聚氨酯一玻璃纖維復合改性對瀝青材料性能的影響研究

關鍵詞：聚氨酯；復合玻璃纖維；改性瀝青；高溫性能；低溫性能；抗老化性；疲勞性能中圖分類號：U414.1文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.008文章編號：1673-4874（2025）03-0028-04

0 引言

瀝青作為道路建設的主要材料，因其優良的流動性、可操作性和低成本廣泛應用于路面鋪設[1-2]。然而，隨著交通量的不斷增加和極端氣候條件的影響，傳統瀝青在高溫下容易出現軟化，在低溫下容易開裂，抗車轍性差，抗疲勞能力不足，導致瀝青路面的使用壽命和安全性受限[3-4]。為了提高瀝青的性能，改性瀝青材料逐漸成為研究的熱點。聚氨酯（PU）由于其良好的彈性、耐磨性和抗老化性，被廣泛應用于瀝青的改性中[5-。然而，單一聚氨酯改性瀝青在高溫穩定性和低溫抗裂性方面仍存在一定局限[7-8]。玻璃纖維（GF）具有較高的強度和良好的分散性，能夠增強瀝青的抗車轍和抗疲勞性能。將聚氨酯（PU）與玻璃纖維（GF）復合使用，不僅能夠充分發揮聚氨酯的彈性和玻璃纖維的增強作用，還能夠提升瀝青的高溫穩定性、低溫抗裂性及耐久性，進而提高瀝青路面的整體性能[9-11]。本文旨在通過試驗研究聚氨酯復合玻璃纖維（GFPU）改性瀝青的性能，分析不同改性比例對瀝青的高溫性能、低溫性能、抗車轍性、抗疲勞性等方面的影響，并探索其應用前景。

1原材料與試驗方法

1. 1 原材料

本試驗使用 70^? 佛山殼牌瀝青。所用聚氨酯為MDI（異氰酸酯）基聚氨酯，具有較好的熱穩定性、彈性和黏結性。玻璃纖維選用短切玻璃纖維，長度為 6mm ，直徑為10μm ，具備良好的分散性和增強效果，能夠有效提升瀝青的抗裂性、抗車轍性和抗疲勞性。試驗中還采用了適量的溶劑和分散劑，幫助聚氨酯和玻璃纖維均勻分散在瀝青中。

1.2改性瀝青制備

改性瀝青的制備過程包括將聚氨酯復合玻璃纖維材料與基質瀝青進行混合，采用不同的聚氨酯復合摻量，參考以往對于玻璃纖維聚氨酯的研究，設計多個梯度，以研究其對瀝青性能的影響[12]。具體的制備流程如圖1所示：（1）根據不同的改性比例將聚氨酯（ 5% ， 10% F15% ）與玻璃纖維復合材料 （5% 準備好；（2）將該復合材料與 70^? 瀝青按比例混合，在150℃的溫度下攪拌均勻，確保聚氨酯和玻璃纖維充分分散在瀝青中，得到不同改性比例的聚氨酯復合玻璃纖維改性瀝青。

1.3改性瀝青混合料制備

根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40一2004）[13]，改性瀝青混合料的制備過程遵循傳統的熱拌瀝青混合料生產工藝。（1）按照AC-13C級配要求，如圖2所示，選取合適的粗集料、中集料和細集料，并將其干燥至適宜含水量；（2）將制備好的改性瀝青按 5% 、 10% 、 15% 摻量聚氨酯復合 5% 摻量玻璃纖維與集料進行混合，在160℃的溫度下攪拌均勻，確保改性瀝青與集料的良好結合，得到不同的改性瀝青混合料。混合料制作完成后，采用馬歇爾法和其他試驗方法對其進行性能測試。

1.4 試驗方案

本研究根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE20一2011），對改性瀝青和改性瀝青混合料進行系列性能測試。

1.4.1三大指標測試

針入度測試：采用針入度儀測量，標準針在25℃ ± 0.1℃的水浴中加載100g重力，持續5s后測量針入度。

軟化點測試：使用環球法，標準瀝青球在5℃/min的升溫速率中進行測量。

延度測試：在5cm/min的拉伸速度下，測試瀝青樣品在25℃溫度下的延展長度，直至斷裂。

1.4.2熒光顯微觀察

將瀝青樣品通過切割機制成光滑的小塊，使用熒光顯微鏡在400倍放大倍數下觀察其內部結構，記錄聚氨酯和玻璃纖維的分布狀態及界面結合情況。

1.4.3動態剪切流變（DSR）測試

改性瀝青取直徑為 25mm 、厚度為1mm的圓形薄片試件，在64℃的溫度下，加載頻率為 10rad/s. ，記錄復數模量（ G^* ）和相位角（δ），以評估瀝青的高溫流變特性。

