm×50 mm的板塊狀試件，在60±1 ℃的溫度條件下，設置車輪壓力為0.7 MPa，進行PUEM的車轍試驗，用于表征PUEM在高溫條件下的永久抗變形能力。

（3）瀝青混合料劈裂試驗：按照《規程》的T0716方法，在開始測試前，將試樣在-10 ℃的恒溫空氣箱中放置6 h。之后在1 mm/min的加載速率下進行劈裂試驗，得到的間接抗拉強度用于表征PUEM的低溫抗裂能力。

（4）浸水馬歇爾穩定度試驗：參照《規程》的T0709方法，浸水殘留穩定度（IRS）為浸水48 h試樣的馬歇爾穩定度，除以浸水30 min試樣的馬歇爾穩定度的百分比，用以評價PUEM的水穩定性。

（5）瀝青混合料凍融劈裂試驗：基于《規程》的T0729方法，在測試溫度25 ℃的條件下，以恒定加載速率50 mm/min進行凍融劈裂試驗。以凍融劈裂抗拉強度比表示凍融前后抗拉強度的變化，凍融劈裂試驗的條件更為嚴苛，被廣泛用于研究瀝青混合料的抗水損害性能。

（6）熱拌瀝青加速老化試驗：根據《規程》的T0734方法，將馬歇爾試件置于85 ℃烘箱中，強制通風連續加熱5 d，模擬PUEM的長期老化過程。采用老化前后的馬歇爾穩定度比（AMSR）和間接抗拉強度比（AISR）來評價PUEM的抗老化性能。AMSR定義為未老化試樣的穩定度與老化后試樣的穩定度之比，而AISR定義為未老化試樣間接抗拉強度與老化后試樣間接抗拉強度的比值。

2" 結果與討論

2.1" 混合料高溫性能試驗結果

采用馬歇爾穩定度試驗和瀝青混合料車轍試驗，對PUEM的高溫性能進行評價，馬歇爾模數和動穩定度結果如圖2所示。

由圖2（a）（b）可知，PUEM的穩定度隨PE摻量的增加而增加，表明PE的增加能增加PUEM的剛度，且2%PU+6%PE的穩定度最高、流值最低，說明2%PU+6%PE的永久抗變形性能最好。從圖2（c）（d）可以看出，與基質瀝青混合料相比，2%PU+0PE的馬歇爾模數和動穩定度更高，說明PU能改善PUEM的高溫性能。同時，當PE摻量從0增加到6%時，PUEM的馬歇爾模數的顯著增加，這是因為PE能提高瀝青的粘聚力，從而提高改性瀝青與骨料之間的粘結強度，說明在PU改性瀝青混合料中，摻入PE可提高PUEM的高溫穩定性能。PUEM的馬歇爾模數與動穩定度的變化趨勢相似，隨著PE摻量從0增加到6%，PUEM的動穩定度明顯增加。同時可以發現2%PU+6%PE的動穩定度最高，明顯高于基質瀝青混合料（70#）與PU改性瀝青混合料（2%PU+0PE），這表明PE能進一步提高PUEM的抗永久變形性能。

2.2" 混合料低溫性能試驗結果

通過瀝青混合料劈裂試驗研究PUEM的低溫抗裂性，間接拉伸強度結果如圖3所示。由圖3可知，與基質瀝青混合料相比，加入PU后PUEM的間接拉伸強度增加，且2%PU+0PE的間接拉伸強度最大。這是由于PU可以提高瀝青的彈性性能，有利于PUEM的應力消散能力，從而能改善其低溫抗裂性能。同時可以發現，PE摻量從0增加到6%時，PUEM的間接拉伸強度有略微下降。盡管如此，2%PU+6%PE的間接拉伸強度仍大于基質瀝青混合料，這說明PE對PUEM的低溫抗裂性能有不利影響，但控制PE摻量下的低溫衰變仍影響不大。

