聚氨酯改性瀝青混合料的性能及應用研究

吳 瓊

(山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

普通基質(zhì)瀝青是傳統(tǒng)瀝青路面建設中的主要路面材料,但隨著我國道路交通量持續(xù)增長、重載交通加大,傳統(tǒng)的基質(zhì)瀝青混合料路面耐久性差、溫度敏感性高等缺陷開始凸顯開來,如何提高基質(zhì)瀝青的性能成為當下研究熱點。聚氨酯(簡稱PU)是一種熱固性高分子聚合物材料,具有抗老化與磨損性能強、彈性好等特點[1-2]。已有研究表明:聚氨酯改性劑的摻入可以有效提高瀝青混合料的高溫性能[3-5]。但目前已有研究對于PU改性瀝青混合料的綜合性能影響尚不完善。為了提高基質(zhì)瀝青混合料的綜合性能,在AC-13型基質(zhì)瀝青混合料中摻入聚氨酯改性劑,對其綜合性能進行了室內(nèi)試驗及工程應用研究,對于聚氨酯改性瀝青混合料的推廣與應用具有積極意義。

1 室內(nèi)試驗

1.1 試驗材料

(1)瀝青:選用殼牌70號基質(zhì)瀝青,主要性能如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青主要性能指標

(2)PU改性劑:試驗所用PU改性劑由聚氨酯預聚體、擴鏈劑(MOCA)、稀釋劑組成,其中MOCA主要為了加強聚氨酯預聚體的固化、稀釋劑可以改善預聚體性能,降低改性瀝青黏度增長速度,滿足施工需要[6]。

稀釋劑選用源邦化工材料有限公司生產(chǎn)的PU-10型稀釋劑,預聚體、擴鏈劑(MOCA)均來自淄博華天橡塑科技有限公司,預聚體(H2143型)相關技術指標見表2。

表2 聚氨酯預聚體相關技術指標(H2143型)

(3)集料:選用石灰?guī)r碎石集料,礦粉選用石灰?guī)r粉末,性能檢測結果見表3～表5。

表3 粗集料相關性能檢測結果

表4 細集料相關性能檢測結果

表5 礦粉相關性能檢測結果

1.2 配合比設計

(1)礦料級配

選用AC-13級配,級配設計如表6所示。

表6 瀝青混合料級配組成(AC-13)

(2)確定最佳油石比

初選油石比4.5%～6.5%制備試件進行馬歇爾試驗,根據(jù)表7試驗結果分析油石比與各項指標的關系,最終得到最佳油石比為5.8%。

表7 馬歇爾試驗結果

1.3 試驗方案

采用拉伸試驗確定PU改性瀝青中聚氨酯預聚體的最佳摻入量;以SBS改性、基質(zhì)瀝青混合料作為對照組,參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)的相關試驗要求,對最佳聚氨酯預聚體摻量下的PU改性瀝青混合料的路用性能進行試驗分析。具體試驗方案見表8。

表8 室內(nèi)試驗方案

2 PU改性劑最佳摻量確定

2.1 擴鏈交聯(lián)劑、稀釋劑的摻量確定

擴鏈交聯(lián)劑、稀釋劑的摻量根據(jù)已有研究[7]及廠家推薦摻量,分別取基質(zhì)瀝青質(zhì)量的10%、6%。

2.2 聚氨酯預聚體最佳摻量確定

預聚體的最佳摻量采用拉伸試驗進行確定,擴鏈交聯(lián)劑、稀釋劑的摻量分別取10%、6%,初選預聚體的摻量為30%～50%,摻量以5%增加量遞增,基質(zhì)瀝青預熱(120℃～130℃)→依次加入預聚體、擴鏈交聯(lián)劑、稀釋劑高速剪切(剪切機轉(zhuǎn)速2000rad/min、剪切攪拌溫度120℃)。分別制備不同預聚體摻量下的PU改性瀝青啞鈴狀試件進行拉伸試驗,試驗結果如圖1所示。

