瀝青路面施工中聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料的應用

摘要 為分析聚氨酯瑪蹄脂混合料在高等級公路瀝青路面施工中應用的可行性，文章從原材料選用、級配設計、最佳膠石比確定等方面展開混合料設計，應用車轍試驗、單軸貫入強度試驗、浸水馬歇爾試驗對聚氨酯瑪蹄脂混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)性等路用性能展開研究；在此基礎上，以某一級公路試驗段為例，對聚氨酯瑪蹄脂混合料拌和、攤鋪、碾壓等施工要點進行分析。結(jié)果表明，聚氨酯膠黏劑能較好裹覆和黏結(jié)集料，形成路用性能和力學性能均優(yōu)異的聚氨酯瑪蹄脂混合料，顯著提升瀝青混合料高低溫穩(wěn)定性，此類材料的工程應用也為我國瀝青路面質(zhì)量的提高指明了方向。

關鍵詞 瀝青路面；聚氨酯；瑪蹄脂；碎石混合料

中圖分類號 U414文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0071-04

0 引言

瀝青混合料屬于溫度敏感性黏彈性材料，受到溫度荷載耦合作用后極易出現(xiàn)裂縫、沉降、車轍、擁包等病害。性能優(yōu)良的改性瀝青混合料也只能減輕路面病害，無法根治。聚氨酯膠黏劑黏結(jié)強度高、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性優(yōu)異、耐水解，在國際上應用廣泛。學術(shù)界也對聚氨酯膠黏劑和集料混合而成的聚氨酯混合料路用性能展開試驗研究。但研究領域主要集中在多孔隙透水聚氨酯路面方面，此類路面與密實型路面相比普遍存在強度弱、壽命短等弊端。

為此，該研究基于既有學術(shù)成果，通過室內(nèi)試驗對密實型聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料優(yōu)異的路用性能展開分析，并對工程應用過程及效果展開評價，以期為此類性能優(yōu)異、環(huán)境友好路面材料的推廣應用提供參考。

1 聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料配合比設計

1.1 原材料選用

（1）聚氨酯膠黏劑?？紤]單組分膠結(jié)劑黏結(jié)強度更高，故聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料的結(jié)合料最終選用單組分濕固化型聚氨酯膠黏劑。此類膠黏劑為紅棕色液體，常溫下黏度為2 952 MPa·s，密度為1.13 g/cm³，拉伸強度和剪切強度分別取18 MPa和7 MPa。

（2）集料。以粒徑5～10 mm和10～15 mm的玄武巖碎石料為粗集料；以粒徑0～5 mm的石灰?guī)r機制砂為細集料。兩種集料均干燥清潔，無風化、無雜質(zhì)。根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2015）展開集料性能檢測，結(jié)果見表1和表2。根據(jù)結(jié)果，兩種集料性能均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2004）。

（3）纖維穩(wěn)定劑。聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料應采用木質(zhì)素纖維，此類纖維長度為1 mm，pH值為7.6，密度為0.98 g/cm³，吸油率為556%，含水量為3.4%。各項性能均滿足技術(shù)要求。按照0.3%的比例摻加木質(zhì)素纖維。

1.2 級配設計

因粗集料間存在嵌擠作用，瀝青瑪蹄脂具有黏結(jié)效果，在摻加木質(zhì)素纖維后瀝青黏度得到較好保持，聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)性均較為優(yōu)異。此外，間斷級配能增強混合料抗滑性能，小孔隙率使混合料耐久性和抗老化性能更好，聚氨酯瀝青混合料路用性能顯著提升。因缺乏成型的規(guī)范和標準，故以瀝青混合料級配設計為參考展開聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料級配設計^[1]，并結(jié)合工程實際進行調(diào)整優(yōu)化。

該研究基于SMA-13骨架密實性級配展開聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料級配設計，結(jié)果見表3。

1.3 膠石比

聚氨酯膠黏劑流動性強，如果用量適宜，可在集料表面快速形成一層膠漿黏膜；若用量過少，則會影響集料黏結(jié)性能；若用量過多，又會因重力作用而流淌至混合料底部，造成材料浪費。該研究主要通過飛散試驗與析漏試驗展開聚氨酯膠黏劑最佳膠石比的確定^[2]，試驗結(jié)果匯總見圖1。