1.4.4低溫劈裂試驗

制備直徑為 150mm 、高度為 50mm 的圓柱試件，在-10° 的溫度條件下養生 417 ，以確保內部溫度均勻。通過萬能材料試驗機施加拉伸應力直至試件劈裂破壞，加載速率為 50mm/min ，記錄最大劈裂力以評估低溫抗裂性能。

1.4.5浸水馬歇爾試驗

試件尺寸與標準馬歇爾試件相同，直徑為 101.6mm 高度為63. 5min 。將成型的馬歇爾試件在60℃的水浴中浸泡48h后取出，立即進行馬歇爾穩定度試驗，測定浸水后的馬歇爾穩定度。加載速率為 50mm/min ，馬歇爾儀進行加載直至試件破壞，測量浸水前后穩定度差異，評估水穩定性。

1.4.6無側限抗壓強度試驗

采用標準馬歇爾試件，直徑為 101.6mm 、高度為63.5mm。試驗采用無側限壓縮方式，通過萬能材料試驗機在標準加載速率下進行加載，加載速率為50mm/min ，直至試件破壞。試驗溫度為25℃，用于評估混合料的抗壓能力。

1.4.7劈裂疲勞試驗

采用直徑為 150mm 高度為 50mm 的圓柱試件，在20°C 恒溫環境下進行，以恒定的重復應力模式加載。加載頻率為6Hz，最大加載應力為0.5倍劈裂強度，循環加載直至試件發生劈裂破壞，記錄疲勞壽命（循環次數），用于評估混合料的抗疲勞性能。

2試驗結果與分析

2. 1 三大指標試驗

聚氨酯的加入顯著提升了瀝青的軟化點，降低了針入度和延度，如圖3所示。

圖3試驗結果表明，改性瀝青的針入度隨聚氨酯摻量的增加顯著降低，這反映了瀝青的硬度和高溫穩定性顯著提高。軟化點的升高趨勢表明，隨著聚氨酯的交聯結構與玻璃纖維的增強作用逐步增加，改性瀝青在高溫下的耐流動性能得到改善。單一聚氨酯改性組的延度隨摻量增加逐漸下降，表明其柔性受到一定影響，而復合改性組中玻璃纖維的加入有效減緩了這一趨勢，其延度表現優于單一改性組。這可能是由于玻璃纖維在瀝青中形成了骨架網絡結構，對瀝青分子提供了約束和支撐，減少了裂紋擴展的可能性，從而提高了瀝青的整體柔性和抗裂能力。

2.2熒光顯微試驗分析

對制備好的玻璃纖維聚氨酯改性瀝青進行取樣，觀測其分散情況，結果如圖4所示。

觀察圖4可知，玻璃纖維在瀝青中均勻分布，且與聚氨酯形成協同增強作用的網絡結構。如圖4（d）所示，纖維網絡更加密集，表明其對瀝青骨架的支撐作用顯著增強。

2.3 動態剪切流變（DSR）分析

采用動態剪切流變儀測定不同試樣在64℃溫度下的復數模量（ G^* ）和相位角（δ），計算其車轍因子（ G^* /sinδ），結果如表1所示。

試驗結果顯示，基質瀝青在高溫下的相位角較大，表明其主要以黏性為主，流動性較高，抗車轍能力較弱。單一聚氨酯改性后，相位角逐漸減小，而復數模量顯著提高，說明聚氨酯通過交聯作用改善了瀝青的彈性，增強了抗流變性能。復合改性組中，隨著玻璃纖維的加入，相位角進一步降低，而 G^*/sinδ 值顯著提升，尤其是在 15% PU+5%GF 組中，車轍因子達到5. 9kPa ，高于單一 15% 聚氨酯組的 5.1kPa 。這表明玻璃纖維的增強作用與聚氨酯的交聯作用形成了協同效應，共同提高了瀝青的高溫抗車轍能力，同時優化了其黏彈性。

