聚氨酯改性瀝青混合料路用性能研究

曾保國

(衡陽公路橋梁建設有限公司， 湖南 衡陽 421001)

聚氨酯改性瀝青混合料路用性能研究

曾保國

(衡陽公路橋梁建設有限公司， 湖南 衡陽 421001)

介紹了聚氨酯改性瀝青混合料的試驗原材料及混合料配合比，利用車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗對聚氨酯改性瀝青混合料的高低溫性能及水穩(wěn)定性進行了測試，并將測試結(jié)果與基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料作比較。試驗結(jié)果表明，聚氨酯可以有效改善混合料的高低溫性能，但水穩(wěn)特性偏低，有待進一步研究。

聚氨酯； 改性瀝青混合料； 路用性能

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2016年12月，我國公路建設完成投資15893億元，同比增長6.5%。瀝青路面在這些新建公路中的所占比例越來越大，但是我國瀝青路面的路用性能不佳，路面的使用壽命有待提高，路面建設投資大，建設過程中資源利用不合理，環(huán)境污染嚴重等問題是我國建設瀝青路面急需解決的問題[1]。開發(fā)出一種新型的改性瀝青并深入探討其路用方面的性能是研究學者面臨的重大課題。本文將聚氨酯材料加入到瀝青中制備聚氨酯改性瀝青，以期可以獲得良好的路用性能和使用價值。

1 原材料及配合比

1.1 試驗原材料

1.1.1 瀝青

采用東莞泰和瀝青有限公司生產(chǎn)的埃索70#A級基質(zhì)瀝青和70#SBS — I — D改性瀝青。其各項技術指標都滿足施工規(guī)范要求，測試結(jié)果見表1和表2。

表1 70#A級基質(zhì)瀝青類別針入度(25℃,5s,100g)/(0.1mm)軟化點/℃15℃延度/cm60℃動力粘度/(Pa·s)25℃相對密度TFOT后質(zhì)量變化/%殘留針入度比(25℃,5s,100g)/%殘留延度(10℃,5cm/min)/cm試驗結(jié)果6648.1>1002311.0450.1063.87.2規(guī)范要求60～80≥47≥100≥180實測±0.8≥63≥6

表2 70#SBS—I—D改性瀝青試驗結(jié)果類別針入度(25℃,5s,100g)/(0.1mm)針入度指數(shù)PI軟化點/℃5℃延度/cm135℃運動粘度/(Pa·s)貯存穩(wěn)定性離析,48h軟化點差/℃25℃彈性恢復/%25℃相對密度TFOT后質(zhì)量變化/%殘留針入度比(25℃,5s,100g)/%殘留延度(5℃,5cm/min)/cm試驗結(jié)果51.80.4782.825.62.72.1951.024-0.278.523.6規(guī)范要求30～60≥0≥60≥20≤3≤2.5≥75實測±1.0≥65≥15

1.1.2 聚氨酯

試驗選用河北某化學材料公司生產(chǎn)的聚氨酯材料，外觀灰白色，密度約為1.1 g/cm3。聚氨酯是分子結(jié)構(gòu)主鏈中具有-NH-COO-基團的一種聚合物。它是由異氰酸酯和羥基類化合物聚合而成，分子組成中含有較強極性的-NH-COO-基團，極難溶于非極性化合物。這種材料與瀝青接觸時會產(chǎn)生固化反應，固化的速率是與其所處環(huán)境和溫度有很大關系的，一定范圍內(nèi)隨著溫度的升高而加快，其固化時間也相應的縮短[2]。

1.1.3 礦料

在瀝青混合料性能研究時，其礦料組成主要包括石灰?guī)r和玄武巖，粗級配使用玄武巖，細級配使用石灰?guī)r，礦粉選擇用石灰?guī)r礦粉。同時按照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42 — 2005)要求，對礦料的各項指標進行測試，其試驗結(jié)果如表3～表5所示。

表3 玄武巖粗集料試驗結(jié)果類別壓碎值/%洛杉磯磨耗損失/%堅固性/%針片狀顆粒含量/%軟石含量/%與改性瀝青的粘附性/級試驗值16.115.84.75.61.95技術要求 ≤26(T0316)≤28(T0317)≤12(T0314)≤12(T0312)≤3(T0320)≥5(T0616) 注:括號內(nèi)為試驗方法。

