關鍵詞：改性瀝青 | 聚氨酯 | 混合料 | 路用性能

隨著經濟的快速發(fā)展，道路交通量迅速增長，路面交通負荷增大，超載、重載問題突出，對瀝青路面的路用性能和耐久性提出了更高要求。而基質瀝青作為一種傳統(tǒng)路面材料，存在溫度敏感性高、強度低、易老化、脆點高等性質缺陷[1，2]，其性能難以滿足目前道路建設的需求。因此，對基質瀝青進行改性，改善其路用性能，提高瀝青路面耐久性已成為交通行業(yè)的發(fā)展趨勢。隨著高性能聚合物材料研發(fā)進展，大量性能優(yōu)異的聚合物材料被應用于道路工程領域。聚氨酯作為一種性能優(yōu)異的聚合物材料，摻入基質瀝青后能夠改善基質瀝青高低溫性能[3]。將聚氨酯作為新型瀝青改性劑是改善瀝青性質的新方向，Salas Miguel Angel[4]利用廢舊聚氨酯泡沫材料對基質瀝青進行改性，制備出聚氨酯摻量為4%改性瀝青，發(fā)現(xiàn)聚氨酯作為瀝青改性劑可提高基質瀝青的高、低溫性能。Behrokh Bazmara[5]研究了熱塑性聚氨酯改性瀝青的基本性能，通過DSR試驗發(fā)現(xiàn)聚氨酯對基質瀝青的高溫穩(wěn)定性具有顯zhu改善作用。班孝義[6]對比不同類型聚氨酯改性瀝青的高低溫性能，確定了聚醚型聚氨酯對基質瀝青的改性效果zui好，聚酯型聚氨酯改性瀝青存在水解特性。孫銘鑫[7]研究了聚氨酯空隙彈性路面混合料的性能，測試混合料的路用性能，表明聚醚型聚氨酯PERS混合料具有優(yōu)異的抗車轍性能。郭根才[8]等研究了30%和50%摻量聚氨酯改性瀝青混合料的高溫性能，利用熒光顯微鏡分析不同制備工藝和養(yǎng)生時間對改性瀝青性能的影響。

聚氨酯材料種類繁多，不同類型產品性能差異較大，將其作為瀝青改性劑及相應改性混合料的研究和應用成果較少。本文研究了聚氨酯改性瀝青的基本指標，確定聚氨酯的摻量范圍，設計混合料的級配，對聚氨酯改性瀝青混合料的路用性能進行研究，根據試驗結果評價其路用性能。

聚氨酯改性瀝青基本指標

采用某公司生產的溶液型聚氨酯（以下簡稱PU）產品對基質瀝青進行改性，改性瀝青針入度、軟化點和延度指標測試結果見表1。

由表1可以看出，隨著摻量的增加，瀝青的針入度和延度逐漸降低，軟化點逐漸升高。摻量小于20%，PU對基質瀝青的改性作用不明顯；摻量大于30%，改性瀝青的針入度和延度降低，符合SBS類Ｉ-Ｄ型的性能要求。因此，為保證改性瀝青具有均衡的高低溫性能，確定PU摻量為20%~30%，制備PU改性瀝青，進行混合料設計。

PU改性瀝青混合料級配設計

集料技術指標

(1)粗集料：粗集料采用浙江產玄武巖碎石，集料石質堅硬、干燥、無雜物，不含風化顆粒，其技術指標見表2。

(2)細集料：細集料采用浙江產的石灰?guī)r機制砂，細集料潔凈、干燥、無雜質且顆粒級配適當，技術指標見表3。

級配設計

選用AC-13礦料級配，依據技術規(guī)范中的級配設計范圍，采用馬歇爾設計法進行礦料級配設計，參考Superpave控制點和限制區(qū)優(yōu)化混合料級配，見圖1和表4。采用馬歇爾設計方法確定混合料zui佳瀝青用量[9]，以試驗測得的集料密度計算混合料有效相對密度γse，結果見表5。

確定zui佳油石比

采用馬歇爾試驗方法確定基質瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料、20%和30%摻量PU改性瀝青混合料的zui佳油石比。首先以±0.5為間隔，成型6組不同油石比馬歇爾試件，將PU改性瀝青混合料試件置于60℃恒溫加熱箱中養(yǎng)生6h；其次對6組試件的物理和力學性能進行測試，得到20%摻量PU改性瀝青混合料試驗結果見表6，按照現(xiàn)行瀝青路面施工技術規(guī)范中確定瀝青zui佳用量的方法確定PU改性瀝青的zui佳用量；采用同樣方法確定其他3種混合料的zui佳油石比。

摻加PU使瀝青黏度增大，流動性降低，為保證PU改性瀝青能夠與集料拌和均勻，需要增加其用量，提高拌和溫度。20%摻量PU改性瀝青混合料的zui佳油石比為5.7%，其中PU質量占比16.7%，基質瀝青質量占比83.3%；其zui佳油石比中瀝青實際占比4.7%，PU占比1.0%。相關研究表明瀝青與集料相互作用的過程和性質是影響混合料強度的主要因素，瀝青與集料的黏附過程分為潤濕、吸附以及黏附力的形成3個階段[10]，只有當瀝青充分潤濕集料時，瀝青中的極性物質才能與集料相互作用；當基質瀝青混合料油石比低于4.7%時，集料表面瀝青膜較薄，油石界面黏結強度較小，混合料的強度未達到zui優(yōu)。PU與基質瀝青固化后聚合物的分子量比基質瀝青的大，在吸附過程中難以進入集料表面的裂紋、孔隙和紋理中形成穩(wěn)定的油石界面。因此，隨著PU改性瀝青中PU摻量的增加，混合料的油石比增大。

