李利偉，劉漢超，林 輝，滕新華，張菁燕

（1.常州市武進(jìn)區(qū)公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 常州 213000；2.常州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 213000）

在道路材料領(lǐng)域，為獲得更好的路面性能，通常采用聚合物對(duì)瀝青等材料進(jìn)行改性。近年來(lái)，聚氨酯類材料因其優(yōu)良的性能表現(xiàn)，受到了路面工程師和研究人員的廣泛關(guān)注[1-3]。聚氨酯是指具有含氨基甲酸酯基團(tuán)的聚合物，一般是通過(guò)異氰酸酯和多元醇之間反應(yīng)形成的。由于其具有軟段、硬段相結(jié)合的分子鏈結(jié)構(gòu)，其性能（如模量、強(qiáng)度等）可在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)[4-5]。正因如此，聚氨酯類材料不僅可以調(diào)節(jié)瀝青性能，制備適用于不同場(chǎng)景的瀝青混合料，而且可以應(yīng)用于路面密封，從多個(gè)維度對(duì)瀝青路面材料進(jìn)行改性或增強(qiáng)。在下文中，將針對(duì)聚氨酯改性瀝青、聚氨酯改性混合料及聚氨酯密封膠3種材料進(jìn)行介紹與討論。

1 聚氨酯改性瀝青

通常，聚氨酯改性瀝青的技術(shù)方案可分為2類：第一，熱塑性聚氨酯改性。將熱塑性聚氨酯聚合物通過(guò)熔融共混，與瀝青基質(zhì)形成均一的混合物，其改性原理與SBS、膠粉改性瀝青類似，僅為物理共混，不涉及化學(xué)反應(yīng)。第二，熱固性聚氨酯改性。利用聚氨酯預(yù)聚體或異氰酸酯單體對(duì)瀝青進(jìn)行改性，并與聚醚多元醇等進(jìn)行反應(yīng)形成原位改性瀝青。在第一種改性方案中，最佳改性溫度為175℃左右，改性時(shí)間為1 h左右，推薦用量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的5%～15%[6]。然而，由于該類改性方法的改性效果與其他彈性體、熱塑性聚合物的改性效果類似，因此所用較少，更多采用的是第二種方法。在第二種方法中，建議操作溫度在120℃左右，操作時(shí)間在15 min左右，而聚氨酯材料的加入量可達(dá)50%[7-8]。此外，由于其反應(yīng)速度較快，施工窗口短，熱固性聚氨酯改性瀝青應(yīng)在使用前直接在施工場(chǎng)所配制。

由于瀝青質(zhì)表面存在許多極性基團(tuán)（羥基和羧基），當(dāng)采用熱固性聚氨酯進(jìn)行改性時(shí)，異氰酸酯基團(tuán)與瀝青質(zhì)表面的極性基團(tuán)之間便可發(fā)生反應(yīng)。研究表明，通過(guò)預(yù)聚物中異氰酸酯與瀝青質(zhì)間的反應(yīng)，可以產(chǎn)生化學(xué)鍵（如氨基甲酸酯）與物理鍵（如氫鍵）[9-10]。這一系列的相互作用大大提升了聚氨酯與瀝青的相容性，可在一定程度上避免相分離[11-12]。

如前文所述，得益于聚氨酯改性劑中的末端異氰酸酯與瀝青基體中的極性基團(tuán)之間的相互作用，聚氨酯和瀝青分子鏈可發(fā)生一定程度的交聯(lián)，繼而形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大大提升改性瀝青的綜合性能[13]。研究表明，聚氨酯改性瀝青及其混合料比純?yōu)r青和SBS改性瀝青具有更好的路用性能，特別是耐高溫車轍性能和耐低溫開裂性能[14-15]，具有替代SBS改性瀝青用于公路路面的潛力[16]。并且，聚氨酯改性瀝青的耐老化性能也得到了提升，例如，Yu等報(bào)道了添加聚氨酯改性劑可以提高瀝青的抗熱氧老化性能，F(xiàn)ang等[17]通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)和微觀形貌觀察結(jié)果也發(fā)現(xiàn)聚氨酯改性劑可以提升瀝青短期和長(zhǎng)期抗紫外老化性能。此外，Peng等[18]發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素基聚氨酯改性劑在紫外光照射下可以顯著保持瀝青黏結(jié)劑的黏附性能。

