李衛(wèi)寧，王富強(qiáng)，鄧 君

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

0 引言

瀝青混合料面層在夏季高溫環(huán)境中長期承受重載車輛荷載的反復(fù)作用，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)直至破壞，瀝青混合料面層產(chǎn)生永久變形[1]。永久變形是瀝青混合料面層產(chǎn)生車轍坑槽病害的主要原因之一[2]。提高瀝青混合料性能尤其是改善其抗高溫性能非常重要，可提高其抵抗永久變形的能力，有效消除車轍、坑槽等病害的產(chǎn)生[3]。

研究表明，選用聚氨酯(PU)作為化學(xué)改性劑摻入道路石油瀝青，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后能改變?yōu)r青結(jié)構(gòu)并生成新基團(tuán)，從而降低瀝青溫度敏感性和改善存儲(chǔ)穩(wěn)定性，提高瀝青的抗車轍能力和抗高溫性能，但提升程度有限[4]。如果只是單獨(dú)摻入PU進(jìn)行改性，不能有效改善瀝青混合料的綜合性能，相比之下，摻入兩種以上材料的復(fù)合改性技術(shù)具有更顯著的優(yōu)勢，可有效提升瀝青的各項(xiàng)性能。

瀝青混合料中摻入石灰石粉(LF)作為填料，可增加混合物的密度從而提升其力學(xué)穩(wěn)定性能，在我國工程實(shí)踐中得到了廣泛認(rèn)可[5]。本文選用LF作為填料，利用復(fù)合改性技術(shù)制備聚氨酯-石灰石粉復(fù)合改性瀝青，進(jìn)行多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，與單摻PU試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，研究合成的聚氨酯-石灰石粉復(fù)合改性瀝青在中高溫環(huán)境中的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr，旨在研究其在中高溫下的抗高溫性能，為以后的實(shí)際工程和進(jìn)一步的理論研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

(1)基質(zhì)瀝青(BA)：采用中石油70#A瀝青，其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)表

(2)聚氨酯(PU)：采用PU預(yù)聚體多元醇與異氰酸酯分步對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，多元醇為聚丙二醇分子結(jié)構(gòu)中的R-N=C=O，含量為30.5%，羥值≥180 mg KOH/g。常溫下固體顏色灰白，熔化后為透明液體，為西安某科技有限公司生產(chǎn)。

(3)石灰石粉(LF)：本試驗(yàn)的填料選擇了目前國內(nèi)常用的LF，填料的細(xì)度經(jīng)過篩析，均<75μm。表2列出了石灰石粉填料的化學(xué)成分。

表2 石灰石粉填料的化學(xué)成分含量表(%)

1.2 制備

(1)PU改性瀝青：基質(zhì)瀝青中單一摻入PU。基質(zhì)瀝青預(yù)熱至150 ℃并且完全融化，在高速剪切儀中高速攪拌10 min，隨后將預(yù)熱至90 ℃的PU摻入其中，繼續(xù)攪拌10 min，制得PU改性瀝青。PU摻量為基質(zhì)瀝青總質(zhì)量的3%、5%和7%。

(2)PU-LF復(fù)合改性瀝青：PU改性瀝青與LF復(fù)摻?；|(zhì)瀝青預(yù)熱至150 ℃并且完全融化，摻入石灰石粉(LF)作為填料進(jìn)行混合，粉膠比為1.0。在高速剪切儀中攪拌45 min后，按瀝青總質(zhì)量的3%、5%和7%分別摻入聚氨酯預(yù)聚體，攪拌反應(yīng)60 min后，將其放入120 ℃的烘箱中。24 h后取出制樣進(jìn)行性能測試。

1.3 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)方案

采用AR1500ex型動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)，制備PU改性瀝青和PU-LF復(fù)合改性瀝青試樣，分別為BA、BA+3%PU、BA+5%PU、BA+7%PU、BA+LF、BA+LF+3%PU、BA+LF+5%PU和BA+7%PU+LF。對比分析PU改性瀝青與PU-LF復(fù)合改性瀝青的試驗(yàn)結(jié)果，評價(jià)PU-LF復(fù)合改性瀝青高溫抗車轍性能。

MSCR試驗(yàn)設(shè)置轉(zhuǎn)子直徑為25 mm，間隙為1 mm，先后在0.1 kPa和3.2 kPa剪切應(yīng)力控制模式下進(jìn)行加載，即進(jìn)行1 s水平加載后卸載9 s，并確保兩個(gè)步驟連貫不間歇。先在0.1 kPa的應(yīng)力水平重復(fù)加載10個(gè)周期，然后在3.2 kPa的應(yīng)力水平下重復(fù)加載10個(gè)周期，共計(jì)20個(gè)周期。前10個(gè)周期用于調(diào)整試件，數(shù)據(jù)不予采納。后10個(gè)周期蠕變恢復(fù)周期內(nèi)的平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐捣謩e表示為Jnr，0.1和Jnr，3.2。

Jnr越小，說明黏性流動(dòng)變形(殘余變形)越小，瀝青膠漿在高溫下抵抗變形的能力越強(qiáng)，抗高溫性能越好，反之，則抗高溫性能差。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr的評價(jià)