PU改性瀝青混合料路用性能

高溫性能

采用車轍試驗分析PU對基質瀝青混合料高溫性能的改性效果。按照試驗規(guī)程方法成型4種混合料車轍試件，其中20%和30%摻量PU改性瀝青混合料試件需置于60℃恒溫加熱箱中養(yǎng)護6h，之后在室溫下冷卻10h。試驗溫度為60℃，輪壓為0.7MPa，輪碾速率42次/min，試件保溫5h后進行車轍試驗，結果見表7和圖2。

由表7可以看出，4種瀝青混合料動穩(wěn)定度指標均滿足規(guī)范要求，其高溫性能由高到低依次為：30%摻量PU改性瀝青混合料、20%摻量PU改性瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料、基質瀝青混合料，摻入PU后改性瀝青的高溫性能得到顯zhu改善。其中20%和30%摻量PU改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度比基質瀝青混合料的提高4.7倍和9.1倍，比SBS改性瀝青混合料的提升1.1倍和2.0倍。

由圖2可以看出，摻入PU后，混合料車轍變形量顯著降低，車轍變形量隨著其摻量增加而降低。4種混合料中30%摻量PU改性瀝青混合料在45min和60min的變形量zui小，表明PU能提升混合料抵抗高溫變形能力，摻量越大改性效果越顯著。

溶液型熱塑性PU摻入基質瀝青后，溶液中的異氰酸酯基團與基質瀝青中的活性氫發(fā)生固化反應[11]。固化后形成的聚合物分子結構中含有大量強極性的硬鏈段，可進一步提升基質瀝青的彈性和強度[12]，改變基質瀝青中黏彈性成分的比例，增加彈性成分，提升其抗剪切變形能力，改善其高溫性能。

低溫性能

依托低溫小梁彎曲試驗評價混合料的低溫性能。按照規(guī)程中的方法成型4種混合料的車轍板，切制小梁試件。試驗溫度-10℃，中點加載，加載速率5cm/min，試件在保溫2h后進行低溫小梁彎曲試驗，結果見表8。

由表8可以看出，摻入PU后混合料的彎曲勁度降低，彎拉應變變化不明顯，表明PU對混合料低溫性能也具有顯zhu改善作用。30%摻量PU改性瀝青混合料的彎曲勁度zui低，低溫性能zui好。由于PU是一種具有優(yōu)異高低溫性能的材料[13]，其分子結構中的軟、硬鏈段對基質瀝青的高低溫性能均具有改善作用，軟鏈段能增加基質瀝青的柔性[14]，提升其低溫性能。

水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗評價混合料的水穩(wěn)定性。成型4種混合料的浸水馬歇爾和凍融劈裂馬歇爾試件，PU改性瀝青混合料試件需置于60℃恒溫養(yǎng)生箱中養(yǎng)護6h。然后將浸水馬歇爾試件分為兩組，一組置于60℃水浴箱中浸泡48h，另一組水浴0.5h后，分別測定兩組試件的馬歇爾穩(wěn)定度，結果見表9。

由表9可以看出，4種混合料的殘留穩(wěn)定度值均滿足規(guī)范要求，隨著PU摻量增加，PU改性混合料的殘留穩(wěn)定度先增大后降低。PU改性瀝青固化后，PU分子與基質瀝青分子形成穩(wěn)定的空間網狀結構，改善了瀝青的分子結構，使混合料強度增加。

PU摻量超過30%后，改性瀝青中PU比例增加，其分子結構中的氨基甲酸酯、脲基、脲基甲酸酯基等基團在一定條件下會發(fā)生水解反應[15]，水分子可使原分子鏈從這些基團處斷裂，使分子鏈長度、分子量降低，導致PU綜合性能降低，且其水解屬于化學結構上的不可逆過程[16]，降低了PU改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

結語

采用溶液型熱塑性PU改性基質瀝青，獲得了PU改性瀝青的針入度、軟化點和延度指標，并與基質瀝青、SBS改性瀝青對比評價其改性效果。根據基質瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料和PU改性瀝青混合料的路用性能對比試驗，得到以下結論。

(1)通過測試不同摻量PU改性瀝青的針入度、軟化點和延度指標，確定PU摻量范圍為20%~30%，采用馬歇爾混合料設計方法得到不同摻量PU改性瀝青混合料zui佳油石比。

(2)PU對基質瀝青高、低溫性能改性效果優(yōu)異，PU改性瀝青混合料高溫性能顯著提升。

(3)對比4種混合料路用性能試驗結果可知：30%摻量PU改性瀝青混合料的高低溫性能zui好，強度zui高；但摻量超過30%后，PU改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能有一定程度降低。

(4)PU作為一種性能優(yōu)良的高分子聚合物材料，廣泛應用于各個行業(yè)中，針對不同行業(yè)生產的產品種類繁多，性能差異較大，而將其作為瀝青改性劑的研究和應用正處于積極探索階段，目前還未有針對道路工程使用特性研發(fā)的產品，與應用較廣的SBS等改性劑相比，PU摻量偏大，在后期研究中應嘗試更多不同類型的PU材料，降低PU摻量。

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全文完 發(fā)布于《公路》2021年第10期 

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