聚氨酯和橡膠粉復(fù)合改性瀝青的試驗(yàn)研究

范騰，林思能，尹應(yīng)梅，侯偉健

（1.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；

2.清遠(yuǎn)市地方公路管理總站，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

聚氨酯和橡膠粉復(fù)合改性瀝青的試驗(yàn)研究

范騰1，林思能1，尹應(yīng)梅1，侯偉健2

（1.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；

2.清遠(yuǎn)市地方公路管理總站，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

以聚氨酯和橡膠粉復(fù)合改性瀝青，通過(guò)針入度、延度、軟化點(diǎn)等常規(guī)性能試驗(yàn)探討了改性劑的合理?yè)搅?，并?yīng)用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（DSR）和彎曲梁流變?cè)囼?yàn)（BBR）對(duì)其高低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)。結(jié)果顯示，聚氨酯和橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性有了明顯改善，具有較好的路用性能，能夠滿足中國(guó)南方地區(qū)的使用要求。

熱塑性聚氨酯彈性體；橡膠粉；改性瀝青；路用性能

隨著道路的交通量和載重不斷增加，普通道路瀝青由于自身的組成和結(jié)構(gòu)決定了其感溫性、彈性和抗老化性能差，高溫易流淌，低溫易脆裂的特點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)代交通的需要，改性瀝青成為一種新的選擇。橡膠粉改性瀝青由于能在一定程度上提高路面的使用性能，并且有良好的行車舒適性和環(huán)保效益，得到了廣泛關(guān)注，但其在溫度穩(wěn)定性方面仍有不足[1-3]。聚氨酯具有良好的彈性、耐磨性、耐老化性和粘合性，吸振能力優(yōu)異。本文將聚氨酯彈性體應(yīng)用于橡膠瀝青中，配制成聚氨酯和橡膠粉復(fù)合改性瀝青，研究其常規(guī)性能，并對(duì)混合料的路用性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

基質(zhì)瀝青：中海AH-70，針入度（25℃，100 g，5 s，）69.1（0.1 mm），軟化點(diǎn)49.2℃，5℃時(shí)延度1.4 cm；廢橡膠粉：30目，丹陽(yáng)市華軒橡塑實(shí)業(yè)有限公司；聚氨酯彈性體：德國(guó)拜耳，性能指標(biāo)見表1；助劑：相容劑、穩(wěn)定劑。

表1 聚氨酯彈性體的性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

剪切機(jī)：弗魯克FT-800型；可控溫電爐：泰斯特DK-98-Ⅱ。

1.3 試樣制備方法

取一定量的基質(zhì)瀝青，加熱熔融至180℃，按比例加入橡膠粉，用高速剪切機(jī)在6000 r/min轉(zhuǎn)速下剪切30 min。再按配比加入聚氨酯彈性體和助劑，繼續(xù)剪切至無(wú)可見固體顆粒，降溫至160℃放置30 min，經(jīng)充分發(fā)育后即得到聚氨酯橡膠粉復(fù)合改性瀝青。

2 復(fù)合改性瀝青常規(guī)技術(shù)性能試驗(yàn)

2.1 橡膠粉摻量對(duì)改性瀝青性能的影響

從不同粒徑橡膠粉對(duì)改性瀝青的作用來(lái)看，粒徑小的膠粉溶脹比較容易，溶脹后膠粉顆粒能較均勻地懸浮分散在瀝青中[4]。而粒徑大的膠粉可以形成骨架結(jié)構(gòu)，溫度升高時(shí)不易流動(dòng)變形，因此改性瀝青高溫性能提高，考慮到橡膠粉越細(xì)，改性成本越高以及南方的高溫環(huán)境，本文采用30目橡膠粉進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。橡膠粉摻量對(duì)改性瀝青性能的影響見表2。

表2 橡膠粉摻量對(duì)改性瀝青性能的影響

從表1可以看出，加入橡膠粉后改性瀝青的針入度比基質(zhì)瀝青有所減小，說(shuō)明其黏度增加，提高了其高溫穩(wěn)定性。隨著橡膠粉摻量的增加，改性瀝青的低溫延度基本上也呈遞增關(guān)系，說(shuō)明改性瀝青的低溫性能有所改善。軟化點(diǎn)隨著橡膠粉摻量的增加先升高后降低，也說(shuō)明其高溫穩(wěn)定性能有所提高。當(dāng)橡膠粉摻量為15%時(shí)，軟化點(diǎn)最高，針入度也較低。綜合考慮，對(duì)摻有15%橡膠粉的改性瀝青進(jìn)行下述試驗(yàn)。