由圖1（a）可知，當膠石比取3%時，因膠黏劑用量過少，難以較好裹覆集料，故混合料飛散損失達到37.5%，不符合設計要求；當膠石比取4%時，混合料飛散損失降至11.4%，達到設計要求。此后，隨著膠石比的持續(xù)增大，聚氨酯混合料飛散損失也不斷降低。當膠石比取5%～7%時，聚氨酯混合料飛散損失十分接近，因為此區(qū)間內(nèi)膠黏劑能完全裹覆集料。

由圖1（b）可知，聚氨酯混合料析漏損失隨膠石比的增大而呈增加趨勢。分析原因看出，聚氨酯膠黏劑在固化前流動性良好，且形成的膠膜厚度也較大；但當膠膜厚度超出一定限值后便會引發(fā)膠黏劑流淌和混合料離析。應將膠石比控制在6%左右，以防止析漏損失快速增大。

基于以上試驗確定出的膠石比范圍，選取4%、4.5%、5%、5.5%、6%等膠石比制備試件，進一步展開馬歇爾試驗，試驗結(jié)果見表4。根據(jù)結(jié)果，聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料最佳膠石比為5.5%。

2 聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料路用性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

根據(jù)試驗規(guī)程成型聚氨酯瑪蹄脂混合料試件，在常溫下養(yǎng)生24 h，并在60 ℃±1 ℃的恒溫水浴箱中持續(xù)浸泡30 min。此后，通過單軸貫入強度試驗和車轍試驗進行聚氨酯瑪蹄脂混合料高溫穩(wěn)定性能檢測。根據(jù)試驗結(jié)果，聚氨酯混合料極限荷載為109.99 kN，貫入強度27.87 MPa，最大貫深為4.32 mm；動穩(wěn)定度為37 064次/mm，車轍深、0.62 mm。可見，聚氨酯混合料在最佳膠石比下的貫入強度和動穩(wěn)定度均較大，表明此類混合料高溫穩(wěn)定性能遠優(yōu)于改性瀝青。聚氨酯瑪蹄脂混合料最大貫深和車轍深度也比SBS改性瀝青小，說明改性瀝青仍具有較強的溫感性，高溫環(huán)境下發(fā)生塑性變形的可能性大；聚氨酯材料由短鏈原料與長鏈原料嵌聚^[3]而成，具有較好的高溫穩(wěn)定性和力學性能，即使處于高溫環(huán)境也不會出現(xiàn)塑性變形。

2.2 低溫抗裂性

根據(jù)造成試件破壞的跨中撓度與最大荷載值，進行試件抗彎拉強度、彎曲勁度模量、梁底最大彎拉應變等計算，并對取值進行處理。結(jié)果顯示，聚氨酯瑪蹄脂混合料抗彎拉強度為10.08 MPa，最大彎拉應變?yōu)?8 687×10^?6，彎曲勁度模量為354.26 MPa。此類混合料最大彎拉應變約為SMA混合料彎拉應變的8～10倍；彎曲勁度模量較小，因軟鏈段所賦予的較好力學性能，使此類混合料低溫柔韌性良好，低溫性能較優(yōu)。

2.3 水穩(wěn)性

成型2組聚氨酯瑪蹄脂混合料試件，雙面各擊實50次并分成兩組，一組為對照組，另一組為試驗組。對試驗組試件在97.3～98.7 kPa真空度環(huán)境下展開飽水處理，持續(xù)飽水15 min；結(jié)束后將試件浸泡于水中30 min。此后加水并在?18 ℃冰箱內(nèi)冷凍15 h。結(jié)束后將試件置入60 ℃水箱浸泡2 h。隨后展開凍融劈裂試驗，試驗速率為50 mm/min。根據(jù)試驗結(jié)果，對照組試件劈裂抗拉強度在2.56～2.71 MPa之間，試驗組試件劈裂抗拉強度在1.56～1.67 MPa之間。聚氨酯瑪蹄脂混合料試件凍融后劈裂強度遠高于0.6 MPa，表明其具有較好的水穩(wěn)性。

根據(jù)浸水馬歇爾試驗結(jié)果，聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料殘留穩(wěn)定度較大。通過分析原因看出，聚氨酯瑪蹄脂混合料在膠黏劑完全固化后浸泡于水中，膠黏劑與集料較好黏結(jié)，混合料殘留穩(wěn)定度始終處于較高水平。

