聚氨酯瀝青及混合料性能研究

賈 敏

（晉中市公路建養(yǎng)服務(wù)中心，山西 晉中 030600）

0 引言

我國(guó)公路建設(shè)迅猛發(fā)展，瀝青路面憑借平整性高，行車舒適等優(yōu)點(diǎn)已成為我國(guó)高等級(jí)路面的主要形式。隨著車輛荷載的日益增加，高等級(jí)公路對(duì)瀝青路面的性能要求也在提升，尤其是高速公路。為保證瀝青路面的路用性能，高速公路常采用改性瀝青，常見的改性劑主要可以分為熱塑型和橡膠類。然而，近年來許多國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，無論是熱塑型改性劑還是橡膠類改性，其在對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性時(shí)多為物理改性，沒有從根本上提高瀝青性質(zhì)，同時(shí)還存在不同程度的離析現(xiàn)象[1-2]。聚氨酯是一種熱固性樹脂，具有耐磨、高韌和高耐久性的特點(diǎn)，同時(shí)其所含的多種官能團(tuán)可以與瀝青發(fā)生化學(xué)發(fā)應(yīng)，全面提高瀝青的使用性能，近年來受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。孫敏等[3]研究了聚氨酯改性瀝青的高溫流變特性，結(jié)果表明，聚氨酯瀝青的黏度高于普通SBS瀝青。夏磊等[4]研究了不同摻量聚氨酯改性瀝青的性能，發(fā)現(xiàn)聚氨酯的摻量并非越多越好，摻量過大時(shí)會(huì)降低瀝青的性能。目前關(guān)于聚氨酯瀝青的研究多集中在單一因素變量上，如摻量等，而針對(duì)瀝青改性過程中的其他影響因素研究較少，同時(shí)有關(guān)不同聚氨酯類型改性劑的研究更是少見報(bào)道。為此本文采用正交方法研究了不同因素和水平下聚氨酯改性瀝青的性能，以促進(jìn)聚氨酯改性瀝青在道路工程領(lǐng)域的發(fā)展。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 聚氨酯預(yù)聚體

本文的聚氨酯預(yù)聚體類型分為3種，一種是聚醚型聚氨酯預(yù)聚體，簡(jiǎn)稱JM型。另一種是聚酯型聚氨酯預(yù)聚體，簡(jiǎn)稱JZ型。最后一種是PTMEG型聚氨酯，簡(jiǎn)稱PT型。3種聚氨酯預(yù)聚體的基本性能如表1所示。

表1 3種聚氨酯預(yù)聚體基本性能指標(biāo)

1.1.2 瀝青

本文的基質(zhì)瀝青選用70號(hào)基質(zhì)瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）[5]的技術(shù)要求。

表2 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 聚氨酯瀝青的制備

首先將基質(zhì)瀝青加熱到流動(dòng)狀態(tài)，加入乙二胺擴(kuò)鏈劑，采用高速剪切機(jī)進(jìn)行攪拌，剪切時(shí)間為30 min，以保證擴(kuò)鏈劑在基質(zhì)瀝青中的相同性。之后，將3種不同摻量（10%、15%、20%）的聚氨酯預(yù)聚體加熱至90℃，放入基質(zhì)瀝青中，在不同剪切溫度下以恒定速率（1 200 rmp）剪切30 min，最終制備得到聚氨酯改性瀝青。

1.2.2 聚氨酯瀝青基本性能指標(biāo)分析

對(duì)不同工藝制備得到的各組聚氨酯瀝青進(jìn)行基本性能指標(biāo)測(cè)試，包括針入度、軟化點(diǎn)和延度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定基質(zhì)瀝青的適宜聚氨酯預(yù)聚體類型和最佳制備工藝，為進(jìn)一步研究做準(zhǔn)備。

1.2.3 聚氨酯瀝青混合料性能研究

根據(jù)上文的研究結(jié)果，以最佳制備工藝成型的聚氨酯瀝青混合料并進(jìn)行路用性能分析，包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性，各項(xiàng)試驗(yàn)均嚴(yán)格按照《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）[6]要求進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 聚氨酯改性瀝青基本性能分析