2.2 聚氨酯摻量對(duì)改性瀝青的影響

橡膠粉的摻量為瀝青質(zhì)量的15%，聚氨酯摻量（按占基質(zhì)瀝青和橡膠粉總質(zhì)量計(jì)）對(duì)改性瀝青性能的影響見表3。

表3 聚氨酯摻量對(duì)改性瀝青性能的影響

由表3可見，隨著聚氨酯摻量的增加，改性瀝青的針入度有所降低，軟化點(diǎn)升高，瀝青的高溫穩(wěn)定性有所改善，為了獲取平衡的性能指標(biāo)，即較小的針入度，合適的延度和較高的軟化點(diǎn)，確定復(fù)合改性瀝青中聚氨酯摻量為瀝青和橡膠粉總質(zhì)量的3%。

3 復(fù)合改性瀝青的SHRP高低溫性能試驗(yàn)及評(píng)價(jià)

美國(guó)戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃（Strategic Highway Research Protect，簡(jiǎn)稱SHRP）提出了一些新的關(guān)于瀝青溫度性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法，其各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與瀝青的路用性能有很大的相關(guān)性，在國(guó)際上有廣泛的影響，本文對(duì)此復(fù)合改性瀝青進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。

3.1 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（DSR）分析

DSR試驗(yàn)是通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀（Bohlin DSRII型）測(cè)試瀝青材料的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ來(lái)描述瀝青的粘彈性質(zhì)，以抗車轍因子G*/sinδ為評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)SHRP規(guī)范規(guī)定，對(duì)于未老化的原樣瀝青，抗車轍因子G*/sinδ應(yīng)不小于1.0 kPa，RTFOT老化后瀝青的抗車轍因子G*/sinδ應(yīng)不小于2.2 kPa。本試驗(yàn)按照AASHTO TP5-93試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，振蕩加載頻率為10 rad/s，溫度為70℃，分別對(duì)上述原樣瀝青和老化后的瀝青（RTFOT）進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見圖1。

圖1 原樣瀝青和RTFOT老化后瀝青的DSR分析結(jié)果

由圖1可知，改性后瀝青的抗車轍因子G*/sinδ比基質(zhì)瀝青有明顯的提高，基質(zhì)瀝青在70℃時(shí)未老化時(shí)抗車轍因子小于1.0 kPa，不筇符合SHRP規(guī)范要求，經(jīng)過(guò)改性后瀝青的抗車轍因子幾乎是基質(zhì)瀝青的2倍，具有更好的高溫性能和更強(qiáng)的抵抗變形的能力。

3.2 彎曲梁流變?cè)囼?yàn)（BBR）分析

彎曲梁流變?cè)囼?yàn)是SHRP中用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青低溫抗裂性能的一種方法，試驗(yàn)通過(guò)彎曲流變儀（ATS RHE-102型）在瀝青小梁試件上施加蠕變荷載，模擬低溫條件下試件中逐漸產(chǎn)生的應(yīng)力來(lái)獲得2個(gè)主要的技術(shù)指標(biāo)，彎曲蠕變的勁度模量S和蠕變曲線的斜率m，試驗(yàn)荷載為980 mN，在設(shè)定溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為240 s，儀器計(jì)算時(shí)間為60 s，m值則為60 s時(shí)蠕變勁度與時(shí)間關(guān)系曲線上切線的斜率，蠕變勁度S（t）按試（1）計(jì)算。

式中：S（t）——隨時(shí)間變化的蠕變勁度，MPa；

P——施加恒載，980 mN；

L——梁支架間距，101.6 mm；

b——梁高，12.5 mm；

h——梁寬，6.5 mm；

Δ（t）——隨時(shí)間變化的變形，t=60 s。

蠕變勁度太大容易出現(xiàn)脆性斷裂，m值越大表明其抵抗開裂的能力提高。由于基質(zhì)瀝青的低溫性能較差，本文對(duì)上述含量的橡膠瀝青和復(fù)合改性瀝青進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，根據(jù)SHRP規(guī)定要求，勁度模量不大于300MPa，m值不小于0.3。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 瀝青的BBR試驗(yàn)分析結(jié)果

