劉志強

（平頂山市公路交通勘察設計院，河南平頂山467000）

隨著人民生活水平的不斷改善，家用小汽車的使用量日益增加，道路交通量大幅加重，特別是一些超載重載車輛，使得道路路面使用狀況出現了許多諸如車轍、水損害及裂縫等嚴重的病害。為了緩解以上問題的出現，并改善和提高路面的通行質量及使用壽命，研究一種新型的路面瀝青材料勢在必行。聚氨酯（PU）作為一種耐高溫、低溫柔性佳、抗裂強度高、耐老化、抗磨性強的新型熱固性高分子材料，將其加入瀝青應用到改性瀝青路面具有良好的效果。在高溫條件下聚氨酯會與瀝青發(fā)生固化反應，并在擴鏈交聯劑的環(huán)境中產生網狀結構，正是這種網狀結構減小了瀝青的感溫性能，從而大幅增強了瀝青的高溫穩(wěn)定性及低溫特性，成為一種高性能的改性瀝青應用于瀝青路面中[1]。但由于聚氨酯與瀝青作用過程較為復雜，改性瀝青在制備過程中的參數有待優(yōu)化，以及聚氨酯在實際工程中的應用較少，其路用性能到底如何，還有待進一步研究確定。

本文基于已有的研究，通過大量室內試驗，制備了聚氨酯摻量為20%、30%、40% 的改性瀝青混合料，并通過與基質瀝青及3% SBS 改性瀝青作對比，綜合評價聚氨酯改性瀝青的路用性能，制備出性能優(yōu)異的改性瀝青，為聚氨酯改性瀝青混合料在工程的實際應用中提供理論基礎和經驗參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

（1）基質瀝青

采用秦皇島70#A 級道路石油瀝青，對其基本性能進行相關試驗檢測，其技術性能見表1。

表1 70#A 級石油瀝青技術指標Table 1 Technical indexes of 70 grade A petroleum asphalt

（2）聚氨酯（PU）

聚氨酯是一種分子結構含有—NH—COO—基團的新型高分子聚合物，其能夠與石油瀝青發(fā)生固化反應，溫度越高，固化時間相應就越短[2]。選用天津某公司生產的單組份聚氨酯，材料顏色為灰白色，其密度為1.1g/cm3，斷裂伸長率為323%，23℃拉伸強度為10MPa。

（3）礦料

試驗采用玄武巖粗集料，石灰?guī)r細集料，及石灰?guī)r磨細后得到的礦粉，各檔礦料的物理力學性質均滿足規(guī)范要求，試驗結果見表2、表3 和表4。

表2 玄武巖粗集料技術性質Table 2 Technical properties of basalt coarse aggregate

表3 石灰?guī)r細集料物理力學性能Table 3 Physical and mechanical properties of limestone fine aggregate

表4 石灰?guī)r礦粉物理力學性能Table 4 Physical and mechanical properties of limestone powder

1.2 試驗方法

采用布氏粘度試驗確定改性瀝青在不同溫度下其粘度隨時間的變化規(guī)律，從而確定其最佳拌合（或養(yǎng)護）溫度；在最佳溫度條件下通過馬歇爾試驗研究其穩(wěn)定度隨時間的變化規(guī)律，從而確定出最佳的養(yǎng)護時間。

通過馬歇爾試驗確定聚氨酯改性瀝青、普通基質瀝青和3% SBS 改性瀝青混合料的最佳油石比。然后對20%、30% 和40% 聚氨酯等不同摻量的改性瀝青混合料分別做高溫車轍試驗、低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗及浸水馬歇爾試驗等一系列室內試驗，并與普通基質瀝青和3% SBS 改性瀝青混合料的各項路用性能作對比，以評價不同聚氨酯摻量的改性瀝青混合料的各項性能，最后通過各項性能試驗結果優(yōu)選出聚氨酯的最佳用量，為聚氨酯在瀝青路面中的實際工程應用提供有力參考。

1.3 配合比設計

試驗采用AC-13 型礦料級配類型，各檔集料的篩余百分比見表5。

表5 AC-13 型礦料級配表Table 5 Grading table of AC-13 mineral aggregate

首先預估聚氨酯瀝青混合料的最佳油石比為5.2%，并以0.5%為浮動值左右各取2 組油石比，即分別為4.2%、4.7%、5.2%、5.7%、6.2%，以5 組油石比分別做馬歇爾試驗并測試其毛體積密度、礦料間隙率、瀝青飽和度以及流值和穩(wěn)定度等指標參數，繪制各項指標與油石比的關系曲線，最終得到聚氨酯瀝青混合料的最佳油石比為5.4%。按同樣的試驗方法可以得到普通基質瀝青和3%SBS 改性瀝青混合料的最佳油石比分別為4.9%和5.2%。