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，可再生、環(huán)保型聚氨酯改性瀝青也出現(xiàn)在人們的視野中。例如，采用蓖麻油和木質(zhì)素作為原材料代替聚醚多元醇以進(jìn)行熱固性聚氨酯改性瀝青的反應(yīng)[19]，利用廢棄的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）制備聚氨酯改性瀝青[20]等。也有研究制備聚氨酯改性瀝青，然后進(jìn)行乳化，得到聚氨酯改性乳化瀝青的[21]。隨著創(chuàng)新而有效的改性方法不斷涌現(xiàn)，聚氨酯改性瀝青性能的提升空間也得以不斷拓展。

2 聚氨酯改性混合料

近年來(lái)，路面研究人員紛紛嘗試采用熱固性聚氨酯膠作為膠結(jié)材料，改性或替代石油瀝青，形成聚氨酯改性混合料[22]。由于聚氨酯作為膠結(jié)材料可通過(guò)固化交聯(lián)形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因而其溫度穩(wěn)定性更高，內(nèi)聚力更強(qiáng)，附著力和耐久性更好，性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)瀝青黏結(jié)劑。基于以上性能優(yōu)勢(shì)，聚氨酯改性混合料可實(shí)現(xiàn)路面功能性的提升，如透水路面、低噪聲路面和阻燃路面等。

為補(bǔ)充城市的自然水循環(huán)，透水路面受到了越來(lái)越多的關(guān)注。透水路面是由開級(jí)配集料組成的瀝青混合料，具有豐富互連空隙的多孔結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)路面的滲透性。然而，這種多孔設(shè)計(jì)會(huì)大大削弱路面的強(qiáng)度。而采用黏結(jié)強(qiáng)度更高的聚氨酯作為膠結(jié)料，便可以克服傳統(tǒng)瀝青的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)透水路面性能的提升。Cong等[23]對(duì)聚氨酯黏結(jié)多孔混合料（PPM）和瀝青黏結(jié)的混合料（APM）的力學(xué)性能進(jìn)行了比較，從長(zhǎng)期來(lái)看，即使在凍融循環(huán)后，PPM的疲勞壽命也遠(yuǎn)高于APM，且PPM的馬歇爾穩(wěn)定性是APM的3倍以上。在Lu等[24]進(jìn)行的類似研究中，PPM表現(xiàn)出更高的耐磨耗性能，同時(shí)，表現(xiàn)出更高的附著力。從長(zhǎng)期蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，PPM的永久變形量遠(yuǎn)低于APM，表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐久性。

另一方面，多孔聚氨酯混合料（PPM）可以大大降低車輛碾壓通過(guò)時(shí)的噪聲，進(jìn)而被用作低噪聲路面。Chen[25]的研究表明，由于PPM內(nèi)部大量的空隙及膠結(jié)料更高的彈性，與傳統(tǒng)開級(jí)配路面相比，PPM的摩擦噪聲降低了2 db，振動(dòng)噪音也降低了8 db。Wang等[26]采用聚氨酯膠結(jié)料、集料和橡膠顆粒制備了多孔彈性路面，與傳統(tǒng)的多孔路面相比，其孔隙率可以達(dá)到40%，且聚氨酯和橡膠顆粒的高彈性也賦予了路面更加優(yōu)異的低溫抗裂性能。

聚氨酯改性混合料還應(yīng)用于一些特殊的路面類型，如隧道鋪面。作為封閉空間，隧道路面的功能要求與其他路面有很大的不同，其中，阻燃性一直是大家關(guān)注的重點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)瀝青路面的阻燃性差的問(wèn)題，Leng等[27]采用聚氨酯改性膠結(jié)料制備薄層罩面來(lái)滿足隧道的功能要求，并對(duì)其阻燃性能進(jìn)行了重點(diǎn)研究。燃燒試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用聚氨酯改性膠結(jié)料制備的薄層混合料的阻燃性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)開級(jí)配面層和SMA面層。并且，采用聚氨酯改性膠結(jié)料制備的薄層混合料的初始燃燒速度更慢，需要更多的時(shí)間來(lái)加熱才能持續(xù)燃燒。Hong等[28]也提出了基于聚氨酯膠結(jié)料的改性混合料路面，其優(yōu)點(diǎn)是常溫施工，過(guò)程中無(wú)有害排放。Hong等[28]認(rèn)為，與傳統(tǒng)瀝青混合料路面相比，聚氨酯改性混合料更加適用于隧道路面的鋪裝。

