聚氨酯復(fù)配改性瀝青混合料路用性能評價

■劉錦鋒

（南平市公路事業(yè)發(fā)展中心，南平 353004）

近年來， 伴隨著閩北經(jīng)濟(jì)體制的蓬勃發(fā)展，公路作為交通出行的基礎(chǔ)設(shè)施， 其重要性尤為顯著。瀝青路面以及優(yōu)異的行車舒適性、低噪音、耐疲勞等性能構(gòu)成了高等級公路的主要結(jié)構(gòu)形式，隨之也出現(xiàn)了大量的各種路面病害，特別是閩北高海拔地區(qū)。 SBS 作為一種常用的聚合物，因其在物理交聯(lián)區(qū)域分散于塑性體組成的連續(xù)相之間，從而在瀝青中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)使SBS 改性瀝青同時具備良好的高低溫性能，目前廣泛應(yīng)用與瀝青道路行業(yè)。 但研究表明，SBS 作為一種聚合物，其與瀝青的相互作用實(shí)際是一種物理共混，而不是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 由于SBS 和瀝青在溶解度等方面的參數(shù)不同，兩者相容性以及熱穩(wěn)定性差的聚合物改性通病依然存在，且仍未得到良好的處理方式[1-3]。

聚氨酯（Polyurethane,PU）從20 世紀(jì)60 年代末開始， 其生產(chǎn)逐步形成產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用于密封膠體，涂覆材料等領(lǐng)域。 PU 本身是一種重要的高分子材料，其具有優(yōu)良的韌性、耐油、耐磨、耐老化、抗沖擊性等優(yōu)點(diǎn)。 瀝青混合料是由瀝青、集料、孔隙相構(gòu)成的三相體結(jié)構(gòu)，瀝青作為膠結(jié)料對瀝青混合料的性能起到關(guān)鍵的作用。 聚氨酯擁有遠(yuǎn)超一般瀝青膠結(jié)料的高溫、低溫、疲勞、彈性恢復(fù)性能，因此被視為瀝青路面中具有潛力替代材料之一。

本研究主要通過復(fù)配工藝制備了摻量分別為瀝青質(zhì)量的20%、30%、40%、50%的PU-SBS 改性瀝青，并將未進(jìn)行復(fù)配的SBS（4%）改性瀝青與70#基質(zhì)瀝青作為對照，比較了PU-SBS、SBS 改性瀝青以及70# 基質(zhì)瀝青基本性能的差異，并進(jìn)一步制備了AC-13 瀝青混合料，比較不用PU 摻量下復(fù)配改性瀝青混合料的高低溫以及水穩(wěn)定性能優(yōu)劣。

1 原材料及改性瀝青制備

1.1 原材料

為研究瀝青指標(biāo)性能，選用殼牌70# 基質(zhì)瀝青與福建某公司生產(chǎn)的SBS 改性瀝青，各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范規(guī)定。 所選用的聚氨酯為天津某公司生產(chǎn)的單組分聚氨酯，外觀為灰白色，密度為1.08 g/cm3。瀝青混合料級配為AC-13 密級配瀝青混凝土，所選用礦質(zhì)集料均為玄武巖，實(shí)測技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

1.2 聚氨酯改性瀝青制備工藝

聚氨酯本身作為一種熱固性材料，溫度和試件對其固化程度有著很大的影響，其與瀝青的融合不可避免的會發(fā)生一定程度的固結(jié)反應(yīng)。 為減少固結(jié)的程度，合適的溫度與拌和時間至關(guān)重要，此處借鑒文獻(xiàn)[4]中的研究成果，主要制備過程如下：將成品SBS 改性瀝青置于170℃的烘箱中加熱至材料具有流動性，將提前在80℃下預(yù)熱過的單組分聚氨酯勻速加入SBS 改性瀝青后， 使用高速剪切機(jī)以4000 r/min 的轉(zhuǎn)速剪切30 min 左右，使兩者充分均勻混合。 最后將制備好的PU-SBS 改性瀝青置于80℃環(huán)境下養(yǎng)生60 min 待用。

2 聚氨酯改性瀝青的基本性能

通過上述制備工藝得到的聚氨酯復(fù)配改性瀝青，分別對其與SBS 和70# 基質(zhì)瀝青共6 種瀝青進(jìn)行針入度、10℃延度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)、135℃布氏粘度以及儲存穩(wěn)定性試驗(yàn)，其結(jié)果見表1。