本文旨在研究不同聚氨酯預(yù)聚體在不同影響因素下對(duì)基質(zhì)瀝青的改性效果，因此首先進(jìn)行了L9（33）三因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。其中3種因素分別為預(yù)聚體類型、預(yù)聚體摻量和剪切溫度。預(yù)聚體類型三水平分別為JM、JZ和PT型，摻量三水平設(shè)置為10%、15%和20%，剪切溫度三水平選擇100℃，125℃和150℃。正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的具體方案如表3所示。

表3 聚氨酯改性瀝青正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按表3的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行聚氨酯改性瀝青的制備。對(duì)制備后得到的聚氨酯改性瀝青進(jìn)行基本性能指標(biāo)測(cè)試，包括針入度、軟化點(diǎn)、延度以及彈性恢復(fù)?；拘阅茉囼?yàn)的具體結(jié)果見圖1所示。

圖1 聚氨酯改性瀝青針入度

針入度表征了瀝青的稠度和硬度，同時(shí)可以反映瀝青抵抗剪切破壞的能力，是重要的感溫性能指標(biāo)之一。由圖1可以看出，加入聚氨酯預(yù)聚體后，基質(zhì)瀝青的針入度明顯下降，這表明聚氨酯使得基質(zhì)瀝青變硬?；|(zhì)瀝青的針入度在65 mm左右，而加入聚氨酯后，不同水平下的改性瀝青的針入度降低到了35～55 mm之間，瀝青的抵抗剪切破壞能力明顯提升。不同影響因素對(duì)聚氨酯改性瀝青的效果也有明顯區(qū)別。首先，聚氨酯類型方面，JZ型聚氨酯和JM型聚氨酯改性后基質(zhì)瀝青的針入度基本相等，保持在46 mm左右，而PT型聚氨酯可以達(dá)到40 mm。

相比于聚氨酯類型，摻量對(duì)改性效果的影響更明顯。當(dāng)摻量在10%～15%時(shí)，聚氨酯的摻量越多，基質(zhì)瀝青的針入度也相應(yīng)地越低。但繼續(xù)提高聚氨酯用量時(shí)發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青的針入度并沒有進(jìn)一步降低。最后，剪切溫度對(duì)聚氨酯改性瀝青的針入度也有較大影響。剪切溫度越高，聚氨酯預(yù)聚體和基質(zhì)瀝青的相容性越好，出現(xiàn)離析的現(xiàn)象也就越少，因此改性后瀝青的整體性能也就更優(yōu)。

圖2 聚氨酯改性瀝青軟化點(diǎn)

同時(shí)，研究認(rèn)為，聚氨酯改性瀝青的儲(chǔ)存模量和損耗模量隨溫度的變化較平緩，而基質(zhì)瀝青則較敏感，這也使得聚氨酯改性瀝青的溫度穩(wěn)定性優(yōu)于基質(zhì)瀝青，如圖3所示。

軟化點(diǎn)是指瀝青由彈性體開始轉(zhuǎn)化為塑性體時(shí)的溫度，也即瀝青由固態(tài)開始向流動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度，可以反映瀝青的高溫性能。由圖2的結(jié)果可以看出，基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)受聚氨酯類型的影響要大于針入度。PT改性后瀝青的軟化點(diǎn)可以達(dá)到110℃，顯著大于其他兩種聚氨酯。同時(shí)，摻量對(duì)軟化點(diǎn)也有很高的關(guān)聯(lián)性，聚氨酯的摻量越高，基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)也越高。摻10%～20%的聚氨酯后，基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)由51℃增加到了84℃～110℃，提升幅度非常顯著。

圖3 瀝青模量測(cè)試結(jié)果

最后，對(duì)聚氨酯改性瀝青的延度進(jìn)行了研究，溫度為5℃，以明確聚氨酯對(duì)瀝青低溫性能的影響，如圖4所示。與針入度和軟化點(diǎn)不同，聚氨酯對(duì)瀝青的延度改性效果較差。不同水平下的延度試驗(yàn)表明，聚氨酯類型和剪切溫度對(duì)延度的影響較低，和基質(zhì)瀝青的結(jié)果差別較小。而摻量甚至對(duì)基質(zhì)瀝青的延度有消極影響，當(dāng)摻量超過10%時(shí)，基質(zhì)瀝青的延度開始出現(xiàn)了降低。因此，從保證瀝青低溫性能的角度考慮，聚氨酯的摻量不宜過高。

圖4 聚氨酯改性瀝青延度試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，綜合3種指標(biāo)下的研究結(jié)果可以看出，最佳的聚氨酯改性工藝是以PT型聚氨酯作為改性劑，以15%的摻量在150℃下剪切成型聚氨酯改性瀝青。