2 試驗結果分析

2.1 養(yǎng)護溫度和養(yǎng)護時間的確定

2.1.1 養(yǎng)護溫度的確定

聚氨酯改性瀝青作為一種在高溫條件下發(fā)生固化反應的熱固性材料，其性能的好壞會受溫度大小的影響，不同溫度會影響其固化程度和固化速率[3]。為了研究聚氨酯改性瀝青混合料試件的養(yǎng)護溫度，本文通過采用布氏粘度試驗研究在不同溫度時的改性瀝青粘度隨時間的變化關系，間接地確定了混合料試件的最佳養(yǎng)護溫度。試驗結果如圖1 所示。

圖1 不同溫度狀況下改性瀝青粘度隨時間的變化趨勢Fig.1 Variation trend of viscosity of modified asphalt with time under different temperature conditions

從圖1 可以看出，當溫度為130℃、140℃和150℃時，改性瀝青粘度隨著時間逐漸提高，但在達到一定峰值后又急劇降低，可能是因為溫度高時聚氨酯首先與瀝青融合在一起并完成了固化，而后又與瀝青分離導致了粘度的迅速降低。在120℃時其粘度隨時間一直是呈總體上升趨勢，表明在120℃時聚氨酯能夠均勻地分散于瀝青中，二者具有良好的相容性，也有利于混合料強度的形成。另外，在試驗過程中發(fā)現，在溫度低于120℃時聚氨酯較為黏稠，難以均勻分散于瀝青中，最終導致混合料強度偏低。因此，本文最終確定以120℃作為其養(yǎng)護溫度。

2.1.2 養(yǎng)護時間的確定

為了確定最佳養(yǎng)護時間，以120℃作為養(yǎng)護溫度，采用馬歇爾試驗分別對不同聚氨酯摻量的改性瀝青混合料在不同養(yǎng)護時間時的穩(wěn)定度進行測試，試驗結果見圖2 所示。

圖2 馬歇爾穩(wěn)定度與養(yǎng)護時間的關系Fig.2 Relationship between marshall stability and curing time

從圖2 可以看出，在養(yǎng)護時間48h 內混合料的強度逐漸形成并達到峰值，養(yǎng)護時間超過48h 后混合料的強度基本趨于平穩(wěn)狀態(tài)，甚至有略微的降低。表明聚氨酯在養(yǎng)護時間48h 內已經完成并形成一定的強度并趨于平穩(wěn)。

2.2 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗分別對普通基質瀝青、20%、30% 和40% 聚氨酯瀝青混合料以及3% SBS 改性瀝青混合料進行室內試驗，以動穩(wěn)定度作為評價指標。室內成型試件尺寸為300mm×300mm×50mm，試驗荷重為0.7MPa，試驗溫度為60℃，車輪碾壓速度為42 次/min[4]。試驗結果見表6 和圖3。

表6 車轍試驗結果Table 6 Results of rutting test

圖3 不同混合料的高溫性能比較Fig.3 Comparison of high temperature properties of different mixtures

從試驗結果可以看出，摻了聚氨酯的瀝青混合料的動穩(wěn)定度有了很大的提升，并且隨著聚氨酯用量的增加動穩(wěn)定度隨之不斷增加。從動穩(wěn)定度數值大小來看，70#基質瀝青＜3% SBS 改性瀝青＜20% PU 改性瀝青＜30%PU 改性瀝青＜40% PU 改性瀝青，摻40% 聚氨酯時動穩(wěn)定度是SBS 改性瀝青的2.17 倍，基質瀝青的6.5 倍，說明聚氨酯能明顯改善瀝青混合料的高溫抗車轍能力。主要由于聚氨酯均勻地分散于石油瀝青中形成交聯的空間網絡結構，而且被石油瀝青包裹的聚氨酯發(fā)生固化反應，形成一定的強度。此外，聚氨酯分子結構內存在極性很強低聚物多元醇軟段，聚氨酯于瀝青中發(fā)生固化后，促使了瀝青的力學性質發(fā)生了質的飛躍，從而大幅度地提高了高溫穩(wěn)定性[5]。