表4 石灰?guī)r細集料試驗結(jié)果類別表觀相對密度堅固性/%含泥量(<0.075mm)/%砂當量/%實測值2.698380.873.4技術要求 ≥2.5(T0328)≥12(T0340)≤3(T0333)≥60(T0334) 注:括號內(nèi)為試驗方法。

表5 石灰?guī)r礦粉試驗結(jié)果類別表觀相對密度含水量/%外觀親水系數(shù)實測值2.7280.5無結(jié)團0.5技術要求 ≥2.5(T0352)≤1(T0103烘干法)無結(jié)團 <1(T0353) 注:括號內(nèi)為試驗方法。

1.2 混合料配合比設計

本試驗研究選用AC — 13礦料級配，通過馬歇爾試驗得出的體積參數(shù)進一步優(yōu)化礦料級配，且滿足規(guī)范要求的瀝青混合料級配范圍。具體礦料級配見圖1所示。

圖1 礦料級配

針對上述級配，根據(jù)已有的實驗數(shù)據(jù)，估算油石比，在預估油石比的基礎上，按照0.3%的差值取值，定5個試驗油石比：4.5%、4.8%、5.1%、5.4%、5.7%，進行馬氏試驗。分別測試出混合料試件的體積參數(shù)指標，最終確定出最佳油石比為5.17%。

2 瀝青混合料性能評價

2.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青路面的高溫穩(wěn)定性是一項十分重要的指標。目前用來預估瀝青路面高溫指標的方法中車轍試驗，主要使用車轍試驗儀使試件在車輪荷載重復作用下產(chǎn)生推移、流動剪切變形，其目的是模擬在夏季高溫條件下，測定路面在車輛荷載下，混合料抵抗永久變形的能力，以動穩(wěn)定度指標來評價其高溫性能[3]。車轍試驗結(jié)果見表6所示。

表6 車轍試驗結(jié)果混合料類型形變差/mm動穩(wěn)定度DS/(次·mm-1)基質(zhì)瀝青0.225280030%聚氨酯0.073863050%聚氨酯0.05810862SBS0.1753600

表6可知: 試驗改性瀝青試樣的動穩(wěn)定度均大于3000次/mm，滿足規(guī)范要求。且其從大到小的排列順序為：50%聚氨酯>30%聚氨酯>SBS改性瀝青>基質(zhì)瀝青，說明聚氨酯的加入明顯提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。另外通過比較摻聚氨酯的混合料和SBS改性瀝青及基質(zhì)瀝青的形變差可以看出，4種混合料的相對變形量相差也較大，由此可以看出聚氨酯改性瀝青更容易達到設計的壓實度，且其高溫抗車轍性能要明顯優(yōu)于SBS及基質(zhì)瀝青。

2.2 低溫性能

瀝青混合料通常具有熱粘彈性，當溫度較高，且降溫速率較慢時，瀝青混合料內(nèi)部的溫縮應力會因為應力松弛而自動變小，不影響路面的使用質(zhì)量。但在氣溫較低，溫度下降速度快的環(huán)境中，瀝青路面表現(xiàn)出彈性材料的特性，溫縮應力不能通過應力松弛而消失，從而使溫縮應力不斷集聚，路面最終出現(xiàn)溫縮斷裂[4]。目前用于瀝青混合料低溫抗裂性能評價的主要實驗方法包括劈裂試驗、低溫彎曲試驗、受限試件溫度應力測試、應力松弛測試等。本文通過小梁彎曲試驗來檢驗混合料的低溫特性，試驗結(jié)果見表7所示。

表7 低溫彎曲試驗結(jié)果類型撓度/mm彎曲極限應變/10-6破壞彎拉強度/MPa彎曲勁度模量/MPa基質(zhì)瀝青0.632485.88.013221.830%聚氨酯0.562947.56.722279.350%聚氨酯0.823972.67.141796.4SBS0.503025.98.872930.7

