作者簡介：莫 皓（1988—），工程師，主要從事國省干線公路養(yǎng)護(hù)及養(yǎng)護(hù)工程管理工作。

摘要：文章以瀝青面層裂縫為主要對象，將聚氨酯按照不同質(zhì)量組分摻入環(huán)氧基修復(fù)材料中，制備聚氨酯改性瀝青路面修復(fù)材料，并在確定聚氨酯合理摻量范圍的基礎(chǔ)上將改性修復(fù)材料應(yīng)用于瀝青面層修復(fù)，通過測試低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗彎拉強(qiáng)度，為今后新型路面修復(fù)材料的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。結(jié)果表明：隨著聚氨酯摻量的增加，改性修復(fù)材料的壓縮強(qiáng)度逐漸減小，拉伸強(qiáng)度和抗老化能力呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢；修復(fù)后瀝青試件的劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后穩(wěn)定的趨勢，馬歇爾穩(wěn)定度在＞30%摻量后改善效果明顯，殘留穩(wěn)定度在摻量為25%、30%、35%、40%時滿足要求；彎拉強(qiáng)度值在40%摻量時達(dá)到最大值。

關(guān)鍵詞：聚氨酯；修復(fù)材料；修復(fù)效果；瀝青路面

中圖分類號：U416.217

0 引言

《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》（簡稱“十四五”規(guī)劃）對“加快建設(shè)交通強(qiáng)國”提出了新要求和新方法^［1］。近年來，公路運(yùn)輸體系的不斷完善成為我國經(jīng)濟(jì)跨越式發(fā)展的重要支撐，瀝青混凝土路面是我國高等級公路中普遍采用的形式，其占比超過90%。隨著我國國省干線運(yùn)營壓力的不斷增加，瀝青混凝土路面裂縫等病害逐漸成為影響公路運(yùn)輸質(zhì)量的重要原因之一。為解決瀝青路面病害問題，行業(yè)內(nèi)主要以瀝青材料、化學(xué)填縫材料和瀝青自修復(fù)材料這三類材料進(jìn)行修復(fù)工作，其核心是通過材料的創(chuàng)新提高修復(fù)效果。聚氨酯具備良好的耐久性和穩(wěn)定性，這使其可用于填縫材料修復(fù)瀝青路面。近年來學(xué)者們針對聚氨酯在瀝青路面修復(fù)領(lǐng)域的研究取得一定成果：Kazemi Mohammadjavad等^［2］針對瀝青修復(fù)機(jī)理，采用聚氨酯改善自修復(fù)能力，通過研究確定溫度、時間是影響愈合能力的重要影響因素，為瀝青愈合能力的提升提供突破方向；伍杰等^［3］采用無溶劑雙組份聚氨酯制備一種新型發(fā)泡型 Pucs裂縫修補(bǔ)材料，其材料較常規(guī)材料相比，在修復(fù)效果、修復(fù)時間和環(huán)保效益方面有突出成效；李廣通^［4］將改性聚氨酯應(yīng)用于高速公路路面修復(fù)工作，在分析改性聚氨酯性能的基礎(chǔ)上，通過工程應(yīng)用實(shí)例，歸納總結(jié)材料、施工和管理中注意的問題和事項(xiàng)，從應(yīng)用角度挖掘該類別材料的推廣價值，為后續(xù)大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

雖然學(xué)者們已有一定研究，但由于我國幅員遼闊，鋪筑公路的道路材料性能參數(shù)參差不齊、公路病害情況各有差異，急需開發(fā)一種兼具耐久性和修復(fù)效果，且具備普適性的瀝青公路修復(fù)材料。因此，本文中結(jié)合國省干道養(yǎng)護(hù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對瀝青路面病害問題進(jìn)行研究。以瀝青面層裂縫為主要對象，將具備良好耐久性和穩(wěn)定性的聚氨酯按照不同質(zhì)量組分摻入環(huán)氧基修復(fù)材料中，制備聚氨酯改性瀝青路面修復(fù)材料，在確保修復(fù)材料自身性能達(dá)標(biāo)的情況下，按瀝青面層力學(xué)性能要求測試聚氨酯改性修復(fù)材料修復(fù)后的瀝青面層試件，通過低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試圖從室內(nèi)試驗(yàn)角度驗(yàn)證聚氨酯改性瀝青路面修復(fù)材料對瀝青面層的修復(fù)效果，為今后新型路面修復(fù)材料的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

