聚氨酯改性瀝青混合料性能試驗(yàn)研究

張樂樂

(1.河北交規(guī)院瑞志交通技術(shù)咨詢有限公司 石家莊市 050091； 2.河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心 石家莊市 050091)

0 引言

道路交通作為公用基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，支撐著城市的發(fā)展骨架，道路往往是一個(gè)城市的重要門戶，因此，路面需要具有一定的美觀、平整度及舒適度。道路路面類型主要分為水泥路面和瀝青路面兩類，由于水泥路面較高的強(qiáng)度和耐久性，過去一直很受青睞，但隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對(duì)道路的認(rèn)知和功能要求越來越高，瀝青路面具有平整度高、舒適性好的特點(diǎn)，但普通瀝青路面在夏季易出現(xiàn)車轍、擁包、推移，冬季寒冷季節(jié)易出現(xiàn)溫縮裂縫等現(xiàn)象[1]。尤其是車輛超載超重的情況頻出，對(duì)于路面的質(zhì)量提出了更大的挑戰(zhàn)，因此，道路行業(yè)研究者一直在致力于研究改性瀝青，以盡可能減少這類病害，提高路面使用壽命。

目前使用較多的瀝青改性劑為聚合物類，如SBS、SBR，加入基質(zhì)瀝青后性質(zhì)明顯改善，瀝青路面的使用性能大幅度提升。隨著對(duì)改性瀝青的不斷研究和探索，目前已發(fā)現(xiàn)有上百種瀝青改性劑，但不同的改性劑制備出的改性瀝青性能也差異甚大。聚氨酯是一種耐磨性高、高溫穩(wěn)定性好、低溫柔韌性優(yōu)、抗老化性強(qiáng)的新型高分子材料，有研究發(fā)現(xiàn)，將這種材料加入基質(zhì)瀝青后可以大幅改善瀝青的高溫和低溫性能[2]。結(jié)合研究者對(duì)于聚氨酯改性瀝青已有的研究成果，進(jìn)一步展開研究和探索聚氨酯改性瀝青混合料的各方面路用性能。

1 試驗(yàn)原材料

(1)基質(zhì)瀝青

用于制備聚氨酯改性瀝青的基質(zhì)瀝青采用東海牌70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 東海牌70#基質(zhì)瀝青技術(shù)性能

(2)聚氨酯

研究表明，不同的固化溫度對(duì)于固化后的強(qiáng)度和柔韌性影響較大，而強(qiáng)度與柔韌性又是影響瀝青路面耐久性的重要指標(biāo)。因此，需嚴(yán)格控制聚氨酯的固化溫度，而確定最佳固化溫度的方式主要采用抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率兩個(gè)指標(biāo)直觀反映，選用廣東某新材料公司生產(chǎn)的聚氨酯預(yù)聚體材料，生產(chǎn)廠家提供的固化溫度與抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率指標(biāo)見表2，同時(shí)結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于環(huán)氧樹脂在道路瀝青路面材料中的應(yīng)用案例，要求環(huán)氧樹脂斷裂伸長率和抗拉強(qiáng)度不低于200%、1.5MPa的條件[3]，因此試驗(yàn)中選用60℃作為聚氨酯的固化溫度。

表2 聚氨酯預(yù)聚體技術(shù)性能

(3)礦料

本次試驗(yàn)粗集料和細(xì)集料均采用石灰?guī)r，粗集

料分為3～5mm、5～10mm和10～15mm三檔集料，礦粉是經(jīng)石灰?guī)r磨細(xì)而得，集料和礦粉技術(shù)性質(zhì)見表3～表5。

表3 粗集料技術(shù)性能

表4 細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)

表5 礦粉技術(shù)性質(zhì)

(4)聚氨酯改性瀝青混合料制備

先將提前稱取好的礦料和基質(zhì)瀝青置于130℃恒溫烘箱中加熱，待瀝青加熱至流淌狀態(tài)時(shí)取出，緩緩倒入置于電子秤上的燒杯中，然后將裝有定量瀝青的燒杯置于電爐上邊加熱邊用玻璃棒攪拌，將按比例稱取好的聚氨酯緩緩加入燒杯中，采用高速剪切機(jī)以每分鐘500轉(zhuǎn)勻速剪切10min，在剪切過程中應(yīng)使用溫度計(jì)或溫度槍控制溫度在150℃±5℃。