表7可知: 通過分析可以發(fā)現(xiàn)在4種不同的瀝青混合料中，50%聚氨酯試件斷裂時應變最大，30%聚氨酯瀝青斷裂應變僅次于SBS兩者差別不大，在同一溫度下，破壞應變越大，低溫性能越好。由此可知，聚氨酯的低溫性能要優(yōu)于SBS瀝青和基質(zhì)瀝青，聚氨酯的使用有助于低溫性能的改善。另外4種混合料的勁度模量從大到小依次為：基質(zhì)瀝青>SBS改性瀝青>30%聚氨酯>50%聚氨酯，進一步說明了，聚氨酯改性瀝青相比SBS瀝青溫和基質(zhì)瀝青具有更好的低溫柔韌性。

2.3 水穩(wěn)定性

水損害的破壞機理為：在道路積水或者冰凍循環(huán)時，車輛的反復行駛，使得混合料縫隙中的積水形成動水壓或負壓抽吸作用，積水在動水壓的作用下對集料和瀝青的接觸面產(chǎn)生切削和沖刷作用，瀝青的粘附性因此而降低，礦料和黏結(jié)料脫離，最終使路面因掉粒、松散等形成坑槽等病害[5]。在評價混合料的抗水損能力時，需要考慮兩方面因素，一方面測試瀝青和石料的黏結(jié)能力，采用水煮法、水浸法等試驗方法；另一方面測試混合料的承受水損強度，通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗[6]。本次選用凍融劈裂和浸水馬歇爾法，評價瀝青混合料的抵抗水損能力。其試驗結(jié)果見表8所示。

表8 凍融劈裂試驗結(jié)果混合料類型最大荷載/kN劈裂強度/MPa凍融前凍融后凍融前凍融后強度TSR/%基質(zhì)瀝青9.697.800.910.7683.530%聚氨酯8.654.100.760.4255.350%聚氨酯9.175.240.870.5967.7SBS8.757.691.100.9485.50

表8可知: 從4種混合料的凍融劈裂強度比中可看出基質(zhì)瀝青和SBS都滿足要求，但摻了聚氨酯的混合料強度比卻達不到規(guī)范要求。SBS瀝青其凍融劈裂強度比高于聚氨酯，由此可以看出聚氨酯瀝青具有不良的水穩(wěn)定性，聚氨酯的加入，并未能提升瀝青的水穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1) 通過車轍試驗結(jié)果可知，從4種混合料的動穩(wěn)定度大小關系上說明聚氨酯的加入明顯提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。此外從形變量上可以看出聚氨酯改性瀝青更容易達到設計的壓實度，且其高溫抗車轍性能要明顯優(yōu)于SBS及基質(zhì)瀝青。

2) 通過低溫小梁彎曲試驗結(jié)果可以看出，聚氨酯的摻量越高其混合料破壞應變就越大，摻加30%聚氨酯的破壞應變與SBS相差不大，在一定范圍內(nèi)，聚氨酯的低溫性能要優(yōu)于SBS瀝青和基質(zhì)瀝青，聚氨酯的摻加有助于低溫性能的改善。且4種混合料的勁度模量大小關系也進一步說明了聚氨酯改性瀝青相比SBS瀝青溫和基質(zhì)瀝青具有更好的低溫抗裂性。

3) 通過凍融劈裂試驗結(jié)果可以看出，聚氨酯改性瀝青混合料的強度比滿足不了規(guī)范要求，SBS與基質(zhì)瀝青的凍融劈裂強度比遠高于聚氨酯。聚氨酯瀝青具有不良的水穩(wěn)定性，聚氨酯的加入，并未能提升瀝青的水穩(wěn)定性。聚氨酯改性瀝青混合料的低溫性能還有待進一步的研究。

[1] 姚凱. 瀝青路面研究與應用綠色技術進展[J]. 城市道橋與防洪,2016(4):25-28，6-7.

[2] 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(1):48-53.

[3] 夏磊,張海燕,曹東偉,等.蓖麻油基聚氨酯改性瀝青的性能研究[J]. 公路交通科技,2016(10):13-18.

[4] 魏冬. 硫磺改性瀝青混合料高溫性能研究[J]. 四川水泥,2016(9):297.

[5] 舒睿. 聚氨酯改性瀝青及其混合料的性能研究[D].北京：北京建筑大學,2016.

[6] 舒睿,張海燕,曹東偉，等.聚氨酯改性瀝青混合料性能研究[J]. 公路交通科技(應用技術版),2015(12):142-144，161.

2016-07- 21

曾保國( 1977-) ，男，工程師，主要從事高速公路建設管理。

1008-844X(2017)01-0070-03

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