本文針對瀝青路面中瀝青面層裂縫修補(bǔ)開展修復(fù)材料的修復(fù)效果研究，其流程包含修復(fù)材料的制備及性能測試、修復(fù)材料-瀝青面層復(fù)合試件的制備及修復(fù)效果測試。

1.1.1 聚氨酯改性修復(fù)材料原材料

在制備修復(fù)材料時，借鑒了聚氨酯行業(yè)研究成果^［5］。以聚氨酯和環(huán)氧丙烯酸酯作為基料，輔以交聯(lián)劑和引發(fā)劑在鏈接主料基團(tuán)橋接的同時促進(jìn)主料之間的反應(yīng)。聚氨酯采用廣州文龍化工有限公司生產(chǎn)的聚氨酯，其具有滲透性好、粘結(jié)性好、耐久性高和優(yōu)良的低溫工作性等優(yōu)勢，同時還具有一定的阻燃性，可大大降低修復(fù)材料的燃燒風(fēng)險。其密度為1.07 g/cm³，拉伸強(qiáng)度為35 MPa，壓縮變形率為29%，回彈率為55%，撕裂強(qiáng)度為85 kN/m。環(huán)氧丙烯酸酯是一種熱固化性材料，具有良好的耐水、耐熱性能，各項(xiàng)力學(xué)基本性能均較出色^［6］。本試驗(yàn)采用廣州文龍化工有限公司生產(chǎn)的環(huán)氧丙烯酸酯，其收縮率為1.5%、熱膨脹系數(shù)達(dá)7%～11%、黏度為12 000 MPa·s。外加劑由交聯(lián)劑和引發(fā)劑組成，交聯(lián)劑采用廣西某化工廠生產(chǎn)的丁二醇溶液，其密度為1.07 g/cm³、熔點(diǎn)為20.21 ℃、沸點(diǎn)為237 ℃；引發(fā)劑采用廣西某化工廠生產(chǎn)的促進(jìn)引發(fā)劑，其主要組成為二甲基苯胺和過氧化苯甲酰，引發(fā)劑密度為1.30 g/cm³，熔點(diǎn)為94.7 ℃。

1.1.2 修復(fù)材料-瀝青路面復(fù)合試件原材料

在制備修復(fù)材料-瀝青面層復(fù)合試件時，以改性瀝青、花崗巖碎石、石灰石礦粉和水泥作為原材料。瀝青采用SBS改性瀝青，具體參數(shù)見表1?；◢弾r碎石、石灰石礦粉和消石灰材料滿足試驗(yàn)規(guī)范要求，其級配曲線如圖1所示。水泥采用P·O 32.5硅酸鹽水泥，各項(xiàng)組成參數(shù)見表2。制備試件用量為5%。

1.2 試驗(yàn)方案

以修復(fù)材料-瀝青面層復(fù)合試件為對象，進(jìn)行聚氨酯改性修復(fù)材料的修復(fù)效果試驗(yàn)。首先在修復(fù)材料中摻入不同含量的聚氨酯，通過測試聚氨酯改性修復(fù)材料的性能，確保滿足修復(fù)材料的性能要求；隨后將滿足要求的聚氨酯改性修復(fù)材料應(yīng)用于瀝青路面試件的修復(fù)中，測試各試件的力學(xué)性能，得到聚氨酯含量與瀝青混凝土試件性能變化的規(guī)律，從而優(yōu)選修復(fù)效果最佳的聚氨酯摻量。