將烘干的礦料倒入提前預(yù)熱好的攪拌器中進(jìn)行攪拌30s，然后將制備好的改性瀝青按比例倒入攪拌器中攪拌60s，隨后將礦粉按比例撒入攪拌器中再攪拌30s即完成瀝青混合料的拌和，將料倒入預(yù)熱好的試件模板中進(jìn)行壓實(shí)成型。最后將成型好的試件置于60℃恒溫烘箱中養(yǎng)護(hù)24h。

2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

(1)礦料級(jí)配

結(jié)合目前國內(nèi)常規(guī)路面結(jié)構(gòu)層的做法，改性瀝青主要用于道路結(jié)構(gòu)層的上、中面層，上面層大多數(shù)采用細(xì)粒式瀝青混合料AC-13，因此擬采用AC-13作為檢驗(yàn)改性瀝青混合料性能的礦料級(jí)配，AC-13合成級(jí)配見6。

表6 AC-13礦料級(jí)配

(2)最佳瀝青用量

為了確定瀝青混合料的最佳油石比，采用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)4.8%、5.2%、5.6%、6.0%、6.4%五種油石比下的瀝青混合料進(jìn)行測試，研究其穩(wěn)定度、流值、飽和度和毛體積密度、空隙率等參數(shù)與油石比的關(guān)系，確定了最佳油石比為5.8%。采用同樣的方法確定基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青混合料最佳油石比分別為4.8%和5.1%。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

改性瀝青性能的好壞直接影響著瀝青混合料的路用性能，瀝青面層的使用性能主要是由瀝青混合料決定的[4]。為了找出不同聚氨酯摻量的改性瀝青對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，在前期試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上選取20%、25%、30%等3種聚氨酯摻量分析聚氨酯改性瀝青混合料的最佳使用性能，并采用基質(zhì)瀝青、4.0%SBS改性瀝青混合料作為對(duì)照組。

(1)強(qiáng)度

將成型養(yǎng)護(hù)好的試件(試件尺寸為直徑101.6mm，高度為63.5mm)分為兩組，一組放入60℃恒溫水浴中半小時(shí)用于做馬歇爾試驗(yàn)，另一組放入15℃恒溫箱中6h以上，然后將試件置于萬能材料試驗(yàn)機(jī)上測試劈裂強(qiáng)度，兩組試驗(yàn)中每種瀝青混合料試件個(gè)數(shù)均不低于3個(gè)，最后取平均值，其結(jié)果見表7。

從表7中可以看出，摻聚氨酯的改性瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度和穩(wěn)定度都比較大，且摻量越多，

表7 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

強(qiáng)度越高，其次是SBS改性瀝青，基質(zhì)瀝青對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度最小，摻30%聚氨酯改性瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度、穩(wěn)定度相對(duì)SBS改性瀝青分別提高了86%、25%。說明加了聚氨酯的改性瀝青與集料的粘結(jié)力更強(qiáng)，能承受更大的外力荷載。

(2)高溫穩(wěn)定性

在夏季高溫條件下，瀝青混合料會(huì)受熱變軟，加之車輛的反復(fù)碾壓，瀝青路面會(huì)逐漸形成不同程度的車轍[5]，因此，對(duì)于瀝青混合料的耐高溫性能提出了更高的要求。為了分析聚氨酯改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，采用國內(nèi)常用的車轍試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，室內(nèi)成型邊長30cm、厚度5cm厚的車轍板試件，經(jīng)60℃恒溫烘箱養(yǎng)護(hù)并冷卻一定時(shí)間后置于車轍儀中，試驗(yàn)溫度為60℃，輪壓為0.7MPa，車輪運(yùn)行速率為每分鐘42次，試驗(yàn)結(jié)果整理數(shù)據(jù)見表8。

表8 車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表8數(shù)據(jù)可以看出，摻入20%、25%和30%聚氨酯的改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別較4%SBS改性瀝青混合料提高了29%、95%和106%，且聚氨酯摻量從20%到25%的動(dòng)穩(wěn)定度增幅為51%，而摻量從25%到30%的動(dòng)穩(wěn)定度增幅僅僅6%；隨著聚氨酯摻量的增加，其60min時(shí)的車轍變形量逐漸變小，基質(zhì)瀝青的變形量最大，其次是4%SBS改性瀝青，說明聚氨酯改性瀝青混合料在高溫時(shí)的抗變形能力較強(qiáng)。因此，從動(dòng)穩(wěn)定度及變形量方面來看，并考慮經(jīng)濟(jì)性，摻25%聚氨酯的改性瀝青混合料的高溫性能最佳。