2.3 低溫抗裂性

用于評價瀝青混合料低溫抗裂能力的試驗比較多，常用的主要有直接或間接拉伸試驗、低溫彎曲試驗以及三點彎曲J 積分試驗[6]。本文采用低溫彎曲試驗評價聚氨酯改性瀝青混合料的低溫抗裂性，這種試驗方法操作簡單，用于評價低溫性能效果較佳。室內制作300mm×300mm×50mm 的試件，養(yǎng)護完成后切成250mm×30mm×35mm 的棱柱體小梁，試驗環(huán)境-10℃，加載頻率50mm/min，采用3 分點加載方式。分別對五種瀝青混合料進行室內試驗，試驗結果見表7 和圖4。

表7 低溫彎曲試驗結果Table 7 Results of low temperature bending test

圖4 五種瀝青混合料的低溫性能比較Fig.4 Comparison of low temperature performance of five asphalt mixtures

通過低溫彎曲試驗結果可知，隨著聚氨酯用量不斷增加，改性瀝青混合料的彎拉應變不斷增加，勁度模量不斷減小。與70# 基質瀝青相比，40% 聚氨酯用量的彎拉強度提高了83%，勁度模量降低了65%；同3%SBS 改性瀝青相比，40% 聚氨酯用量的彎拉強度提高了41%，勁度模量降低了68%。摻加聚氨酯的改性瀝青混合料低溫抗裂性大幅度提高，有利于改善其低溫性能。

2.4 水穩(wěn)定性

本文采用試驗規(guī)程推薦的凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗評價3 種不同聚氨酯用量的改性瀝青、基質瀝青和3%SBS 改性瀝青等五種瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

2.4.1 浸水馬歇爾試驗

室內成型φ101.6mm×63.5mm 大小的馬歇爾試件，并將試件各分為2 組，一組置于60℃恒溫水浴中30min，另一組置于60℃恒溫水浴中48h，分別對2 組試件進行馬歇爾試驗，以恒溫水浴48h 試件所測得的馬歇爾穩(wěn)定度除以水浴30min 試件對應的穩(wěn)定度的比值（即殘留穩(wěn)定度）作為水穩(wěn)定性評價指標[7]。試驗結果見表8。

表8 浸水馬歇爾試驗結果Table 8 Results of immersion Marshall test

通過試驗結果分析可知，五種不同瀝青類型對應的殘留穩(wěn)定度都能滿足水穩(wěn)定性技術要求，但發(fā)現20% 聚氨酯的殘留穩(wěn)定度小于70# 基質瀝青，30% 和40% 聚氨酯的殘留穩(wěn)定度雖然略高于70#基質瀝青，但相差不大。說明聚氨酯對瀝青混合料的水穩(wěn)定性影響不大，甚至可能產生不利影響，實際工程應用中應考慮摻加抗剝落劑等措施改善水穩(wěn)定性。

2.4.2 凍融劈裂試驗

室內成型馬歇爾試件，并分別將試件分為兩組，一組置于25℃水中浸泡2h 后進行馬歇爾試驗，另一組真空飽水15min 后放于25℃水中30min，然后置于-18℃環(huán)境中16h，取出后置于60℃恒溫水浴中24h，然后再放于25℃水中2h 后進行馬歇爾試驗[8]。以經凍融后的試件強度與未經凍融的試件強度的比值即劈裂抗拉強度比，作為水穩(wěn)定性評價指標。試驗結果見表9。

表9 凍融劈裂試驗結果Table 9 Freeze thaw splitting test results

從表9 發(fā)現，摻聚氨酯的混合料凍融劈裂強度比都不滿足技術要求，說明摻加聚氨酯不利于混合料的水穩(wěn)定性。

由上文可知，盡管浸水馬歇爾試驗結果偏低，但其都滿足技術規(guī)范要求，而凍融劈裂試驗結果都不滿足技術規(guī)范要求。大量研究表明，凍融劈裂試驗的試驗條件較為苛刻，且其試驗結果更接近實際情況，因此，常常采用凍融劈裂試驗評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。但由于兩種試驗結果不盡相同，所以對于聚氨酯改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性還有待做進一步的研究。

3 結論

（1）確定了聚氨酯瀝青混合料的養(yǎng)護溫度為120℃，養(yǎng)護時間為48h。

（2）聚氨酯發(fā)生固化能夠形成一定強度，明顯改善瀝青混合料的高溫抗車轍能力，大幅提高了其高溫穩(wěn)定性。

（3）40% 聚氨酯用量的瀝青混合料遠優(yōu)于3% SBS改性瀝青和基質瀝青，摻加聚氨酯的改性瀝青混合料低溫抗裂性大幅度提高，有利于改善其低溫性能。

（4）摻聚氨酯的改性瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗結果與基質瀝青相差不大，且凍融劈裂試驗結果不滿足要求，可能摻聚氨酯的改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性不良，其水穩(wěn)定性需要做進一步研究。