聚氨酯改性瀝青路面修復材料的修復效果試驗研究

作者簡介：莫 皓（1988—），工程師，主要從事國省干線公路養(yǎng)護及養(yǎng)護工程管理工作。

摘要：文章以瀝青面層裂縫為主要對象，將聚氨酯按照不同質量組分摻入環(huán)氧基修復材料中，制備聚氨酯改性瀝青路面修復材料，并在確定聚氨酯合理摻量范圍的基礎上將改性修復材料應用于瀝青面層修復，通過測試低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗彎拉強度，為今后新型路面修復材料的研發(fā)和應用提供參考。結果表明：隨著聚氨酯摻量的增加，改性修復材料的壓縮強度逐漸減小，拉伸強度和抗老化能力呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢；修復后瀝青試件的劈裂抗拉強度呈現(xiàn)先升高后穩(wěn)定的趨勢，馬歇爾穩(wěn)定度在＞30%摻量后改善效果明顯，殘留穩(wěn)定度在摻量為25%、30%、35%、40%時滿足要求；彎拉強度值在40%摻量時達到最大值。

關鍵詞：聚氨酯；修復材料；修復效果；瀝青路面

中圖分類號：U416.217

0 引言

《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》（簡稱“十四五”規(guī)劃）對“加快建設交通強國”提出了新要求和新方法^［1］。近年來，公路運輸體系的不斷完善成為我國經濟跨越式發(fā)展的重要支撐，瀝青混凝土路面是我國高等級公路中普遍采用的形式，其占比超過90%。隨著我國國省干線運營壓力的不斷增加，瀝青混凝土路面裂縫等病害逐漸成為影響公路運輸質量的重要原因之一。為解決瀝青路面病害問題，行業(yè)內主要以瀝青材料、化學填縫材料和瀝青自修復材料這三類材料進行修復工作，其核心是通過材料的創(chuàng)新提高修復效果。聚氨酯具備良好的耐久性和穩(wěn)定性，這使其可用于填縫材料修復瀝青路面。近年來學者們針對聚氨酯在瀝青路面修復領域的研究取得一定成果：Kazemi Mohammadjavad等^［2］針對瀝青修復機理，采用聚氨酯改善自修復能力，通過研究確定溫度、時間是影響愈合能力的重要影響因素，為瀝青愈合能力的提升提供突破方向；伍杰等^［3］采用無溶劑雙組份聚氨酯制備一種新型發(fā)泡型 Pucs裂縫修補材料，其材料較常規(guī)材料相比，在修復效果、修復時間和環(huán)保效益方面有突出成效；李廣通^［4］將改性聚氨酯應用于高速公路路面修復工作，在分析改性聚氨酯性能的基礎上，通過工程應用實例，歸納總結材料、施工和管理中注意的問題和事項，從應用角度挖掘該類別材料的推廣價值，為后續(xù)大規(guī)模應用奠定了基礎。

雖然學者們已有一定研究，但由于我國幅員遼闊，鋪筑公路的道路材料性能參數(shù)參差不齊、公路病害情況各有差異，急需開發(fā)一種兼具耐久性和修復效果，且具備普適性的瀝青公路修復材料。因此，本文中結合國省干道養(yǎng)護的實踐經驗，對瀝青路面病害問題進行研究。以瀝青面層裂縫為主要對象，將具備良好耐久性和穩(wěn)定性的聚氨酯按照不同質量組分摻入環(huán)氧基修復材料中，制備聚氨酯改性瀝青路面修復材料，在確保修復材料自身性能達標的情況下，按瀝青面層力學性能要求測試聚氨酯改性修復材料修復后的瀝青面層試件，通過低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗彎拉強度試驗，試圖從室內試驗角度驗證聚氨酯改性瀝青路面修復材料對瀝青面層的修復效果，為今后新型路面修復材料的研發(fā)和應用提供參考。