2.2 聚氨酯改性瀝青混合料性能研究

我國(guó)的高等級(jí)路面常采用瀝青瑪蹄脂碎石級(jí)配（SMA）的瀝青混合料，而SMA級(jí)配瀝青混合料對(duì)瀝青的黏附性有較高要求，常使用改性瀝青。由上文的研究結(jié)果可以看出，聚氨酯對(duì)瀝青的性能具有良好改善效果。因?yàn)楸竟?jié)采用最佳工藝下成型的聚氨酯改性瀝青制備SMA級(jí)配的瀝青混合料，其中SMA的級(jí)配如表4所示。

表4 SMA-13級(jí)配各篩孔通過率

按SMA標(biāo)準(zhǔn)配合比流程進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，馬歇爾試驗(yàn)的研究結(jié)果顯示，最佳油石比為6.2%。以最佳油石比成型瀝青混合料，并進(jìn)行相關(guān)路用性能試驗(yàn)，包括：高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性能。研究結(jié)果如表5所示。

表5 聚氨酯瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

由表5可以看出，按最佳工藝制備的聚氨酯改性瀝青成型的瀝青混合料，其各項(xiàng)路用性能較基質(zhì)瀝青混合料均有明顯提升。聚氨酯瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到了4 327次/mm，遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青的916次/mm，甚至也高于SBS改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，高溫性能非常優(yōu)越。

此外，瀝青混合料的水穩(wěn)定性方面，聚氨酯瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比為91%，基質(zhì)瀝青混合料為82%，SBS瀝青混合料為88%。聚氨酯對(duì)瀝青的水穩(wěn)定性也具有良好的提升效果。分析認(rèn)為，聚氨酯提高了瀝青的黏結(jié)力，使得集料和瀝青間的黏結(jié)作用得到了增強(qiáng)，從而提高了混合料的抵抗水損壞能力。最后低溫方面，聚氨酯對(duì)瀝青混合料的提升效果要小于高溫性能和水穩(wěn)定性。聚氨酯瀝青混合料的彎拉應(yīng)變?yōu)? 615 με，雖然仍高于基質(zhì)瀝青混合料的2 103 με，但小于SBS瀝青混合料。因此，在低溫性能方面，聚氨酯對(duì)瀝青混合料的改性效果要劣于SBS改性劑。

分析認(rèn)為，聚氨酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度通常在11℃左右，當(dāng)溫度低于11℃時(shí)，聚氨酯的柔韌性降低，從而更易產(chǎn)生開裂，此時(shí)聚氨酯的性能特征在一定程度上影響了瀝青的性能，因此可以認(rèn)為，聚氨酯較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是導(dǎo)致改性后瀝青低溫性能較差的原因之一。

3 結(jié)論

本文研究了不同影響因素和水平下聚氨酯改性瀝青及瀝青混合料的使用性能，主要結(jié)論如下：

a）PT型聚氨酯對(duì)瀝青的抵抗剪切破壞能力提升最高，其針入度最低，而JZ型聚氨酯和JM型聚氨酯改性后基質(zhì)瀝青的針入度低于PT型，且兩者基本相等。聚氨酯對(duì)瀝青的延度改性效果較差，和基質(zhì)瀝青的結(jié)果差別較小。

b）聚氨酯摻量對(duì)瀝青改性效果的影響要大于聚氨酯類型和剪切溫度。當(dāng)聚氨酯摻量在10%～15%時(shí)，基質(zhì)瀝青的性能與摻量成正比。而進(jìn)一步提高摻量并不會(huì)繼續(xù)提高瀝青的性能，因此建議聚氨酯用量不高于15%。

c）聚氨酯對(duì)瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性具有顯著提升效果，其路用性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料和SBS瀝青混合料，而對(duì)低溫性能改變較小，有待進(jìn)一步研究。

d）建議聚氨酯的最佳改性工藝是以PT型聚氨酯作為改性劑，以15%的摻量在150℃下剪切成型聚氨酯改性瀝青。

e）聚氨酯的儲(chǔ)存模量和損耗模量隨溫度的變化較平緩，從而保證了改性后瀝青的溫度穩(wěn)定性。而較低的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度則導(dǎo)致了改性后瀝青的低溫性能較差。