1.2.1 聚氨酯改性修復(fù)材料的測試方法

由于交聯(lián)劑主要用于鏈接聚氨酯與環(huán)氧丙烯酸酯活性基團(tuán)反應(yīng)生成網(wǎng)絡(luò)狀聚合物，其用量隨聚氨酯摻入量的變化而變化，故本試驗(yàn)按照聚氨酯摻量與交聯(lián)劑加入量5∶1同步調(diào)整，聚氨酯摻量按照環(huán)氧丙烯酸酯質(zhì)量的0、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%摻入，制備11組修復(fù)材料，具體摻量如表3所示。按照《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》（GB/T 2567-2021）的要求開展耐老化性、壓縮性能和拉伸性能測試。

1.2.2 修復(fù)材料-瀝青路面復(fù)合試件的測試方法

瀝青路面填縫材料在實(shí)際應(yīng)用時，主要以修復(fù)瀝青面層為主，所以本文為測試聚氨酯改性瀝青路面修復(fù)材料的修復(fù)效果，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）要求制作馬歇爾試件及車轍板試件后，人工切割出深10 mm、寬 5 mm 的裂縫，用不同摻量的聚氨酯改性修復(fù)材料修復(fù)，養(yǎng)護(hù)24 h后即可對照標(biāo)準(zhǔn)要求，開展低溫劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)。

2 聚氨酯改性修復(fù)材料的試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓縮性能

修復(fù)材料的壓縮性能用破壞荷載與截面面積的比表征，即壓縮強(qiáng)度表征。測試壓縮性能并計算壓縮強(qiáng)度時，利用高25 mm±0.5 mm、截面正方形邊長10 mm±0.2 mm的試件，按照試驗(yàn)速度5 mm/min進(jìn)行測試。測試數(shù)據(jù)換算為壓縮強(qiáng)度（MPa），結(jié)果如圖2所示。分析圖2可知：修復(fù)材料的壓縮強(qiáng)度隨著聚氨酯摻量的增加逐漸減??；從0逐漸增加至50%時，修復(fù)材料的壓縮強(qiáng)度從57.67 MPa下降至44.3 MPa，聚氨酯摻量在0～20%和40%～50%時，壓縮強(qiáng)度降低的幅度均在2.8%以上；而聚氨酯摻量從20%增加至40%過程中，修復(fù)材料的壓縮強(qiáng)度分別為49.27 MPa、48.84 MPa、48.37 MPa、48.02 MPa，降低幅度較小，分別為0.87%、0.96%、0.72%、0.94%。由此可見，聚氨酯摻量在20%～40%時，修復(fù)材料的壓縮強(qiáng)度較為穩(wěn)定，且可以確保在發(fā)揮聚氨酯優(yōu)勢的同時提高與被修復(fù)材料強(qiáng)度的匹配。

2.2 拉伸性能

拉伸性能試驗(yàn)通過測試試件破壞時的荷載和伸長量來計算拉伸強(qiáng)度，從而表征修復(fù)材料的拉伸性能。使用總長220 mm、厚度4.0 mm±0.2 mm、端頭為20 mm±0.5 mm的拉伸試樣，按照試驗(yàn)速度8 mm/min進(jìn)行測試。測試數(shù)據(jù)換算為拉伸強(qiáng)度（MPa），其結(jié)果如圖3所示。分析圖3可知：修復(fù)材料拉伸強(qiáng)度隨著聚氨酯摻量的增大而呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，在聚氨酯摻量為30%時達(dá)到最大值43.2 MPa、50%摻量時達(dá)到最小值23.6 MPa；在摻入聚氨酯為0～30%的過程中，由于聚氨酯與環(huán)氧丙烯酸酯在交聯(lián)劑的作用下形成網(wǎng)狀體，聚氨酯摻量越大，其網(wǎng)狀體越多，使修復(fù)材料拉伸強(qiáng)度升高；在聚氨酯摻量＞35%后，由于交聯(lián)劑鏈接聚氨酯和環(huán)氧丙烯酸酯的鍵達(dá)到飽和，再增加聚氨酯會使二者相容性降低，致使拉伸強(qiáng)度急劇下降。

