聚氨酯改性瀝青的路用性能研究與應(yīng)用

薛 鵬

（山西交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

延長瀝青道路服役壽命，國內(nèi)外學(xué)者對瀝青結(jié)合料進(jìn)行了長久的探索和研發(fā)，其中聚合物類的改性瀝青得到較為廣泛的應(yīng)用[1]。不過，雖然聚合物改性劑能夠與瀝青較好地相容，均勻分散在瀝青中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高瀝青的高溫抗變形能力，但是聚合物改性瀝青的黏度較大，施工和易性較差，并且熱存儲穩(wěn)定性較差，這限制了其更大范圍的應(yīng)用[2]。

近年來[3-5]，能夠與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并較好改善瀝青的性能，有較好存儲穩(wěn)定性的聚氨酯得到關(guān)注，但研究仍然較少，較為分散。因此，本文擬采用不同聚氨酯摻量的改性瀝青對其各項性能進(jìn)行測試，并對其路用性能進(jìn)行綜合評價。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

采用90號基質(zhì)瀝青作為聚氨酯改性對象，其技術(shù)性能如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 聚氨酯改性劑

本文選用的聚氨酯改性劑，為褐色液體，其內(nèi)部活性基團(tuán)能夠與瀝青的部分官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的官能團(tuán)，故而改變?yōu)r青的性質(zhì)。

1.2 聚氨酯改性瀝青的制備方法

采用高速剪切機(jī)對聚氨酯改性瀝青進(jìn)行制備，制備過程改性瀝青不應(yīng)發(fā)生老化，保證瀝青受熱均勻，成品聚氨酯改性瀝青應(yīng)足夠均勻。制備過程如下：a）將基質(zhì)瀝青加熱至140℃，按比例加入一定量的聚氨酯改性劑，用玻璃棒均勻攪拌；b）將剪切機(jī)調(diào)整為3 000 r/min持續(xù)剪切90 min；c）將剪切完成的瀝青，放入烘箱中溶脹發(fā)育30 min。

1.3 聚氨酯改性瀝青試驗方案

本文選擇的聚氨酯摻量分別為0%、2%、3%、4%，對改性后瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)試驗，黏度試驗、熱存儲穩(wěn)定性試驗、DSR流變試驗，綜合以上評價瀝青的改性效果。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 基本指標(biāo)

在相同的試驗條件下對不同高黏劑摻量的改性瀝青進(jìn)行技術(shù)性能測試，其中瀝青針入度試驗溫度為25℃，荷重100 g，貫入時間5 s，軟化點(diǎn)試驗溫度誤差不超過 2℃，延度試驗溫度為 5℃，拉伸速度為5 cm/min±0.25 cm/min，通過測試聚氨酯改性瀝青的基本性能如圖1～圖3所示。

圖1 針入度

圖2 軟化點(diǎn)曲線

圖3 5℃延度

由圖1可知，隨著聚氨酯改性劑摻量的提高，瀝青25℃針入度逐漸下降，且變化幅度有明顯減緩趨勢。當(dāng)改性劑摻量從0%提高到2%時，瀝青針入度變化高達(dá)22.5（0.1 mm），這說明聚氨酯的添加可以降低瀝青的稠度，提升瀝青抗變形能力。當(dāng)聚氨酯摻量由3%增大到4%時，其針入度值只減小了4.3（0.1 mm），改性效果放緩。

通過圖2可以看到，聚氨酯對瀝青的軟化點(diǎn)有所提升，這說明聚氨酯可以提高瀝青的高溫性能，但在有限的改性劑摻量范圍內(nèi)提升幅度并不是很大。

由圖3可知，聚氨酯的添加使得瀝青的低溫延度有所減小，減小幅度由快變慢，當(dāng)摻量為4%時，瀝青5℃延度只有6.0 cm，相對于傳統(tǒng)的改性瀝青要低很多。

從基本性能來看，聚氨酯改性劑的添加能夠提高瀝青的高溫穩(wěn)定性能，且改性效果在前期表現(xiàn)更為明顯。

2.2 135℃的布氏旋轉(zhuǎn)黏度

為了保證改性后的瀝青能夠滿足施工和易性的需要，采用布洛克菲爾德黏度劑旋轉(zhuǎn)法測試瀝青在45℃以上的表觀黏度，以Pa·s計，根據(jù)試驗測定的聚氨酯改性瀝青在135℃的旋轉(zhuǎn)黏度結(jié)果如圖4所示。

圖4 135℃旋轉(zhuǎn)黏度

由圖4可以看到，聚氨酯摻量由0%提高到4%，改性后的瀝青黏度提高，但是最大值也只有0.983 Pa·s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的3 Pa·s，這說明聚氨酯改性瀝青有較好的和易性，能夠保證施工拌和、壓實(shí)的順利。

2.3 熱存儲穩(wěn)定性

相比較其他聚合物改性，聚氨酯不僅有物理改性，還有化學(xué)反應(yīng)，因此其熱存儲穩(wěn)定性應(yīng)是優(yōu)勢之一。采取軟化點(diǎn)差值衡量聚氨酯改性瀝青的熱存儲穩(wěn)定性，選取改性劑摻量中值3%的聚氨酯改性瀝青，試驗的加熱時間為4 h、8 h、16 h、24 h。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 聚氨酯改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