1 試驗

1.1 試驗原材料

本文針對瀝青路面中瀝青面層裂縫修補開展修復材料的修復效果研究，其流程包含修復材料的制備及性能測試、修復材料-瀝青面層復合試件的制備及修復效果測試。

1.1.1 聚氨酯改性修復材料原材料

在制備修復材料時，借鑒了聚氨酯行業(yè)研究成果^［5］。以聚氨酯和環(huán)氧丙烯酸酯作為基料，輔以交聯(lián)劑和引發(fā)劑在鏈接主料基團橋接的同時促進主料之間的反應。聚氨酯采用廣州文龍化工有限公司生產的聚氨酯，其具有滲透性好、粘結性好、耐久性高和優(yōu)良的低溫工作性等優(yōu)勢，同時還具有一定的阻燃性，可大大降低修復材料的燃燒風險。其密度為1.07 g/cm³，拉伸強度為35 MPa，壓縮變形率為29%，回彈率為55%，撕裂強度為85 kN/m。環(huán)氧丙烯酸酯是一種熱固化性材料，具有良好的耐水、耐熱性能，各項力學基本性能均較出色^［6］。本試驗采用廣州文龍化工有限公司生產的環(huán)氧丙烯酸酯，其收縮率為1.5%、熱膨脹系數(shù)達7%～11%、黏度為12 000 MPa·s。外加劑由交聯(lián)劑和引發(fā)劑組成，交聯(lián)劑采用廣西某化工廠生產的丁二醇溶液，其密度為1.07 g/cm³、熔點為20.21 ℃、沸點為237 ℃；引發(fā)劑采用廣西某化工廠生產的促進引發(fā)劑，其主要組成為二甲基苯胺和過氧化苯甲酰，引發(fā)劑密度為1.30 g/cm³，熔點為94.7 ℃。

1.1.2 修復材料-瀝青路面復合試件原材料

在制備修復材料-瀝青面層復合試件時，以改性瀝青、花崗巖碎石、石灰石礦粉和水泥作為原材料。瀝青采用SBS改性瀝青，具體參數(shù)見表1?；◢弾r碎石、石灰石礦粉和消石灰材料滿足試驗規(guī)范要求，其級配曲線如圖1所示。水泥采用P·O 32.5硅酸鹽水泥，各項組成參數(shù)見表2。制備試件用量為5%。

1.2 試驗方案

以修復材料-瀝青面層復合試件為對象，進行聚氨酯改性修復材料的修復效果試驗。首先在修復材料中摻入不同含量的聚氨酯，通過測試聚氨酯改性修復材料的性能，確保滿足修復材料的性能要求；隨后將滿足要求的聚氨酯改性修復材料應用于瀝青路面試件的修復中，測試各試件的力學性能，得到聚氨酯含量與瀝青混凝土試件性能變化的規(guī)律，從而優(yōu)選修復效果最佳的聚氨酯摻量。

1.2.1 聚氨酯改性修復材料的測試方法

由于交聯(lián)劑主要用于鏈接聚氨酯與環(huán)氧丙烯酸酯活性基團反應生成網絡狀聚合物，其用量隨聚氨酯摻入量的變化而變化，故本試驗按照聚氨酯摻量與交聯(lián)劑加入量5∶1同步調整，聚氨酯摻量按照環(huán)氧丙烯酸酯質量的0、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%摻入，制備11組修復材料，具體摻量如表3所示。按照《樹脂澆鑄體性能試驗方法》（GB/T 2567-2021）的要求開展耐老化性、壓縮性能和拉伸性能測試。

1.2.2 修復材料-瀝青路面復合試件的測試方法

瀝青路面填縫材料在實際應用時，主要以修復瀝青面層為主，所以本文為測試聚氨酯改性瀝青路面修復材料的修復效果，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）要求制作馬歇爾試件及車轍板試件后，人工切割出深10 mm、寬 5 mm 的裂縫，用不同摻量的聚氨酯改性修復材料修復，養(yǎng)護24 h后即可對照標準要求，開展低溫劈裂試驗、浸水馬歇爾試驗和低溫彎曲試驗。

2 聚氨酯改性修復材料的試驗結果與分析

2.1 壓縮性能

修復材料的壓縮性能用破壞荷載與截面面積的比表征，即壓縮強度表征。測試壓縮性能并計算壓縮強度時，利用高25 mm±0.5 mm、截面正方形邊長10 mm±0.2 mm的試件，按照試驗速度5 mm/min進行測試。測試數(shù)據(jù)換算為壓縮強度（MPa），結果如圖2所示。分析圖2可知：修復材料的壓縮強度隨著聚氨酯摻量的增加逐漸減小；從0逐漸增加至50%時，修復材料的壓縮強度從57.67 MPa下降至44.3 MPa，聚氨酯摻量在0～20%和40%～50%時，壓縮強度降低的幅度均在2.8%以上；而聚氨酯摻量從20%增加至40%過程中，修復材料的壓縮強度分別為49.27 MPa、48.84 MPa、48.37 MPa、48.02 MPa，降低幅度較小，分別為0.87%、0.96%、0.72%、0.94%。由此可見，聚氨酯摻量在20%～40%時，修復材料的壓縮強度較為穩(wěn)定，且可以確保在發(fā)揮聚氨酯優(yōu)勢的同時提高與被修復材料強度的匹配。

