陳 芳， 楊秋菊， 段 婷， 馬蓮霞

(新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司， 烏魯木齊 830000)

隨著我國道路交通量增大，重載交通不斷增多，瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象逐年增多[1]。改性瀝青因良好的使用性能逐漸替代基質(zhì)瀝青在高速公路建設(shè)中被廣泛應(yīng)用[2]，改性劑也逐漸從傳統(tǒng)的SBS、SBR等逐漸發(fā)展到環(huán)氧樹脂、聚氨酯等[3-6]。聚氨酯材料具有較好的耐久性，作為一種熱固性材料，該類型改性劑已逐漸得到了業(yè)內(nèi)關(guān)注[7-8]。研究者通過剪切法、膠體磨法以及化學(xué)改性等手段將聚氨酯改性劑和基質(zhì)瀝青混合并改性，不僅研發(fā)出相應(yīng)的改性裝置，還在改性技術(shù)上取得了一定進(jìn)步[9-12]，但改性劑在基質(zhì)瀝青中分散均勻性一直是改性瀝青的難點(diǎn)。

本文將在不同的剪切溫度、剪切速率、剪切反應(yīng)時間下，探討聚氨酯改性瀝青的制備方法，并對其改性的3種基質(zhì)瀝青的改性效果進(jìn)行研究，分析改性劑摻量對改性瀝青性能、改性劑在基質(zhì)瀝青中分散穩(wěn)定性的影響。

1 原材料

采用美國殼牌90#、韓國SK90#、克拉瑪依90#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。試驗(yàn)選取的聚氨酯為市場某公司生產(chǎn)的聚氨酯預(yù)聚體和擴(kuò)鏈劑組合而成，兩者的技術(shù)指標(biāo)如表2和表3所示?？紤]到基質(zhì)瀝青與聚氨酯改性劑的相容性，試驗(yàn)采用了性能指標(biāo)如表4所示的相容劑。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 聚氨酯預(yù)聚體技術(shù)指標(biāo)

表3 擴(kuò)鏈劑技術(shù)指標(biāo)

表4 相容劑技術(shù)指標(biāo)

2 改性瀝青制備

在制備改性瀝青的過程中，試驗(yàn)溫度、剪切速率、剪切反應(yīng)時間等都會影響制備改性瀝青的技術(shù)性能，因此需對3種基質(zhì)瀝青的改性條件進(jìn)行研究?；诩扔邢嚓P(guān)研究，初步擬定制備方案：1) 將基質(zhì)瀝青在130 ℃溫度下、1 500 rmp剪切速率下剪切10 min；2) 加入2%的相容劑，在相同的剪切速率下反應(yīng)0.5 h；3) 加入0.5%的擴(kuò)鏈劑，以相同的條件反應(yīng)0.5 h后，加入6%的預(yù)聚體，剪切1.5 h；4) 在110 ℃的環(huán)境箱內(nèi)放置2 h，得到聚氨酯改性瀝青[13-14]。

2.1 試驗(yàn)溫度

試驗(yàn)溫度對改性瀝青的制備至關(guān)重要，溫度過高或過低都會影響基質(zhì)瀝青、聚氨酯的性能變化以及兩者的相容性。分別在120 ℃、130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃等5個溫度下進(jìn)行試驗(yàn)制備，控制剪切速率為1 500 rmp，剪切時間為1.5 h，制備完成后在110 ℃的環(huán)境箱內(nèi)放置2 h。不同試驗(yàn)溫度條件下制得改性瀝青后，測其25 ℃針入度、5 ℃延度及軟化點(diǎn)等指標(biāo)，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著改性溫度的升高，聚氨酯改性3種基質(zhì)瀝青的25 ℃針入度均表現(xiàn)為先減小后增大，在130 ℃時達(dá)到谷值；5 ℃延度均表現(xiàn)為先增大后減小，在130 ℃時達(dá)到峰值；3種改性瀝青的軟化點(diǎn)變化相對平緩，波動相對較小，但均在130 ℃時達(dá)到較大值。主因是隨溫度的升高，整個混合體系的粘度下降，改性劑和基質(zhì)瀝青的反應(yīng)較為充分，其性能表現(xiàn)較為良好[15]。隨著溫度的持續(xù)升高，改性劑的分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，基質(zhì)瀝青的分子組成也會受到影響，兩者的結(jié)合效果較差，改性效果反而變?nèi)?。根?jù)圖1試驗(yàn)結(jié)果，130 ℃是較為適宜的改性溫度。