如圖1所示為瀝青試樣在0.1 kPa和3.2 kPa兩種剪切應(yīng)力作用下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr，0.1、Jnr，3.2。從圖1可知，Jnr值變化規(guī)律基本一致，均隨PU摻量增加而降低，隨溫度的升高其降低趨勢增強(qiáng)。溫度升高導(dǎo)致瀝青試樣抗高溫性能下降，而增加PU摻量可提高其抗高溫性能；溫度越高，各摻量改性瀝青的Jnr和BA之間的差值也越大，表明其在高溫環(huán)境中具有顯著的抗高溫性能；相同溫度對應(yīng)的Jnr隨PU摻量增加而減小，與BA的差值也逐漸增大，表明摻入PU能有效改善瀝青高溫抗永久變形能力；應(yīng)力從0.1 kPa增大到3.2 kPa時(shí)，Jnr值增大，這與實(shí)際瀝青混凝土路面上較大的軸載會(huì)產(chǎn)生較大的車轍深度相符合。

同等溫度和摻量情況下，單摻PU的Jnr為PU-LF復(fù)合的近50倍左右。58 ℃和64 ℃單摻PU或PU-LF復(fù)合摻量為3%和5%的Jnr變化不大，當(dāng)摻量增加為7%降低趨勢顯著。70 ℃下?lián)搅坑?%增加到5%和7%時(shí)，單摻PU較PU-LF復(fù)合的Jnr降低趨勢顯著，說明PU改性瀝青中加入LF后增強(qiáng)了抵抗變形的能力，提高了抗高溫性能。PU摻量由3%增加到5%和7%時(shí)，單摻PU的Jnr減小幅度較復(fù)摻顯著；而PU-LF復(fù)合改性瀝青的Jnr減小幅度很小。單摻PU時(shí)，通過增加PU摻量可有效提高瀝青試樣的抗高溫性能；而PU-LF復(fù)合改性瀝青對PU摻量不敏感，說明增加PU摻量對其抗高溫性能增效是有限的。與基質(zhì)瀝青相比，改性瀝青的Jnr值從小到大排序?yàn)镻U-LF復(fù)合

(a)0.1 kPa剪切應(yīng)力下

(b)3.2 kPa剪切應(yīng)力下

(c)0.1 kPa剪切應(yīng)力下

(d)3.2 kPa剪切應(yīng)力下

2.2 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S應(yīng)力變化率Jnr，diff的評價(jià)

本文采用不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S應(yīng)力變化率Jnr，diff評價(jià)瀝青試樣對蠕變應(yīng)力的敏感性。計(jì)算公式如下：

Jnr，diff=[(Jnr，3.2 kPa-Jnr，0.1 kPa)/Jnr，0.1 kPa]×100

(1)

式中：Jnr，diff——不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S應(yīng)力變化率；

Jnr，0.1 kPa和Jnr，3.2 kPa——在0.1 kPa和3.2 kPa剪切應(yīng)力下的平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐怠?/p>

Jnr，diff越大，說明在應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生較大影響，敏感性強(qiáng)，穩(wěn)定性差。

(a)單摻PU的Jnr，diff

(b)PU-LF復(fù)合的Jnr，diff

如圖2所示，隨著PU摻量增大和溫度的升高，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎頙nr，diff總體上呈現(xiàn)上下波動(dòng)的變化規(guī)律，而并非是單一變化趨勢。瀝青試樣的Jnr，diff值相差較大，這說明PU-LF復(fù)合改性瀝青表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，特別是PU摻量對應(yīng)力敏感性影響較大。PU摻量增大其抗變形能力降低，穩(wěn)定性較差。單摻PU的Jnr，diff敏感性高，PU-LF復(fù)合的Jnr，diff值顯著減小。表明采用復(fù)合改性技術(shù)后的PU-LF復(fù)合改性瀝青，應(yīng)力敏感性明顯降低，抗變形能力提高。

3 結(jié)語

本文采用AR1500ex型動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)，研究合成的聚氨酯-石灰石粉復(fù)合改性瀝青在中高溫環(huán)境中的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr，并與單摻PU試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，分析PU-LF復(fù)合改性瀝青高溫和中溫環(huán)境下抵抗變形的能力和抗高溫性能，得出以下結(jié)論：

(1)Jnr均隨PU摻量增加而降低，隨溫度的升高降低趨勢增強(qiáng)。表明摻入PU能有效改善瀝青高溫抗永久變形能力。應(yīng)力從0.1 kPa增大到3.2 kPa時(shí)，Jnr值增大，這與實(shí)際瀝青混凝土路面上較大的軸載會(huì)產(chǎn)生較大的車轍深度相符合。

(2)同等溫度和摻量情況下，單摻PU的Jnr為PU-LF復(fù)合的近50倍左右。各瀝青試樣的Jnr值由小到大排序?yàn)椋篜U-LF復(fù)合

(3)不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坎頙nr，diff總體上呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的變化規(guī)律。單摻PU的Jnr，diff敏感性高，PU-LF復(fù)合的Jnr，diff值顯著減小。這表明采用復(fù)合改性技術(shù)的PU-LF復(fù)合改性瀝青，明顯降低了應(yīng)力敏感性，提升了高溫性能，復(fù)合改性明顯優(yōu)于摻入單一材料改性。