3 工程應用

某一級公路段起點樁號為K30+000，終點樁號為K51+580，路段長21.58 km；設計行車速度80 km/h。試驗段選擇在交通量大，車輛起動及剎車頻繁，車速緩慢，比其余路段更容易發(fā)生病害的道路交叉口。為提升該交叉口路用性能和施工質(zhì)量，預防早期病害出現(xiàn)，延長使用壽命，決定在試驗段路面鋪筑4 cm厚的聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料。

3.1 聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料拌和及運輸

聚氨酯膠黏劑裝入塑料桶或鐵桶內(nèi)，在陰涼通風環(huán)境下密封存儲，期間不得隨意開啟密封蓋，防止空氣中水分侵入后與膠黏劑中的異氰酸酯發(fā)生反應而形成皮狀物表層。

該公路試驗段采用冷拌工藝制備聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料。正式拌制前需展開試拌。因聚氨酯膠黏劑性能特殊，必須重點加強材料溫度及拌和均勻度控制，并避免水分浸入。就拌和工藝而言，應摻加集料和纖維后干拌和30 s，再按比例添加聚氨酯膠黏劑后濕拌30 s；最后添加礦粉后持續(xù)拌和30 s。

該公路試驗段聚氨酯面層按照SMA-13級配施工，礦粉、細集料及纖維的摻加均增大了混合料拌和難度，造成拌和過程中花白料、結(jié)團等情況出現(xiàn)；部分混合料還會黏連在拌和鍋內(nèi)壁處，影響拌和質(zhì)量。為此，在拌和期間必須安排技術(shù)人員實時監(jiān)測。

溫度是影響聚氨酯膠黏劑固化速度的主要方面，拌和期間必須加強溫度監(jiān)測，并將溫度控制在25 ℃±10 ℃范圍內(nèi)。

制備完成的聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料由自卸車運輸，裝料前應徹底打掃車廂內(nèi)部，保持干燥清潔，在車廂內(nèi)壁均勻涂抹一層防黏劑。裝料完成后立即覆蓋篷布保溫防塵，并防止混合料因與空氣中的水分接觸而固化。

3.2 聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料攤鋪

此類混合料攤鋪可按照普通熱拌瀝青混合料攤鋪過程展開，但是應加強以下方面的控制：因聚氨酯膠黏劑具有較強的流動性，故攤鋪時應加強側(cè)限設置和控制，避免混合料發(fā)生側(cè)向流淌；攤鋪機械應按2.0～3.0 m/min的速度勻速前進攤鋪，不得隨意調(diào)整速度，也不能轉(zhuǎn)彎、急停。試驗段松鋪系數(shù)先按照1.1控制，工后結(jié)合試驗段取芯厚度展開調(diào)整優(yōu)化。

3.3 聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料碾壓

與常規(guī)熱拌瀝青混合料碾壓工藝相比，聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料碾壓機械、碾壓遍數(shù)均不同。此類混合料具有黏輪特性，故采用鋼輪壓路機分初壓、復壓和終壓階段展開。同時，聚氨酯膠黏劑流動性大，必須增加復壓遍數(shù)。碾壓施工方案見表5。

碾壓結(jié)束后在常溫下對聚氨酯瑪蹄脂碎石路面持續(xù)養(yǎng)護至少1 d，養(yǎng)護期間禁止行人和車輛通行。

3.4 施工質(zhì)量檢測

3.4.1 壓實度

按照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTG E60—2018），通過鉆芯法展開試驗段路面壓實度檢測。具體而言，先確定出取樣點并進行標記；在取樣點處使鉆機垂直對準路面后鉆芯取樣。通過毛刷將芯樣黏附的灰塵輕輕掃除，將芯樣放進烘箱內(nèi)烘干。根據(jù)聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料芯樣實際密度與最大理論密度比計算各取樣點聚氨酯面層壓實度^[4]。結(jié)果顯示，試驗段20個取樣點芯樣壓實度均值為98.3%，符合設計要求。

3.4.2 平整度

根據(jù)測試規(guī)程，通過3 m直尺展開聚氨酯瑪蹄脂碎石路面平整度檢測。測量方向按試驗路走向確定，放置好直尺后目測確定直尺底部與路面間隙，在最大間隙處進行標記；通過深尺測量標記處間隙大小，將結(jié)果精確至0.2 mm。根據(jù)檢測結(jié)果，試驗段聚氨酯瑪蹄脂碎石路面平均平整度為1.1 mm，符合要求。