圖1 拉伸試驗結果

聚氨酯預聚體最佳摻量綜合考慮拉伸強度與斷裂伸長率進行確定。由圖1可知,拉升強度隨聚氨酯預聚體摻量的增加而增加,當聚氨酯預聚體摻量由30%提升到35%時,拉伸強度得到巨大的提升,提升幅度達到93.43%,但當摻量大于35%后,拉伸強度保持穩(wěn)定,略微增長;另一方面,斷裂伸長率隨聚氨酯預聚體摻量增加大致呈線性降低趨勢,這是因為基質(zhì)瀝青含量隨著聚氨酯預聚體摻量增加而降低,PU改性瀝青的延展性由此出現(xiàn)降低,致使斷裂伸長率逐漸降低。綜合考慮上述兩項指標,得到聚氨酯預聚體的最佳摻量為35%。

3 PU改性瀝青混合料路用性能分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

高溫車轍試驗結果如圖2所示。

圖2 車轍試驗結果

由圖2可知,相比于基質(zhì)瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料,PU改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別提升了約180%、17%,高溫穩(wěn)定性能提升顯著,這是因為PU改性劑摻入后與瀝青發(fā)生固化反應形成了交聯(lián)網(wǎng)狀體系,由此增強了瀝青膠結料的粘結力以及對集料的包裹能力,有效提升了高溫性能。

3.2 低溫抗裂性

小梁彎曲試驗結果如表9所示。

表9 小梁彎曲試驗結果

由表9可知,相比于基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青混合料,PU改性瀝青混合料的彎拉破壞應變分別提升了約75%、29%,展現(xiàn)出了優(yōu)異的低溫抗裂性能。這是因為PU改性劑的摻入有效提升了基質(zhì)瀝青的粘結強度與延展性,由此增強了混合料的低溫抗裂性能。

3.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性能試驗結果如圖3所示。

圖3 浸水馬歇爾、凍融劈裂強度試驗結果

由圖3可知,一方面,在基質(zhì)瀝青混合料中摻入PU改性劑后,殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強度比均得到了一定的提升,分別提升了約9%、2%,抗水損害能力得到了有效提升;另一方面,PU改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料兩者的水穩(wěn)定性能相差不大。分析水穩(wěn)定性能提升的原因可知:PU改性劑有效提升了瀝青膠結料的粘結力以及對集料的包裹能力,可以降低水分對集料的剝離作用,從而提升水穩(wěn)定性能。

4 工程應用

4.1 工程概況

某新建連續(xù)剛構橋,作為新建高速公路的重要節(jié)點,橋面鋪裝上面層采用PU改性瀝青混合料(AC-13)。施工現(xiàn)場,橋面上面層鋪裝所用材料與配合比設計均與室內(nèi)試驗一致,施工現(xiàn)場所用預聚體、擴鏈劑(MOCA)、稀釋劑的摻量分別取35%、10%、6%,最佳油石比為5.8%。

4.2 施工要點

(1)溫度控制

各施工流程中,溫度控制標準參照表10進行。

表10 混合料溫度控制標準

(2)拌合

施工現(xiàn)場拌合料的投料順序與技術要點如下:集料加熱→集料干拌(時間5s)→噴入基質(zhì)瀝青,同時人工投放PU改性劑(依次投入預聚體、擴鏈劑、稀釋劑)→濕拌(55s)→出料。

(3)攤鋪

現(xiàn)場攤鋪系數(shù)1.18,采用單機進行攤鋪,速度宜控制在2～2.5m/min,連續(xù)、均勻進行攤鋪。

(4)碾壓

碾壓過程應注意如表11所示施工要點。

表11 碾壓技術要求

4.3 檢測及評價

該新建剛構橋橋面鋪裝施工完成并通車的3年內(nèi)經(jīng)歷了不利的高溫及凍融循環(huán)天氣,且車流量大、重載交通多。對該橋面鋪裝進行了為期3年的長期觀測,觀測結果表明:采用PU改性瀝青混合料作為橋面鋪裝后,路面平整度好,長期路用性能優(yōu)異,未出現(xiàn)輪跡、裂紋等病害,實際應用效果優(yōu)異。

5 結論

(1)在基質(zhì)瀝青混合料中摻入一定量聚氨酯改性劑后,高低溫性能得到了顯著提升,動穩(wěn)定度、最大彎拉應變分別提升了約180%、75%。

(2)PU改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能顯著優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料,與SBS改性瀝青混合料相差不大。

(3)建議 H2143型聚氨酯預聚體的最佳摻量取35%。

(4)PU改性瀝青混合料在橋面鋪裝實際應用中,展現(xiàn)出了優(yōu)異的長期路用性能,路面平整度好,未出現(xiàn)輪跡、裂紋等病害,具備推廣價值。