2.3" 混合料水穩定性試驗結果

采用浸水馬歇爾試驗評價PUEM的水穩定性，浸水殘留穩定度結果如圖4所示。由圖4可知，PUEM的浸水殘留穩定度比基質瀝青混合料更高，說明PU和PE均可

顯著提高PUEM的水穩定性。此外，PUEM的浸水殘留穩定度隨PE摻量的增加而增加，且2%PU+6%PE的浸水殘留穩定度最高。這是因為PE能在瀝青基體中形成網狀結構，提高瀝青與骨料的粘結強度。綜上所述，PU改性瀝青混合料比基質瀝青混合料具有更好的抗水損傷性能，且PE可進一步提高PU改性瀝青混合料的抗水損傷性能。

凍融劈裂試驗是研究PUEM在凍融循環下水穩定性的方法，凍融劈裂抗拉強度比如圖5所示。由圖5可知，PUEM的凍融劈裂抗拉強度比大于基質瀝青混合料，且凍融劈裂抗拉強度比隨PE摻量先減少而后增大。這表明PU和PE均能提高PUEM的水穩定性。同時可以發現與基質瀝青混合料相比，2%PU+0PE的凍融劈裂抗拉強度比最高，且2%PU+0PE比2%PU+6%PE的凍融劈裂抗拉強度比略高。這說明加入最佳摻量的PU和PE可顯著提高PUEM的水穩定性。

2.4" 混合料老化性能試驗結果

目前規范所采用的路用性能試驗大多針對新拌瀝青混合料，并未考慮瀝青路面服役過程的長期老化影響，因此，采用老化前后的馬歇爾穩定度比（AMSR）和間接抗拉強度比（AISR）來評價PUEM的抗老化性能，試驗結果見圖6。一般來說，當AMSR值接近100%時，瀝青混合料具有很好的抗老化能力。由圖6可知，70#的AMSR＞100%，說明與未老化70#相比，長期老化后70#的穩定度增加，這可能是由于瀝青中的飽和烴和芳烴轉化為瀝青質和樹脂，導致瀝青黏度增加，從而使瀝青混合料更硬、更脆。同時還可發現加入2%PU后，PUEM的AMSR降低，逐漸達到100%，說明TPU加入后瀝青混合料的抗老化能力有所提高。然而，2%PU+2%PE的AMSR值高于2%PU+0PE，這是由于老化導致PE形成的網狀結構劣化，使得瀝青混合料硬化。隨著PE摻量的增加，PUEM的AMSR逐漸降低。2%PU+6%PE的AMSR＜100%，表明該摻量下的PUEM具有較好的抗老化能力。

針對不同老化情況下的劈裂試驗，隨著改性劑摻量的變化，AISR和AMSR的變化趨勢相似。與基質瀝青混合料相比，2%PU+0PE的AISR有所下降，也接近于100%。這表明PU對PUEM的抗老化性能有積極影響。同時，當PE摻量從2%增加到6%時，PUEM的AISR有所降低，2%PU+6%PE的AISR最低，且接近100%，說明PUEM的低溫性能幾乎不受老化影響。基于PUEM的AMSR和AISR指標結果，表明加入適量的PU和PE能顯著改善PUEM的抗老化性能，且2%PU+6%PE具有較好的抗老化耐久性能。

3" 結語

（1）PU和PE的添加均能顯著提高PUEM的馬歇爾穩定度和動穩定度，改善其高溫抗車轍性能，其中，2%PU+6%PE為最佳改性劑摻量組合，具有更高的抗永久變形性能。

（2）PU對PUEM的低溫性能有積極的影響，在PUEM中摻入適當摻量的PU和PE，可以明顯提高PUEM的低溫抗裂性能。

（3）基于浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和瀝青混合料老化試驗結果，表明2%PU+6%PE摻量下的瀝青混合料具有優異的水穩定性和長期耐老化性能。

（4）制備PU/PE復合改性瀝青混合料是改善瀝青路面性能的可行方法，綜合考慮高低溫性能、水穩定性和長期抗老化性能，可采用2%PU+6%PE的改性劑組合作為最佳摻量。

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20240312