2.2 拉伸性能

拉伸性能試驗通過測試試件破壞時的荷載和伸長量來計算拉伸強度，從而表征修復材料的拉伸性能。使用總長220 mm、厚度4.0 mm±0.2 mm、端頭為20 mm±0.5 mm的拉伸試樣，按照試驗速度8 mm/min進行測試。測試數(shù)據(jù)換算為拉伸強度（MPa），其結果如圖3所示。分析圖3可知：修復材料拉伸強度隨著聚氨酯摻量的增大而呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，在聚氨酯摻量為30%時達到最大值43.2 MPa、50%摻量時達到最小值23.6 MPa；在摻入聚氨酯為0～30%的過程中，由于聚氨酯與環(huán)氧丙烯酸酯在交聯(lián)劑的作用下形成網狀體，聚氨酯摻量越大，其網狀體越多，使修復材料拉伸強度升高；在聚氨酯摻量＞35%后，由于交聯(lián)劑鏈接聚氨酯和環(huán)氧丙烯酸酯的鍵達到飽和，再增加聚氨酯會使二者相容性降低，致使拉伸強度急劇下降。

2.3 抗老化性

按照標準以拉伸強度變化情況表征材料抗老化能力。以溫度50 ℃為基準，利用UVA-340 燈管提供22 w/m²的輻照度，測試材料在老化7 d后的拉伸強度變化情況，與未老化拉伸強度數(shù)據(jù)進行對比（見圖4）。分析圖4可知：隨著聚氨酯摻量的不斷提升，老化后和未老化的拉伸強度均呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢；計算同一摻量下老化后和未老化拉伸強度變化可知，在聚氨酯摻量為0～20%時，拉伸強度降低的幅度分別為13.5%、13.4%、12.8%、12.7%、11.5%，聚氨酯摻量在20%～40%時，拉伸強度降低的幅度分別為9.9%、9.3%、9.5%、8.2%，聚氨酯摻量在20%～40%時，拉伸強度降低的幅度分別為13.6%、18.2%。由此可見，摻量在20%～40%時降低幅度最低、抗老化性能更好。

3 瀝青路面修復效果的試驗結果與分析

綜合修復材料性能測試結果，針對不同性能測試的要求，將滿足修復材料性能要求的20%～40%摻量的聚氨酯改性修復材料（編號分別為A4-A8）應用于瀝青路面試件的修復（修復后試件編號為B4-B8），通過開展修復后試件的低溫劈裂試驗、浸水馬歇爾試驗和低溫彎曲試驗，在符合規(guī)范要求的同時綜合對比性能指標，最終得到最優(yōu)修復效果下的聚氨酯摻量范圍，為后續(xù)工程實際應用提供理論依據(jù)。

3.1 低溫劈裂試驗

通過在標準試件中人工切出裂縫后，用20%～40%摻量的修復材料進行修復，且養(yǎng)護后進行測試。各修復試件的劈裂抗拉強度數(shù)據(jù)如圖5所示，參考人工切縫前試件劈裂抗拉強度4.37 MPa及圖5可以得到：隨著聚氨酯摻量從20%升至40%，被修復試件的劈裂抗拉強度從3.48 MPa升至3.97 MPa，總體呈現(xiàn)先升高后穩(wěn)定的趨勢。這是因為聚氨酯摻量的升高，修復材料性能的提高使劈裂抗拉強度增加；在聚氨酯摻量從20%升至30%過程中，被修復試件劈裂抗拉強度增幅較大，分別是未切縫試件的76.1%和86.5%；在聚氨酯摻量從30%升至40%過程中，被修復試件劈裂抗拉強度增幅趨于穩(wěn)定，分別是未切縫試件的89.7%、90.2%和90.8%；總體來說，在30%～40%摻量下，被修復試件劈裂抗拉強度修復效果較好。