2.3 抗老化性

按照標(biāo)準(zhǔn)以拉伸強(qiáng)度變化情況表征材料抗老化能力。以溫度50 ℃為基準(zhǔn)，利用UVA-340 燈管提供22 w/m²的輻照度，測試材料在老化7 d后的拉伸強(qiáng)度變化情況，與未老化拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（見圖4）。分析圖4可知：隨著聚氨酯摻量的不斷提升，老化后和未老化的拉伸強(qiáng)度均呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢；計算同一摻量下老化后和未老化拉伸強(qiáng)度變化可知，在聚氨酯摻量為0～20%時，拉伸強(qiáng)度降低的幅度分別為13.5%、13.4%、12.8%、12.7%、11.5%，聚氨酯摻量在20%～40%時，拉伸強(qiáng)度降低的幅度分別為9.9%、9.3%、9.5%、8.2%，聚氨酯摻量在20%～40%時，拉伸強(qiáng)度降低的幅度分別為13.6%、18.2%。由此可見，摻量在20%～40%時降低幅度最低、抗老化性能更好。

3 瀝青路面修復(fù)效果的試驗(yàn)結(jié)果與分析

綜合修復(fù)材料性能測試結(jié)果，針對不同性能測試的要求，將滿足修復(fù)材料性能要求的20%～40%摻量的聚氨酯改性修復(fù)材料（編號分別為A4-A8）應(yīng)用于瀝青路面試件的修復(fù)（修復(fù)后試件編號為B4-B8），通過開展修復(fù)后試件的低溫劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)，在符合規(guī)范要求的同時綜合對比性能指標(biāo)，最終得到最優(yōu)修復(fù)效果下的聚氨酯摻量范圍，為后續(xù)工程實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

3.1 低溫劈裂試驗(yàn)

通過在標(biāo)準(zhǔn)試件中人工切出裂縫后，用20%～40%摻量的修復(fù)材料進(jìn)行修復(fù)，且養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行測試。各修復(fù)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)如圖5所示，參考人工切縫前試件劈裂抗拉強(qiáng)度4.37 MPa及圖5可以得到：隨著聚氨酯摻量從20%升至40%，被修復(fù)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度從3.48 MPa升至3.97 MPa，總體呈現(xiàn)先升高后穩(wěn)定的趨勢。這是因?yàn)榫郯滨搅康纳?，修?fù)材料性能的提高使劈裂抗拉強(qiáng)度增加；在聚氨酯摻量從20%升至30%過程中，被修復(fù)試件劈裂抗拉強(qiáng)度增幅較大，分別是未切縫試件的76.1%和86.5%；在聚氨酯摻量從30%升至40%過程中，被修復(fù)試件劈裂抗拉強(qiáng)度增幅趨于穩(wěn)定，分別是未切縫試件的89.7%、90.2%和90.8%；總體來說，在30%～40%摻量下，被修復(fù)試件劈裂抗拉強(qiáng)度修復(fù)效果較好。

圖5 劈裂抗拉強(qiáng)度變化曲線圖

3.2 浸水馬歇爾試驗(yàn)