3.4.3 滲水性能

應用滲水儀展開聚氨酯路面滲水系數(shù)檢測，檢測過程如下：在試驗段路面水平放置塑料圈，并標記出塑料圈內(nèi)外徑，內(nèi)外徑間的區(qū)域必須通過橡皮泥等軟質(zhì)材料封閉；在內(nèi)外徑間的區(qū)域上放置滲水儀，此后向儀器施加設計壓力，將儀器垂直壓入橡皮泥中；在滲水儀量筒內(nèi)加滿水后，開啟儀器開關，量筒內(nèi)液面不斷下降，不斷排出儀器底部氣泡，直至液面不再下降時關閉儀器；再次將量筒注滿水，開啟儀器開關，待量筒內(nèi)液面降至1 000 mL時開始計時，并按60 s時間間隔讀數(shù)；當液面降至500 mL時停止計時。按照以上試驗流程展開5次平行試驗，以試驗均值為最終結(jié)果。

根據(jù)測試結(jié)果，該公路試驗段聚氨酯路面滲水系數(shù)平均取185 mL/min，符合施工技術(shù)規(guī)范要求，也從側(cè)面反映出該公路段所采取的聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料拌和、攤鋪、碾壓施工工藝的適用性。

3.4.4 抗滑性能

通過手工鋪砂法檢測聚氨酯瑪蹄脂碎石路面構(gòu)造深度。具體而言，清理出長和寬均為30 cm的路面作為檢測平面；通過勺子將細沙裝入金屬量筒，裝滿并密實后使用刮刀刮平表面。將細沙全部倒在試驗路表面并攤平為圓形，使細沙均勻填進混合料空隙。測量出所攤平圓形的直徑，并計算聚氨酯路面構(gòu)造深度^[5]。根據(jù)結(jié)果，該試驗段路面構(gòu)造深度均值取1.35 mm，符合技術(shù)要求。

使用擺氏儀進行聚氨酯路面摩擦系數(shù)檢測。檢測前將試驗段徹底清理，調(diào)試、歸零、校準檢測儀器。此后將擺氏儀擺桿與其右側(cè)懸臂固定，保證擺桿平行于路面，同時將指針波動至右端。向路面灑水保持濕潤狀態(tài)，并啟動開關，釋放儀器擺桿；當擺桿回落時讀數(shù)并記錄。按照以上步驟在同一測點展開3次平行試驗，以試驗結(jié)果均值為相應測點擺值。

所測得的該試驗段聚氨酯路面摩擦系數(shù)均值為68 BPN，符合設計要求。

4 結(jié)論

工程應用結(jié)果表明，按照5.5%的比例摻加聚氨酯膠黏劑，能較好裹覆集料，又能避免膠黏劑流淌浪費和混合料離析。嚴格按照設計要求拌制混合料，即先摻加集料和纖維持續(xù)干拌30 s，再按比例加入聚氨酯膠黏劑持續(xù)濕拌30 s，最后添加礦粉后拌和30 s，可以保證聚氨酯瑪蹄脂混合料性能質(zhì)量。工后鉆芯取樣結(jié)果顯示，該公路試驗段聚氨酯路面施工壓實度達到98%，路面平整度為1.1 mm，構(gòu)造深度1.35 mm，路面摩擦系數(shù)68 BPN，滲水系數(shù)185 mL/min，試驗結(jié)果完全滿足設計及規(guī)范要求，也表明聚氨酯瑪蹄脂碎石混合料具有較為優(yōu)異的路用性能，可在類似公路工程中推廣應用。

參考文獻

[1]李東毅， 梁民培， 黃小華. 機制砂瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13設計分析[J]. 西部交通科技， 2023（3）： 58-62.

[2]王紅祥， 陳波， 楊杰， 等. 瀝青瑪蹄脂碎石混合料壓實特性及相關高溫性能試驗研究[J]. 武漢理工大學學報（交通科學與工程版）， 2022（5）： 889-892.

[3]劉炳華， 金彥鑫， 陳望平， 等. 玄武巖纖維在重載SBS瀝青瑪蹄脂碎石混合料路面中的應用[J]. 公路， 2022（4）： 8-14.

[4]吳明明. 瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13）配合比設計優(yōu)化措施分析[J]. 運輸經(jīng)理世界， 2021（30）： 49-51.

[5]張倩， 呂榮培， 馬昭， 等. 聚氨酯瑪蹄脂混合料的設計及性能[J]. 長江科學院院報， 2022（2）： 147-152+158.

收稿日期：2023-10-13

作者簡介：熊亞平（1980—），男，本科，工程師，從事公路橋梁施工監(jiān)理工作。