聚氨酯改性瀝青及其混合料的性能研究

曾永亮

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

聚氨酯樹脂是一種熱固性樹脂，具有柔韌性好、耐候性好的特點(diǎn)，在涂料中常常用作改性劑制備瀝青基防腐涂料[1]。聚氨酯樹脂與瀝青有較好的相容性，熱存儲(chǔ)穩(wěn)定性好，較之SBS改性瀝青，其與瀝青內(nèi)基團(tuán)發(fā)生化學(xué)接枝和交聯(lián)，而非物理共混，長(zhǎng)期存放不會(huì)出現(xiàn)離析等問題[2]。劉穎[3-4]研究了聚氨酯改性瀝青及其膠結(jié)料的反應(yīng)機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，聚氨酯改性瀝青具有優(yōu)異的貯存穩(wěn)定性，證實(shí)了聚氨酯化學(xué)改性的效果。聚氨酯改性瀝青的性能對(duì)聚氨酯的種類和用量有較大影響。本文選擇聚醚型聚氨酯對(duì)瀝青進(jìn)行改性研究，考察聚氨酯在不同摻量下對(duì)改性瀝青及其混合料性能的影響。

1 試驗(yàn)用原材料

1.1 聚氨酯預(yù)聚體

聚氨酯是分子中含有（-NH-COO-）基團(tuán)的聚合物，一般需要采用聚氨酯預(yù)聚體和擴(kuò)鏈劑反應(yīng)得到。試驗(yàn)中采用的是聚醚型預(yù)聚體，該種類型預(yù)聚體黏度小，流動(dòng)性好，反應(yīng)速度易控制，成本較低，其性能見表1。

表1 聚氨酯預(yù)聚體的性能參數(shù)和物理性能

1.2 擴(kuò)鏈劑

選用對(duì)二鄰氯苯胺甲烷（MOCA）作擴(kuò)鏈劑，MOCA分子式為C12H12N2Cl2。MOCA儲(chǔ)存穩(wěn)定性好，可降低聚氨酯的合成反應(yīng)速度。

1.3 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青選用70號(hào)石油瀝青，改性瀝青為SBS改性瀝青，基質(zhì)瀝青三大指標(biāo)見表2。

表2 瀝青的性能指標(biāo)

2 聚氨酯改性瀝青的制備方法

加熱基質(zhì)瀝青至130℃，將瀝青倒入高速分散釜內(nèi)，在1 500 r/min的轉(zhuǎn)速下分散5～10 min，在5 min之內(nèi)少量多次的加入相容劑，加入擴(kuò)鏈劑MOCA，繼續(xù)分散10 min。預(yù)熱聚氨酯預(yù)聚體，在保證溫度和轉(zhuǎn)速不變的環(huán)境下緩慢加入預(yù)聚體，防止爆聚[5]。預(yù)聚體完全加入后繼續(xù)反應(yīng)20 min，得到聚氨酯改性瀝青。

3 改性劑對(duì)瀝青性能的影響

在聚氨酯改性瀝青的制備中，分別加入不同劑量的聚氨酯預(yù)聚體，按照改性瀝青的制備方法，制得改性劑含量1%、3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%的聚氨酯改性瀝青。對(duì)不同聚氨酯含量的改性瀝青進(jìn)行針入度、延度、軟化點(diǎn)的性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖 2、圖 3。

圖1 改性瀝青的針入度變化

圖2 改性瀝青的延度變化

圖3 改性瀝青的軟化點(diǎn)變化

從圖1中可以看出，針入度隨聚氨酯摻量增多呈線性下降趨勢(shì)，聚氨酯為熱固性樹脂，少量的聚氨酯即顯著提高改性瀝青的針入度。圖2中聚氨酯摻量對(duì)改性瀝青的延度影響最為顯著，在聚氨酯摻量為7%之前延度有所提高，改性瀝青的10℃延度由23 cm提高到32 cm，聚氨酯摻量繼續(xù)提高時(shí)，改性瀝青的延度大幅增長(zhǎng)，當(dāng)聚氨酯改性劑摻量為11%時(shí)延度達(dá)到56 cm，聚氨酯繼續(xù)增加，改性瀝青的延度增長(zhǎng)無(wú)明顯變化。從圖3看出，在聚氨酯摻量為7%之前，軟化點(diǎn)上升較快，聚氨酯摻量為11%時(shí)，軟化點(diǎn)達(dá)到最大值54℃，伴隨著聚氨酯摻量持續(xù)增加，軟化點(diǎn)在達(dá)到最大值后出現(xiàn)小幅下降的趨勢(shì)，軟化點(diǎn)在聚氨酯加入初期大幅提升的原因主要是聚氨酯和瀝青的某些組分發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。