從軟化點(diǎn)差值來看，聚氨酯改性瀝青表現(xiàn)得并不穩(wěn)定，有一定波動，但整體趨勢明顯。在熱存儲的早期，瀝青的軟化點(diǎn)差值較大，隨著存儲時間越長，軟化點(diǎn)差值越小。分析其原因在于，聚氨酯與基質(zhì)瀝青在存儲早期仍然存在一定的反應(yīng)，這使得熱存儲一段時間后瀝青表現(xiàn)出的技術(shù)性能有些許差異。從數(shù)值來看4 h的存儲時間，軟化點(diǎn)差值只有0.56，滿足施工技術(shù)規(guī)范對于軟化點(diǎn)差值小于2.5℃的要求，說明聚氨酯與瀝青有較好的相容性，在瀝青的存儲、運(yùn)輸中不會發(fā)生聚合物離析，有較好的穩(wěn)定性。

2.3 動態(tài)剪切流變試驗（DSR）

瀝青作為一種復(fù)雜的黏彈性材料，其技術(shù)性能對溫度敏感性較高，往往隨著溫度的變化而表現(xiàn)出較大的改變，為了更好地了解荷載、溫度對聚氨酯改性瀝青的影響，本文采用動態(tài)剪切流變試驗（Dynamic Shear Rheological Test）準(zhǔn)確反應(yīng)瀝青的流變特性。試驗采用溫度掃描模式，測試不同溫度下的聚氨酯改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*、相位角δ。試樣直徑為25 mm，厚度為2 mm，應(yīng)變值γ設(shè)定為12%，頻率ω為10 rad/s，溫度區(qū)間設(shè)定為40℃～80℃，試驗結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 相位角曲線

圖6 復(fù)數(shù)模量曲線

相位角[6]反映材料中黏性和彈性的成分比例，相位角大，則材料中的黏性成分高。由圖5可知，隨著溫度的提高，基質(zhì)瀝青和聚氨酯改性瀝青的相位角都相應(yīng)提高，兩者呈線性增長關(guān)系，這是瀝青在高溫下，內(nèi)部分子間作用力下降，高分子鏈段的柔性提高，瀝青黏度增加。從聚氨酯的添加來看，摻量越大，其相位角越小，分析其原因在于聚氨酯中存在的成分與瀝青發(fā)生了物理或者化學(xué)反應(yīng)，使得瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到加固，高分子鏈段不斷生成，從而表現(xiàn)出更高的彈性。從不同聚氨酯摻量的相位角改性幅度來看，較為均勻平緩。

復(fù)數(shù)模量[7-8]可以表征瀝青抵抗重復(fù)剪切應(yīng)力變形的能力。由圖6可見，聚氨酯改性劑的添加使得瀝青的復(fù)數(shù)模量指標(biāo)提升巨大，瀝青的抗剪切能力提升明顯?？梢钥吹?，當(dāng)聚氨酯摻量為2%時，改性瀝青的復(fù)數(shù)模量相比基質(zhì)瀝青有了巨大提升，這說明聚氨酯的抗剪切變形能力改性效果較好，但從不同摻量的改性瀝青的復(fù)數(shù)模量大小來看，當(dāng)改性劑摻量從2%提高到4%，瀝青的復(fù)數(shù)模量提升幅度逐漸減小，這說明改性劑的改性效果逐漸減緩。隨著溫度的提高，瀝青的復(fù)數(shù)模量減小，多個溫度下瀝青復(fù)數(shù)模量均表現(xiàn)出較高的數(shù)值，這說明聚氨酯改性瀝青的抗高溫變形能力良好。

3 工程應(yīng)用

選用聚氨酯摻量為3%的改性瀝青混合料鋪筑試驗路段，試驗路段鋪設(shè)寬11.75 m，總長300 m，樁號為K10＋510—K10＋810。通過對該路段取樣，對路面高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性等指標(biāo)進(jìn)行了室內(nèi)試驗檢測，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 聚氨酯改性瀝青路面技術(shù)性能

結(jié)果顯示，聚氨酯改性瀝青混合料在施工運(yùn)輸中穩(wěn)定性高，各項指標(biāo)均滿足路面設(shè)計要求。工程應(yīng)用較為成功，不過聚氨酯改性瀝青路面的水穩(wěn)定性表現(xiàn)一般，基本滿足不小于80%的殘留穩(wěn)定度要求，建議可以添加抗剝落劑以提高瀝青混合料抗水損壞能力。

4 結(jié)語

a）選用90號基質(zhì)瀝青與聚氨酯改性劑，通過高速剪切制備聚氨酯改性瀝青，三大指標(biāo)表明聚氨酯改性瀝青高溫性能提高，但低溫延度下降。

b）從135℃的布氏旋轉(zhuǎn)黏度來看，2%～4%摻量的聚氨酯改性瀝青均小于規(guī)范要求的3 Pa·s，這說明聚氨酯改性瀝青有較好的和易性，能夠保證施工的拌和、壓實(shí)順利。

c）熱存儲穩(wěn)定性來看，改性的聚氨酯改性瀝青軟化點(diǎn)差值均滿足規(guī)范小于2.5℃的要求，這說明聚氨酯能與瀝青有較好的相容性，在瀝青的存儲、運(yùn)輸中不會發(fā)生聚合物離析，有較好的穩(wěn)定性。

d）DSR試驗表明，聚氨酯改性劑中多種成分與瀝青發(fā)生物理以及化學(xué)反應(yīng)，瀝青內(nèi)部形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，彈性成分提高，表現(xiàn)出相位角減小，復(fù)數(shù)模量明顯提升，瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗剪切變形能力得到提升。