圖5 劈裂抗拉強度變化曲線圖

3.2 浸水馬歇爾試驗

一般情況下，瀝青路面在開裂后會由于雨水侵蝕出現(xiàn)掉塊和剝落，因此需要開展被修復試件的浸水馬歇爾穩(wěn)定度測試。將被修復試件放置于60 ℃恒溫環(huán)境下48 h，隨后測試浸水馬歇爾穩(wěn)定度，用其結果與60 ℃恒溫環(huán)境下30 min試件穩(wěn)定度比值，作為殘留穩(wěn)定度，以此表征被修復材料抗雨水侵蝕能力。試驗結果如下頁圖6和圖7所示。圖6反映出浸水48 h后被修復試件馬歇爾穩(wěn)定度隨修復材料聚氨酯摻量的增加呈現(xiàn)上升趨勢。聚氨酯摻量從20%上升至40%過程中，被修復試件48 h浸水馬歇爾穩(wěn)定度分別達到原試件11.07 kN的66.1%、79.1%、82.9%、90.1%和94.5%，說明聚氨酯摻量在30%以后改善效果明顯。從圖7展示的殘留穩(wěn)定度趨勢可以看出，被修復試件殘留穩(wěn)定度隨著修復材料中聚氨酯含量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中隨著修復材料中聚氨酯含量的增加，被修復試件殘留穩(wěn)定度分別為78.78%、80.34%、84.34%、87.77%、86.12%，對標標準規(guī)定的殘留穩(wěn)定度須≥80%的要求，在摻量25%、30%、35%、40%時滿足要求，且在摻量為35%時達到最大殘留穩(wěn)定度。

3.3 低溫彎曲試驗

瀝青路面運營時，車輛行駛產生的動荷載反復作用于路面，為保證被修復后的路面不會發(fā)生開裂，被修復材料試件的抗彎拉強度必須超過車輛行駛產生的彎拉應力。因此，開展低溫彎曲試驗，測試試件彎拉強度，以此評價修復材料的修復能力。測試結果如圖8所示：隨著修復材料聚氨酯摻量的增加，被修復材料彎拉強度值也逐漸升高，聚氨酯含量從20%增加到40%的過程中，被修復材料的彎拉強度分別為5.12 MPa、5.74 MPa、6.23 MPa、6.58 MPa、6.87 MPa，修復效果較未開裂時的7.65 MPa相比增幅分別為66.9%、75.0%、81.4%、86.0%和89.8%，被修復材料的彎拉強度上升的趨勢在聚氨酯摻量為35%后放緩，在40%聚氨酯摻量時達到最大值。

4 結語

為研究聚氨酯改性瀝青面層修復材料的修復效果，本文首先對修復材料本身性能開展研究。在確定聚氨酯合理摻量范圍的基礎上，將改性修復材料應用于瀝青面層修復，通過測試低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗彎拉強度，為今后新型路面修復材料的研發(fā)和應用提供參考。測試結果表明：

（1）聚氨酯改性修復材料的壓縮強度隨著聚氨酯摻量的增加逐漸減小，摻量在20%～40%時，壓縮強度較為穩(wěn)定；聚氨酯改性修復材料的拉伸強度隨著聚氨酯摻量的增大而呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，在聚氨酯摻量為30%時達到最大值43.2 MPa，50%摻量時達到最小值23.6 MPa；聚氨酯改性修復材料的抗老化能力隨著聚氨酯含量提升呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，摻量在20%～40%時降低幅度最低，抗老化性能更好。

（2）修復后瀝青試件的劈裂抗拉強度隨著聚氨酯摻量的升高總體呈現(xiàn)先升高后穩(wěn)定的趨勢；修復后瀝青試件的馬歇爾穩(wěn)定度隨修復材料聚氨酯摻量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，聚氨酯摻量在30%以后改善效果明顯；殘留穩(wěn)定度隨修復材料中聚氨酯含量的增加呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢，在摻量為25%、30%、35%、40%時滿足要求；修復后瀝青試件的彎拉強度值隨聚氨酯摻量的增加逐漸升高，在聚氨酯摻量為35%后升高趨勢放緩，在40%聚氨酯摻量時達到最大值。

參考文獻

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收稿日期：2023-04-16