表1 聚氨酯改性瀝青基本性能指標(biāo)

由表1 可知，相較于未改性的基質(zhì)瀝青，無論是SBS 還是PU-SBS 復(fù)配改性瀝青均具有更高的延度、軟化點(diǎn)、布氏粘度，表明改性劑的加入能改善基質(zhì)的高低溫性能。 相較于SBS 改性瀝青，通過復(fù)配PU 改性的SBS 瀝青，PU 摻量的增加使得SBS瀝青變“硬”，表現(xiàn)為更低的針入度，相較于空白對照組（SBS）。 而延度、軟化點(diǎn)、布氏粘度以及彈性恢復(fù)能力均隨著PU 摻量的增加而逐步提高。 這主要是因?yàn)镻U 作為一種熱固材料，其彈性行為明顯，通過向SBS 改性瀝青中加入了一定量的彈性成分，能有效提高其粘結(jié)力，形成穩(wěn)定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而具備更優(yōu)良的高低溫性能[4]。儲存穩(wěn)定性在不同摻量下存在浮動，沒有一致性規(guī)律，但相較于SBS 改性瀝青提高了24%左右，表明其儲存穩(wěn)定性有所改善。

3 聚氨酯改性瀝青混合料路用性能研究

3.1 聚氨酯改性瀝青配比設(shè)計

我國現(xiàn)有的高等級公路瀝青上面層以AC-13級配居多。 因此本研究按照馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計方法依次制備基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青、PU 復(fù)配SBS 改性瀝青的瀝青混合料，并按照定油要求最終確定最佳油石比依次為5.0%、5.2%和5.3%(圖1)。

圖1 AC-13 級配曲線設(shè)計

3.2 聚氨酯改性瀝青高溫穩(wěn)定性

在炎熱的夏季，車輛通過揉搓碾壓會對軟化的瀝青路面產(chǎn)生車轍、擁包等病害形式，聚氨酯材料自身的高彈性以及彈性恢復(fù)能力，能有效阻止車輛荷載對瀝青路面造成的病害。 60℃車轍試驗(yàn)?zāi)芎芎玫仡A(yù)估不同摻量下聚氨酯改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，其結(jié)果見圖2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，PU-SBS瀝青混合料的動穩(wěn)定度均在10 000 以上，表明其對于高溫穩(wěn)定性有良好的改善效果。 對照普通的SBS改性瀝青混合料，隨著PU 摻量的依次提升，其動穩(wěn)定度提升幅度依次為54.09%、78.06%、113.67%、145.36%。 這主要是由于聚氨酯的加入為瀝青提供了更多的彈性成分， 從而在荷載作用后及時回復(fù)原有的性狀。 與此同時其與SBS 形成的穩(wěn)定空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)聚氨酯與瀝青完成固化后，顯著提升了瀝青混合料的力學(xué)性能， 從而大幅度提高了高溫穩(wěn)定性。

圖2 不同AC-13 瀝青混合料動穩(wěn)定度

3.3 聚氨酯改性瀝青低溫抗裂性

冬季氣溫較低，對瀝青混合料的力學(xué)性能存在較大變化。 瀝青是一種典型的粘彈性材料受溫度影響很大，在低溫條件下變形處較強(qiáng)的脆斷性，即強(qiáng)度增大，但抗變形能力降低，容易發(fā)生開裂。 本試驗(yàn)采用低溫梁彎曲試驗(yàn)評價PU 改性瀝青的低溫抗裂性能，試驗(yàn)溫度為-10℃，采用萬能試驗(yàn)機(jī)（MTS）進(jìn)行加載，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同AC-13 瀝青混合料彎拉應(yīng)變

根據(jù)結(jié)果可知，隨著聚氨酯摻量的增加，低溫彎拉應(yīng)變進(jìn)一步提高， 依次提升10.36%、16.91%、27.37%、38.60%。 在30%PU-SBS 組合下，其彎拉應(yīng)變相較于70# 基質(zhì)瀝青提高了75.01%，相較于SBS改性瀝青混合料提高了16.91%， 且均遠(yuǎn)高于規(guī)范中的要求。 這可能是由于聚氨酯的加入使瀝青混合料的延展性得到了提升，正如瀝青延度試驗(yàn)結(jié)果所發(fā)現(xiàn)的，因此其相應(yīng)的復(fù)配改性瀝青混合料具備優(yōu)異的低溫抗裂性能[5]。