由表4可知，2種改性瀝青的m值均隨著溫度的降低而減小，表明其低溫抗裂性隨著溫度的降低逐漸變差。同時(shí)在-22℃時(shí)，二者的蠕變勁度模量均大于300 MPa，且m值不滿足≥0.3的要求；在-16℃時(shí)，二者都處在可用范圍之內(nèi)，但聚氨酯橡膠粉復(fù)合改性瀝青的低溫抗裂性較橡膠瀝青有所降低，分析原因是由于聚氨酯橡膠粉復(fù)合改性瀝青是多種物質(zhì)的混溶，在高速剪切的作用下形成一個(gè)整體，雖然加入了相容劑和穩(wěn)定劑，但仍有一部分高聚物在整個(gè)體系中分布不均勻或者分散在其中的高聚物凝聚成團(tuán)造成了在外力作用下的受力不均勻，容易造成在低溫下的破壞開裂[5]，但這對(duì)于我國(guó)南方地區(qū)仍是滿足使用要求的。

4 復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能試驗(yàn)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，用基質(zhì)瀝青，橡膠瀝青（橡膠粉用量為15%）和復(fù)合改性瀝青在各自最佳油石比情況下制作了相應(yīng)的混合料試件，按照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對(duì)復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行了相關(guān)的路用性能試驗(yàn)。試驗(yàn)用AC-13混合料礦料級(jí)配見表5。

表5 礦料目標(biāo)配合比

4.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

基質(zhì)瀝青混合料、橡膠瀝青混合料、復(fù)合改性瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，聚氨酯橡膠復(fù)合改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度大于基質(zhì)瀝青混合料和橡膠改性瀝青混合料，殘留穩(wěn)定度均在90%以上，說(shuō)明復(fù)合改性瀝青有更強(qiáng)的抵抗水損害的能力。

4.2 車轍試驗(yàn)

按照實(shí)驗(yàn)規(guī)程，成型尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，試驗(yàn)溫度為60℃，輪壓為0.7 MPa，往返碾壓速度為42次/min。車轍試驗(yàn)結(jié)果為：基質(zhì)瀝青混合料、橡膠瀝青混合料和復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度DS分別為1796、3043、4212次/mm。復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最高，說(shuō)明聚氨酯和橡膠粉復(fù)合改性能夠提高混合料的高溫穩(wěn)定性，具有良好的抗車轍能力，適宜于南方高溫氣候的要求。

5 復(fù)合改性瀝青改性機(jī)理分析

5.1 復(fù)合改性瀝青的DSC評(píng)價(jià)

不同類型瀝青的DSC曲線和熱分析見圖3、表6。

圖3 不同類型瀝青的DSC曲線

表6 瀝青的DSC熱力學(xué)數(shù)據(jù)分析

由圖3和表6可知，采用橡膠粉和聚氨酯改性后，瀝青的狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度范圍并沒有太多差異，尤其是高溫區(qū)間，但在高溫區(qū)間和低溫區(qū)間其吸熱量都有所下降，同時(shí)，曲線變得平緩，這說(shuō)明加入改性劑之后，瀝青一些組分與改性劑反應(yīng)，減小了溫度變化時(shí)其聚集態(tài)轉(zhuǎn)變的量，表現(xiàn)為由粘彈狀態(tài)到粘流狀態(tài)吸收的熱量減小。這顯示出瀝青經(jīng)過(guò)復(fù)合改性后，感溫性能降低，溫度穩(wěn)定性提高，這對(duì)于瀝青在高溫時(shí)抵抗變形是有利的。