2.2 剪切速率

較大的剪切速率會使聚氨酯改性劑在基質(zhì)瀝青中分散得更為均勻，改性劑和基質(zhì)瀝青分子結(jié)構(gòu)間的作用更為緊密，但是如果速率過大，反而會破壞改性劑的分子結(jié)構(gòu)，這對改性作用極為不利，因此需要尋找一個適宜的剪切速率。試驗(yàn)制備在130 ℃條件下，控制剪切速率為1 300 rmp、1 500 rmp、1 700 rmp、1 900 rmp、2 100 rmp，剪切時間為1.5 h，制備完成后在110 ℃的環(huán)境箱內(nèi)放置2 h。不同剪切速率條件下制得改性瀝青后，測其25 ℃針入度、5 ℃延度及軟化點(diǎn)等指標(biāo)，結(jié)果如圖2所示。

(a) 針入度

(b) 延度

(c) 軟化點(diǎn)

從圖2可知，3種改性瀝青的針入度、延度和軟化點(diǎn)均表現(xiàn)為先增大后減小，在1 500 rpm條件下出現(xiàn)峰值，而針入度則在1 700 rpm條件下出現(xiàn)峰值?？紤]到針入度在1 500 rpm條件下的數(shù)值與 1 700 rpm條件下相差較小，綜合比較后認(rèn)為剪切速率宜為1 500 rpm。

(a) 針入度

(b) 延度

(c) 軟化點(diǎn)

2.3 反應(yīng)時間

在一定的溫度和剪切速率下，較長的剪切時間則會使得改性劑與基質(zhì)瀝青的混合和反應(yīng)更加充分，但在較高的試驗(yàn)溫度下，反應(yīng)時間過長則會導(dǎo)致瀝青老化，剪切過度等不利影響。因此，試驗(yàn)制備在溫度為130 ℃、剪切速率為1 500 rmp的條件下，控制剪切時間為0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h，制備完成后在110 ℃的環(huán)境箱內(nèi)放置2 h。不同反應(yīng)時間條件下制得改性瀝青后，測其25 ℃針入度、5 ℃延度及軟化點(diǎn)等指標(biāo)，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可知，3種改性瀝青的軟化點(diǎn)呈先增大后減小的趨勢，但這種變化相對幅度較?。蝗叩难佣葎t明顯先增大后減小，在聚氨酯改性SK90#瀝青上體現(xiàn)得尤為顯著；三者的針入度則呈先減小后增大的趨勢，這種變化也相對較為平緩?？紤]到較高的軟化點(diǎn)和較大的延度值，根據(jù)圖3所示結(jié)果，選擇剪切反應(yīng)1.5 h較為合理。

(a) 針入度

(b) 延度

(c) 軟化點(diǎn)

3 聚氨酯改性瀝青的性能

在確定了聚氨酯改性3種90#基質(zhì)瀝青的基本條件后，考慮到不同的聚氨酯改性劑摻量帶來的改性效果及其與基質(zhì)瀝青的相容性，對不同聚氨酯摻量在改性瀝青中的分散穩(wěn)定性進(jìn)行探討。

3.1 不同摻量的影響

在溫度為130 ℃、剪切速率為1 500 rmp的條件下，在3種基質(zhì)瀝青中摻加2%、4%、6%、8%等不同摻量的聚氨酯改性劑，并與未摻加聚氨酯的空白試樣進(jìn)行對比(即摻量為0)，控制剪切時間1.5 h，制備完成后在110 ℃的環(huán)境箱內(nèi)放置2 h。不同摻量下制得改性瀝青后，測其25 ℃針入度、5 ℃延度及軟化點(diǎn)等指標(biāo)，結(jié)果如圖4所示。