綜合改性瀝青三大指標(biāo)的變化規(guī)律，聚氨酯改性劑摻量選為11%。圖4是聚氨酯摻量為11%時(shí)改性瀝青的室內(nèi)延度試驗(yàn)照片。

圖4 瀝青延度試驗(yàn)照片

4 級(jí)配和油石比

按照AC-13混合料級(jí)配要求進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，所用集料為石灰?guī)r，集料性能滿足規(guī)范要求。選用0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～16 mm 四檔料，合成級(jí)配見圖5。

圖5 合成級(jí)配曲線

對(duì)不同油石比（4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%）的混合料進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，分別測(cè)定混合料試件空隙率、穩(wěn)定度等關(guān)鍵指標(biāo)，結(jié)果見表3。通過表3確定OAC1為5.7%，OAC2為5.6%，最終確定最佳油石比OAC為5.7%。

采用以上油石比確定方法對(duì)基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，最終得出基質(zhì)瀝青的最佳油石比為4.6%，SBS改性瀝青的最佳油石比為5.1%，SBS改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)見表3。

表3 馬歇爾試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果

5 改性劑對(duì)混合料路用性能的影響

確定好聚氨酯改性瀝青的摻量后，對(duì)聚氨酯改性瀝青和基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青的混合料路用性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，研究聚氨酯改性瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性。

5.1 高溫穩(wěn)定性

采用高溫車轍試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試3種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，每組試件制備3個(gè)，數(shù)據(jù)滿足離散性關(guān)系后取平均值，平均值試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可以看出，基質(zhì)瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度為1 832次/mm，SBS改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度為3 678次/mm，聚氨酯改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度為3 459次/mm。聚氨酯改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度較SBS改性瀝青動(dòng)穩(wěn)定度偏低，數(shù)值上為SBS改性瀝青的94%。但較基質(zhì)瀝青，動(dòng)穩(wěn)定度提升約1.9倍，聚氨酯改性瀝青混合料仍具有不錯(cuò)的高溫穩(wěn)定性，滿足改性瀝青規(guī)范要求的動(dòng)穩(wěn)定度2 800次/mm。

表4 高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果

5.2 低溫抗裂性

對(duì)3種瀝青混合料進(jìn)行成型、切割得到標(biāo)準(zhǔn)試件，按照標(biāo)準(zhǔn)小梁彎曲試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試，加載速度控制在50 mm/min，小梁試件的平均值試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表5中看出，聚氨酯改性瀝青的最大彎拉破壞應(yīng)變是基質(zhì)瀝青的1.65倍，是SBS改性瀝青的1.14倍。在低溫下聚氨酯改性瀝青較SBS改性瀝青具有更高的抗彎拉性能，在承受相同彎拉強(qiáng)度下具有更大的彎拉應(yīng)變。聚氨酯本身就有很好的柔韌性，聚氨酯鏈段與瀝青結(jié)合后提高了瀝青低溫柔韌性，相較SBS改性瀝青，聚氨酯改性瀝青的低溫性能更好。

5.3 水穩(wěn)定性

對(duì)3種瀝青混合料分別進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，測(cè)定混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比來評(píng)價(jià)3種混合料的抗水損能力，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果 %

聚氨酯改性瀝青的殘留穩(wěn)定度為89.7%，凍融殘留強(qiáng)度比為87.1%。與SBS改性瀝青相比，兩個(gè)數(shù)據(jù)均有所提高，反應(yīng)出較好的水穩(wěn)定性。聚氨酯改性瀝青試件經(jīng)60℃水浸泡后試件穩(wěn)定度下降有限，殘留穩(wěn)定度和殘留強(qiáng)度比都滿足規(guī)范的要求。聚氨酯改性瀝青試件水穩(wěn)定性好的原因主要是由于聚氨酯自身耐水性好[6]，與瀝青完全相容后形成的聚氨酯改性瀝青與石料黏附性更強(qiáng)。

6 結(jié)語(yǔ)

借助不同摻量聚氨酯改性瀝青的三大指標(biāo)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在聚氨酯摻量為11%時(shí)綜合性能最好。以此摻量進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，在最佳油石比下，對(duì)比3種瀝青混合料的路用性能，聚氨酯改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度滿足改性瀝青的要求；與SBS改性瀝青相比，其柔韌性更好，低溫抗彎應(yīng)變更高；由于聚氨酯改性瀝青與石料的黏附效果更好，殘留穩(wěn)定度和凍融殘留強(qiáng)度比均達(dá)到87%以上，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐水性能。