(3)低溫抗裂性

裂縫是造成瀝青路面破壞的原因之一，在冬季溫度驟降時(shí)，瀝青路面在溫度應(yīng)力和荷載應(yīng)力的綜合作用下，路面的收縮應(yīng)力超過瀝青混合料的極限應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉裂，用以釋放多余的收縮應(yīng)力[6]。一種良好的路面材料不僅要求強(qiáng)度較高，其抗變形能力也要較強(qiáng)，采用MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，用于分析聚氨酯改性瀝青混合料的低溫抗裂性能。將成型和養(yǎng)護(hù)好的車轍板試件經(jīng)切割機(jī)制作成尺寸為250×35×30mm的小梁試件，試驗(yàn)加載速率為50mm/min，試驗(yàn)環(huán)境為-10℃。試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

試件破壞時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變量越大，勁度模量越小，說明材料在低溫時(shí)具有較好的柔韌性。從表9中數(shù)據(jù)可以看出，隨著聚氨酯摻量的增加，其變形值逐漸增加，而勁度模量逐漸減小，且從數(shù)據(jù)上可發(fā)現(xiàn)無論是破壞應(yīng)變還是勁度模量，都是聚氨酯摻量從20%增加到25%時(shí)的增幅或降幅最大。在聚氨酯摻量25%時(shí)與4%SBS改性瀝青相比，破壞應(yīng)變提高了21%，勁度模量降低了40%。說明聚氨酯可以改善瀝青混合料的低溫抗裂性能，且從經(jīng)濟(jì)上考慮，以摻量25%為宜。

(4)水穩(wěn)定性

瀝青混合料主要依靠集料之間的嵌擠力和集料與瀝青間的粘附力所形成，當(dāng)路面出現(xiàn)裂縫后，雨水會(huì)通過裂縫滲入結(jié)構(gòu)層，在車輛荷載及動(dòng)水壓力的長期作用下，瀝青逐漸從集料表面脫落，形成不同程度的坑槽，最終影響路面行車的舒適性[7]。因此，要求瀝青與集料需要具備較強(qiáng)的粘附力，為了分析聚氨酯改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)是國內(nèi)推薦的用于評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法，主要以殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其值越大，說明混合料的抗水損害性能越好[8]。從混合料試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果看，4%SBS改性瀝青的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比最大，其次是聚氨酯改性瀝青，基質(zhì)瀝青的最小。從三種摻量聚氨酯改性瀝青的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，25%聚氨酯改性瀝青的殘留穩(wěn)定度最大，而30%摻量聚氨酯改性瀝青的劈裂強(qiáng)度比最大，但聚氨酯摻量無論是25%還是30%，其同種評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的差值均在1%之內(nèi)。因此，摻加聚氨酯的改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性雖然沒有4%SBS改性瀝青好，但與基質(zhì)瀝青相比，也可以在一定程度上改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，且摻量以25%較佳。

4 結(jié)論

通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)分析評(píng)價(jià)了聚氨酯改性瀝青混合料的各方面使用性能，可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)從強(qiáng)度和車轍試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚氨酯可以增強(qiáng)改性瀝青與集料的粘附性，提高瀝青混合料的強(qiáng)度和高溫時(shí)的抗永久變形，改善瀝青混合料的耐久性，在強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性方面，均優(yōu)于4%SBS改性瀝青。

(2)從低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚氨酯能夠在一定程度上增加試件破壞時(shí)的應(yīng)變量，降低混合料試件的勁度模量，改善瀝青混合料在低溫時(shí)的柔韌性，提高了混合料的低溫抗裂性。

(3)從水穩(wěn)定性方面可以得出，聚氨酯改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性雖弱于4%SBS改性瀝青，但相對(duì)于基質(zhì)瀝青，仍可以看出聚氨酯對(duì)于瀝青混合料的水穩(wěn)定性具有一定的改善作用。

(4)綜合各方面使用性能，并考慮經(jīng)濟(jì)性，推薦聚氨酯的最佳摻量宜為25%。