5.2 復(fù)合改性瀝青機(jī)理分析

在基質(zhì)瀝青中摻入橡膠粉后，其改性機(jī)理是橡膠粉與瀝青之間發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)作用，一方面，是橡膠粉的溶解、吸附溶脹、膠粉顆粒的增強(qiáng)與填充作用；另一方面，是由于相互作用和物質(zhì)交換造成各自成分的變化，聚氨酯彈性體具有高彈性、高伸長(zhǎng)率、高強(qiáng)力的特點(diǎn)，同時(shí)具有很好的吸振性能。從聚氨酯分子構(gòu)型來(lái)看，其分為軟性鏈段和剛性鏈段，其軟段是聚酯或聚醚，硬段是氨基甲酸酯基，剛性鏈段聚集在一起成為塑料相，而柔性鏈段聚集在一起成為橡膠相，并且塑料相與橡膠相不相溶，塑料相作為彈性交聯(lián)點(diǎn)分散于橡膠相中，發(fā)生微相分離，這種能發(fā)生微相分離的彈性體在高溫下有很高的拉伸強(qiáng)度，這對(duì)于提高瀝青的高溫性能是有利的。本試驗(yàn)通過(guò)熱塑性彈性體的摻入，與基質(zhì)瀝青和橡膠粉發(fā)生混溶，相互滲透形成立體的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，冷卻后同細(xì)集料膠結(jié)在一起，在集料內(nèi)起到粘結(jié)、加筋和填充的作用，因此限制了集料在受到荷載時(shí)的運(yùn)動(dòng)，提高了瀝青混合料的密實(shí)性，從而提高了其高溫穩(wěn)定性。同時(shí)由于聚氨酯在混合料中的填隙作用，改善了混合料的防滲透性能，因此提高了其抵抗水損害的能力。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)聚氨酯和橡膠粉復(fù)合改性瀝青的研制，在高溫下將聚氨酯彈性體顆粒加入到橡膠瀝青中濕法生產(chǎn)出復(fù)合改性瀝青的方法是可行的。

（2）由于聚氨酯的高彈力和高伸長(zhǎng)率，與橡膠瀝青膠結(jié)在一起形成一個(gè)穩(wěn)固的立體結(jié)構(gòu)，隨著聚氨酯的摻入，其針入度降低，軟化點(diǎn)升高，同時(shí)混合料動(dòng)穩(wěn)定度有一定的提高，這與動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)抗車轍因子增大的結(jié)果一致，說(shuō)明其能提高混合料的高溫穩(wěn)定性。浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果殘留穩(wěn)定度在90%以上，說(shuō)明其有良好的水穩(wěn)定性。這些充分說(shuō)明了聚氨酯和橡膠粉復(fù)合改性瀝青有較好的路用性能。

（3）由于瀝青是由多種成分組成的有機(jī)物，物理化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，通過(guò)差示掃描量熱法（DSC）對(duì)改性瀝青進(jìn)行了熱分析，結(jié)果顯示溫度變化時(shí)其吸收的總熱量減小，說(shuō)明其溫度穩(wěn)定性有所改善。但高聚物與其的相容時(shí)，容易發(fā)生聚集和離析等問(wèn)題，在低溫條件下發(fā)生應(yīng)力集中造成開裂，這對(duì)于相容劑和穩(wěn)定劑提出了更高的要求。

（4）通過(guò)試驗(yàn)當(dāng)橡膠粉摻量為15%，聚氨酯彈性體摻量為3%時(shí)，可以取得較好的效果，以此得到的復(fù)合改性瀝青可以在南方高溫多雨的氣候條件下試用。

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[2]麥燦強(qiáng)，張榮輝，黃健超，等.橡膠與塑性膠粒復(fù)合改性瀝青混合料試驗(yàn)研究[J].中外公路，2012，32（3）：332-335.

[3]呂惠卿，張湘?zhèn)?，張榮輝，等.橡膠粉和環(huán)氧樹脂改性瀝青的研制[J].新型建筑材料，2010，37（6）：20-23.

[4]劉穎，辛星.道路用聚氨酯改性瀝青的性能研究[J].石油瀝青，2015，29（1）：48-53.

[5]張文武.廢胎膠粉改性瀝青機(jī)理研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2009.

Experimental study of composite modified asphalt with polyurethane and rubber powder

FAN Teng1，LIN Sineng1，YIN Yingmei1，HOU Weijian2
1.School of Civil and Transportation Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；
2.Qingyuan Local Highway Management Station，Qingyuan 511500，China）

This article discusses the preparation of composite modified asphalt with polyurethane and rubber powder.Through testing the penetration index，ductility and softening point of the modified asphalt，the reasonable content of rubber powder and polyurethanewereinvestigated.ThehighandlowtemperaturepropertieswereevaluatedbyDSRtestandBBRmethod. Furthermore the pavement-application performance of the modified asphalt mixture was tested in the laboratory.The results indicate that the composite modified asphalt can improve the high temperature properties and water stability of asphalt mixture，and this asphalt mixture has excellent pavement performance which can meet the requirements of the use in the south of China.

thermoplastic polyurethane elastomer，rubber powder，modified asphalt，pavement-application performance

TU35

A

1001-702X（2016）11-0083-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51508109）；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（S2013040016232）

2016-05-04

范騰，男，1992年生，河南商丘人，碩士研究生。