由于聚氨酯材料優(yōu)異的韌性和彈性，聚氨酯混合料在橋面鋪裝中的應(yīng)用也受到了關(guān)注。然而，由于常用的雙組份聚氨酯膠結(jié)料固化速度較快（小于2 h），因此聚氨酯混合料在施工過(guò)程中的施工窗口便成為需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，尤其是在長(zhǎng)橋段橋面的鋪裝中。同時(shí)，聚氨酯膠結(jié)料在固化過(guò)程中，異氰酸酯組分與空氣中的水分會(huì)發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生二氧化碳，形成氣泡，影響路面成型后的性能。對(duì)此，Hong等[29]提出了一種基于真空輔助樹脂傳遞成型（VARTM）技術(shù)的新方法，用于預(yù)制適合橋面鋪裝的聚氨酯混凝土板，可以有效縮短施工時(shí)間，從而降低工期延誤成本。

3 聚氨酯密封膠

密封膠廣泛應(yīng)用于瀝青和混凝土路面[30-31]。例如，伸縮縫是混凝土路面的重要組成部分之一，為防止污水、沙子和礫石進(jìn)入縫內(nèi)，腐蝕和破壞混凝土板的邊緣，使用適當(dāng)?shù)拿芊鈩┨畛涫呛苡斜匾摹３酥?，裂縫是路面主要病害之一，而向裂縫中注入密封膠則是最常見的修復(fù)方法。與瀝青、硅酮、瀝青橡膠和聚硫橡膠等類型的密封膠相比，聚氨酯密封膠具有更加優(yōu)異的黏接性能、彈性、韌性及較高的性價(jià)比，獲得了最為廣泛的應(yīng)用。例如，端羥基聚二甲基硅氧烷改性的新型聚氨酯產(chǎn)品被制成路面伸縮縫的密封膠[32]。與傳統(tǒng)密封膠相比，該密封膠在黏接強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗疲勞性能方面均有改善。此外，Carbonell-Blasco等[32]通過(guò)預(yù)聚體法，將松香和1，4-丁二醇的共混物作為擴(kuò)鏈劑，制備了一種熱塑性聚氨酯材料，具有優(yōu)異的耐低溫性能。

近來(lái)，聚氨酯類密封膠的性能提升和功能拓展逐漸受到研究人員的關(guān)注，例如形狀記憶聚氨酯密封膠在道路上的應(yīng)用[33]。聚氨酯的形狀記憶功能可以使其適應(yīng)因溫度變化而引起的接縫和裂縫的伸縮變形，進(jìn)而保持與壁面的緊密黏接，以達(dá)到防水防滲的目的。然而，聚氨酯密封膠的耐老化性能一直是一個(gè)備受關(guān)注的問(wèn)題。有研究人員將二氧化鈦和氧化石墨烯等填料用于聚氨酯密封膠的耐老化性能提升上，改善了其耐紫外老化性能，但填料共混的方式往往會(huì)導(dǎo)致其他性能（如形狀記憶性能）的降低[33]。因此，研究人員正在通過(guò)改變聚氨酯的分子結(jié)構(gòu)而非添加填料來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的嘗試。

4 結(jié)論

本文對(duì)聚氨酯材料在路面工程中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，主要得出以下結(jié)論。

（1）帶有活性基團(tuán)的聚氨酯預(yù)聚體能與基質(zhì)瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有利于聚合物改性瀝青形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高聚氨酯改性瀝青的路用性能和相容性，特別是低溫性能和抗裂性能。

（2）聚氨酯改性膠結(jié)料具有優(yōu)越的高溫穩(wěn)定性，且黏結(jié)力強(qiáng)，耐久性好于石油瀝青，因而聚氨酯改性混合料可以有效延長(zhǎng)路面壽命。此外，聚氨酯改性混合料還可以實(shí)現(xiàn)透水性、降噪性和阻燃性等功能，尤其適用于隧道、橋面的路面鋪裝。

（3）路面用聚氨酯密封膠具有優(yōu)異的黏接性能、彈性、韌性及較高的性價(jià)比，其中，形狀記憶型聚氨酯能適應(yīng)因溫度變化而引起的接縫和裂縫的伸縮變形，進(jìn)而緊密黏結(jié)界面以實(shí)現(xiàn)防水效果，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。