(a) 針入度

(b) 延度

(c) 軟化點(diǎn)

由圖4可見，隨著聚氨酯改性劑的摻量增加，3種改性瀝青基本性能指標(biāo)的變化趨勢基本一致，但3種改性瀝青的針入度逐漸下降，延度和軟化點(diǎn)逐漸增大。當(dāng)摻量小于2%時，3種改性瀝青基本指標(biāo)的變化均不明顯；當(dāng)摻量超過2%時，軟化點(diǎn)的變化趨勢明顯增大；當(dāng)摻量超過6%時，其變化趨緩，且3種改性瀝青的軟化點(diǎn)反而略有降低，聚氨酯改性克拉瑪依基質(zhì)瀝青的延度也稍有下降。從圖4還可以看出，當(dāng)聚氨酯改性劑的摻量在2%～6%之間時，SK90#改性瀝青的針入度小于殼牌90#改性瀝青和克拉瑪依90#改性瀝青，而延度和軟化點(diǎn)大于兩者，表現(xiàn)出較好的性能。

3.2 分散穩(wěn)定性評價(jià)

如果聚氨酯改性劑與基質(zhì)瀝青的相容性較差，必然會導(dǎo)致制備的改性瀝青出現(xiàn)離析現(xiàn)象，反映在改性瀝青的性能上就是技術(shù)指標(biāo)的變異性較大。聚氨酯摻量的增大也會提高改性瀝青中的改性劑含量，過多的改性劑會增大其在基質(zhì)瀝青中的分散度，進(jìn)而影響改性瀝青的儲存穩(wěn)定性，為此，對不同摻量的聚氨酯含量在3種基質(zhì)瀝青中的分散穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。取貯存在燒杯中不同層位的改性瀝青，加熱后對其針入度和軟化點(diǎn)進(jìn)行測試，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 不同摻量下改性瀝青針入度差值

圖6 不同摻量下改性瀝青軟化點(diǎn)差值

從圖5和圖6可以看出，隨著摻量的增加，3種改性瀝青的針入度差值和軟化點(diǎn)差值逐漸增大，表明摻量增多確實(shí)會導(dǎo)致聚氨酯改性劑在基質(zhì)瀝青中的分散穩(wěn)定性下降，當(dāng)摻量超過6%時，針入度差值和軟化點(diǎn)差值增大的趨勢變大，結(jié)合圖4分析，推薦聚氨酯改性劑的摻量控制在6%為宜。此外，隨著摻量的增加帶來改性劑分散穩(wěn)定性下降的過程中，聚氨酯改性劑改性SK90#基質(zhì)瀝青的針入度差值和軟化點(diǎn)差值增大的趨勢是三者中相對較小的，即其分散穩(wěn)定性下降相對較緩，這表明聚氨酯改性劑在本文選擇的3種基質(zhì)瀝青中，與SK90#基質(zhì)瀝青的相容性最佳[16]。

4 結(jié)論

1) 聚氨酯改性劑在不同試驗(yàn)條件下對3種基質(zhì)瀝青的改性效果研究表明，改性的試驗(yàn)溫度為130 ℃、剪切速率為1 500 rpm、剪切反應(yīng)時間為1.5 h時，其與SK90#基質(zhì)瀝青的相容性相對較好。

2) 聚氨酯改性劑的摻量會提高改性瀝青的改性效果，但過多的摻量會導(dǎo)致改性劑在基質(zhì)瀝青中的分散穩(wěn)定性下降，致使改性瀝青出現(xiàn)離析，其摻量占基質(zhì)瀝青的6%較為適宜；聚氨酯改性劑在SK90#、殼牌90#、克拉瑪依90#三種基質(zhì)瀝青的相容性中，與SK90#的相容性最佳。