一般情況下，瀝青路面在開裂后會由于雨水侵蝕出現(xiàn)掉塊和剝落，因此需要開展被修復(fù)試件的浸水馬歇爾穩(wěn)定度測試。將被修復(fù)試件放置于60 ℃恒溫環(huán)境下48 h，隨后測試浸水馬歇爾穩(wěn)定度，用其結(jié)果與60 ℃恒溫環(huán)境下30 min試件穩(wěn)定度比值，作為殘留穩(wěn)定度，以此表征被修復(fù)材料抗雨水侵蝕能力。試驗(yàn)結(jié)果如下頁圖6和圖7所示。圖6反映出浸水48 h后被修復(fù)試件馬歇爾穩(wěn)定度隨修復(fù)材料聚氨酯摻量的增加呈現(xiàn)上升趨勢。聚氨酯摻量從20%上升至40%過程中，被修復(fù)試件48 h浸水馬歇爾穩(wěn)定度分別達(dá)到原試件11.07 kN的66.1%、79.1%、82.9%、90.1%和94.5%，說明聚氨酯摻量在30%以后改善效果明顯。從圖7展示的殘留穩(wěn)定度趨勢可以看出，被修復(fù)試件殘留穩(wěn)定度隨著修復(fù)材料中聚氨酯含量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中隨著修復(fù)材料中聚氨酯含量的增加，被修復(fù)試件殘留穩(wěn)定度分別為78.78%、80.34%、84.34%、87.77%、86.12%，對標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的殘留穩(wěn)定度須≥80%的要求，在摻量25%、30%、35%、40%時滿足要求，且在摻量為35%時達(dá)到最大殘留穩(wěn)定度。

3.3 低溫彎曲試驗(yàn)

瀝青路面運(yùn)營時，車輛行駛產(chǎn)生的動荷載反復(fù)作用于路面，為保證被修復(fù)后的路面不會發(fā)生開裂，被修復(fù)材料試件的抗彎拉強(qiáng)度必須超過車輛行駛產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力。因此，開展低溫彎曲試驗(yàn)，測試試件彎拉強(qiáng)度，以此評價修復(fù)材料的修復(fù)能力。測試結(jié)果如圖8所示：隨著修復(fù)材料聚氨酯摻量的增加，被修復(fù)材料彎拉強(qiáng)度值也逐漸升高，聚氨酯含量從20%增加到40%的過程中，被修復(fù)材料的彎拉強(qiáng)度分別為5.12 MPa、5.74 MPa、6.23 MPa、6.58 MPa、6.87 MPa，修復(fù)效果較未開裂時的7.65 MPa相比增幅分別為66.9%、75.0%、81.4%、86.0%和89.8%，被修復(fù)材料的彎拉強(qiáng)度上升的趨勢在聚氨酯摻量為35%后放緩，在40%聚氨酯摻量時達(dá)到最大值。

4 結(jié)語

為研究聚氨酯改性瀝青面層修復(fù)材料的修復(fù)效果，本文首先對修復(fù)材料本身性能開展研究。在確定聚氨酯合理摻量范圍的基礎(chǔ)上，將改性修復(fù)材料應(yīng)用于瀝青面層修復(fù)，通過測試低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗彎拉強(qiáng)度，為今后新型路面修復(fù)材料的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。測試結(jié)果表明：

（1）聚氨酯改性修復(fù)材料的壓縮強(qiáng)度隨著聚氨酯摻量的增加逐漸減小，摻量在20%～40%時，壓縮強(qiáng)度較為穩(wěn)定；聚氨酯改性修復(fù)材料的拉伸強(qiáng)度隨著聚氨酯摻量的增大而呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，在聚氨酯摻量為30%時達(dá)到最大值43.2 MPa，50%摻量時達(dá)到最小值23.6 MPa；聚氨酯改性修復(fù)材料的抗老化能力隨著聚氨酯含量提升呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，摻量在20%～40%時降低幅度最低，抗老化性能更好。

（2）修復(fù)后瀝青試件的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著聚氨酯摻量的升高總體呈現(xiàn)先升高后穩(wěn)定的趨勢；修復(fù)后瀝青試件的馬歇爾穩(wěn)定度隨修復(fù)材料聚氨酯摻量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，聚氨酯摻量在30%以后改善效果明顯；殘留穩(wěn)定度隨修復(fù)材料中聚氨酯含量的增加呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢，在摻量為25%、30%、35%、40%時滿足要求；修復(fù)后瀝青試件的彎拉強(qiáng)度值隨聚氨酯摻量的增加逐漸升高，在聚氨酯摻量為35%后升高趨勢放緩，在40%聚氨酯摻量時達(dá)到最大值。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-04-16