2.4混合料性能測試

2.4.1低溫性能試驗

低溫劈裂試驗結果如圖5所示。由圖5可知，隨著聚氨酯摻量的增加，劈裂強度逐漸提高，這是由于聚氨酯在低溫下增強了瀝青的韌性和抗裂性。相比單一聚氨酯改性組，復合改性組的劈裂強度更高，尤其是 15% PU + 5% GF組達到3.38 MPa ，較 15% PU改性瀝青提升了23. 8% 。玻璃纖維的加入通過分散低溫應力并阻止裂紋的擴展，提高了混合料在低溫下的抗裂能力。這一結果表明，復合改性混合料在增強混合料低溫性能方面具有顯著優勢。

2.4.2浸水馬歇爾試驗

浸水馬歇爾試驗結果如圖6所示。由圖6可知，單一聚氨酯改性組的殘留穩定度隨著摻量的增加逐步提高， 15%PU 組達到 90% 。復合改性組的殘留穩定度更高，尤其是 15%%%+5% GF組達到 93% ，顯示出優異的抗水損傷能力。玻璃纖維通過其分散性和高強度構建了更加穩定的骨架結構，同時增強了混合料的抗水損能力。聚氨酯的交聯作用則提高了瀝青基質與骨料之間的黏結力，兩者協同作用顯著提高了混合料的水穩性。

2.4.3無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度試驗結果如圖7所示。由圖7可知，基質瀝青的抗壓強度為 4.2MPa ，隨著聚氨酯摻量的增加，抗壓強度逐漸提高。單一聚氨酯改性組中， 15% PU的抗壓強度達到 5.6MPa ，表明聚氨酯的交聯作用有效增強了瀝青的抗壓能力。復合改性組的抗壓強度進一步提高，尤其是 15%PU+5% GF組，抗壓強度達到6.2MPa ，較基質瀝青提高了 47.6% 。這是由于玻璃纖維在瀝青中形成了骨架支撐結構，能夠有效承受和分散壓縮應力，從而顯著提高了混合料的抗壓性能。聚氨酯與玻璃纖維的協同作用進一步優化了瀝青的力學性能。

2.4.4劈裂疲勞試驗

從圖8試驗結果可以看出，基質瀝青的疲勞壽命為2437次，說明其抗疲勞能力有限；在聚氨酯改性組中，隨著聚氨酯摻量的增加，疲勞壽命逐漸提升，這表明聚氨酯通過其化學交聯增強了瀝青的彈性和耐久性。在 15% PU改性組中，疲勞壽命達到了4718次，表現出顯著的抗疲勞性能提升。

在復合改性組中，疲勞壽命整體高于單一聚氨酯改性組，尤其是在 15%PU+5% GF組中，疲勞壽命達到了6073次，比基質瀝青提升了約2.5倍。這種提升效果得益于玻璃纖維在混合料中的骨架增強作用，有效地抑制了裂紋的萌生和擴展。此外，聚氨酯的柔性和彈性特性與玻璃纖維的高強度協同作用，使材料在重復荷載作用下保持了良好的完整性和耐久性。

總體來看，復合改性組中的疲勞壽命具有一定的波動性，反映了試驗中材料微觀結構和纖維分布的不均勻性。這種隨機性在實際路面應用中也是不可避免的，但無論是在抗裂性還是耐久性方面，復合改性組均表現出更優的綜合性能，尤其是在高摻量的情況下效果最為顯著。

3結語

（1）通過本文研究表明，聚氨酯和玻璃纖維的復合改性顯著增強了瀝青的高溫穩定性，軟化點提升明顯，復合改性組中的高溫抗流變性能優于單一聚氨酯改性組，體現出更強的抗車轍能力。這一改性方式為高溫氣候條件下的道路建設提供了有效的技術支持。

（2）復合改性瀝青的低溫劈裂強度和疲勞壽命均顯著提高。尤其是玻璃纖維和聚氨酯比例分別為 5% 和15% 時，材料在低溫條件下表現出優異的柔性和抗裂能力，同時疲勞壽命較基質瀝青提升約2.5倍，說明復合改性對提高瀝青混合料的低溫抗裂性和耐久性效果顯著。

（③玻璃纖維通過物理增強作用改善了瀝青的強度和韌性，而聚氨酯通過化學交聯提供了更好的黏彈性，兩者的協同作用使得改性瀝青在高低溫、耐疲勞和抗水損方面展現了優異的綜合性能。因此，聚氨酯復合玻璃纖維改性是一種有效且可行的瀝青改性方式，適用于多種嚴苛的氣候和交通條件。

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