3.4 聚氨酯改性瀝青水穩(wěn)定性

3.4.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

殘留穩(wěn)定度是評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的常用方法之一。 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。從試驗(yàn)結(jié)果可知包括基質(zhì)瀝青在內(nèi)，各種改性瀝青的殘留穩(wěn)定度結(jié)果均滿足規(guī)范要求，其中30%PU-SBS 改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度（88.3%）與SBS 瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度（88.2%）基本相等。 PU 摻量的增加能提高殘留穩(wěn)定度的值，但在30%以下時略低于SBS 瀝青混合料。

圖4 不同AC-13 瀝青混合料殘留穩(wěn)定度

3.4.2 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)同樣作為瀝青混合料的水穩(wěn)定性的常用評價方法，能夠反應(yīng)在凍融條件下材料抵抗水損壞的程度。 試驗(yàn)分為試驗(yàn)組和對照組，每組不少于4 個試件以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。 圖5 為凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）的試驗(yàn)結(jié)果。 TSR 的結(jié)果看出與殘留穩(wěn)定度結(jié)果相似， 在30%PU 摻量下與SBS 改性瀝青混合料的TSR 值接近， 當(dāng)摻量低于30%時，會有少量的減少，但是均滿足規(guī)范要求中≥80%的限制，且遠(yuǎn)高于70#基質(zhì)瀝青的TSR 值（72.3%）。

圖5 不同AC-13 瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比

綜合殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比的結(jié)果可知， 在30%PU 摻量下復(fù)配改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性基本與SBS 改性瀝青的水穩(wěn)定相似，且在本次試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，隨著PU 的增加，水穩(wěn)定性逐漸提高。 PU 的加入能增加瀝青的粘結(jié)力，在有水環(huán)境中阻止了沖刷造成的瀝青膜脫落[6]。

4 結(jié)論

本研究首先制備了PU-SBS 復(fù)配改性瀝青，并比較了其與70# 基質(zhì)瀝青與SBS 改性瀝青的基本性能，隨后制備了不同種類與PU 摻量的AC-13 密級配瀝青混合料， 比較了其高低溫以及水穩(wěn)定性能， 主要得出以下結(jié)論：（1）PU 作為一種熱固性材料，通過復(fù)配技術(shù)制備了PU-SBS 改性瀝青進(jìn)行基本性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)具有更高的延度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)能力， 且隨著PU 摻量的增加進(jìn)一步提升。 同時PU 復(fù)配后的瀝青相較于SBS 具有更高的儲存穩(wěn)定性，表明其分散更為均勻。 （2）由于PU 自身的高彈恢復(fù)能力，在高溫條件下PU-SBS 改性瀝青混合料能夠極大的提升SBS 瀝青混合料的動穩(wěn)定度。當(dāng)50%摻量下提升幅度可達(dá)145.36%， 且在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，隨著PU 的增加而增加。 （3）低溫抗裂性試驗(yàn)結(jié)果表明PU 摻量的增加能夠提升其最大彎拉應(yīng)變， 相較于普通SBS 改性瀝青混合料， 每增加10%PU 摻量，依次提高了10.36%、16.91%、27.37%、38.60%且遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青的抗裂性能。 （4）水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明， 無論是殘留穩(wěn)定度還是TSR，在30%摻量下PU-SBS 改性瀝青與SBS 的水穩(wěn)定性能基本相同，當(dāng)?shù)陀诖藫搅肯侣杂邢陆担谠囼?yàn)摻量范圍內(nèi)仍隨著PU 的增加， 水穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升。

5 結(jié)語

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果得出，采用PU-SBS 復(fù)配改性瀝青有效提升了瀝青路面在高溫、嚴(yán)寒、水作用的環(huán)境綜合作用下抗車轍、坑槽、裂縫等病害的性能，增強(qiáng)了瀝青路面的耐久性，是一項(xiàng)可推廣可復(fù)制的瀝青路面技術(shù)。 此外，該項(xiàng)技術(shù)能夠有效提升閩北高海拔地區(qū)瀝青路面抗病害能力，降低公路養(yǎng)護(hù)成本，促進(jìn)當(dāng)?shù)毓肥聵I(yè)發(fā)展具有重要意義。