PU改性瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究

林 翔

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及在《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》等國(guó)家政策的背景下,我國(guó)的交通事業(yè)迅速發(fā)展,其中交通運(yùn)輸業(yè)的膨脹式發(fā)展也使各級(jí)道路承受的負(fù)荷加重,所帶來(lái)的道路超重、超載情況愈發(fā)突出。目前公路大多采用瀝青鋪裝,為了使瀝青路面在道路特殊情況下能夠有效應(yīng)對(duì)各種載重,以及更好地提高瀝青路面的承受荷載和使用壽命,對(duì)瀝青路面的材料性能開(kāi)展進(jìn)一步的研究顯得尤為重要。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者們針對(duì)瀝青的性能提升及應(yīng)用場(chǎng)景的拓展開(kāi)展了一系列研究,在國(guó)內(nèi),金嬌等[1]利用有機(jī)蒙脫土改性瀝青,增強(qiáng)瀝青的抗老化;羅航宇[2]通過(guò)SBS改性瀝青,提高瀝青的性能;周沛延等[3]基于DMA方法的相變改性瀝青粘彈特性及低溫性能。

本文針對(duì)瀝青路面在超負(fù)荷下所帶來(lái)的車轍、鼓包、開(kāi)裂等問(wèn)題,利用聚氨酯(PU)本身具有的耐磨、高機(jī)械強(qiáng)度、高彈性、耐老化、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn),與基質(zhì)瀝青、粗細(xì)集料制備出一種PU改性瀝青混合料,對(duì)其在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性能、低溫環(huán)境下的抗裂性能以及水穩(wěn)定性能進(jìn)行測(cè)試,并評(píng)價(jià)其路用性能以及應(yīng)用于道路的可行性。

1 試驗(yàn)

利用聚氨酯(PU)與瀝青熔融混合,制備出PU改性瀝青,根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011),依次進(jìn)行高溫抗車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)[4],測(cè)定聚氨酯改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能,以此研究聚氨酯改性瀝青混合料的路用性能。

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 聚氨酯

聚氨酯(PU)是由多異氰酸酯和多羥基聚合物加聚而成以及主鏈上含有重復(fù)氨基甲酸酯基團(tuán)的高分子化合物,其全稱為聚氨基甲酸酯[5]。本試驗(yàn)所采用聚氨酯為廣州某聚氨酯生產(chǎn)廠家生產(chǎn),其密度為1.2 g/cm3。

1.1.2 基質(zhì)瀝青

本文試驗(yàn)采用廣西某瀝青廠生產(chǎn)70#瀝青,其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 032-94)的相關(guān)要求[6],詳細(xì)實(shí)測(cè)數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)表

1.1.3 集料

本試驗(yàn)采用玄武巖作為粗集料,石灰?guī)r作為細(xì)集料,填料采用礦粉,集料和礦粉均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。粗集料檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、細(xì)集料檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、礦粉檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)表

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)表

1.2 試驗(yàn)方案

本文主要利用70#基質(zhì)瀝青、4%SBS改性瀝青、35%PU改性瀝青、45%PU改性瀝青分別添加混合料進(jìn)行拌和制成各類瀝青混合料,并通過(guò)試驗(yàn)分析其性能指標(biāo)。鑒于PU改性瀝青的制備目前可參考的制備工藝較少,且PU改性瀝青為熱固性材料,在高溫環(huán)境的影響下會(huì)發(fā)生固化反應(yīng)導(dǎo)致其凝固,其凝固速度隨溫度的變化而變化[7]。本文通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)研究,在溫度為120 ℃時(shí)對(duì)PU改性瀝青進(jìn)行拌和,且拌和時(shí)間為15 min。在進(jìn)行反復(fù)的馬歇爾試驗(yàn)后分別得出4種PU瀝青混合料的最佳油石比,70#基質(zhì)瀝青混合料的最佳油石比為4.9%、4%SBS改性瀝青混合料的最佳油石比為5.0%、35%PU改性瀝青混合料的最佳油石比為5.4%、45%PU改性瀝青混合料的最佳油石比為5.4%[8]?；旌狭霞?jí)配采用AC-13型級(jí)配,如表5所示。

表5 混合料級(jí)配表

2 性能測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 高溫穩(wěn)定性能

瀝青的高溫穩(wěn)定性是指在高溫環(huán)境下能抵抗行車動(dòng)荷載所帶來(lái)的變形的能力[9],由于瀝青混合料在高溫下會(huì)出現(xiàn)黏度降低而導(dǎo)致軟化,高溫軟化后的瀝青混合料在行車荷載的不斷作用下極易出現(xiàn)車轍,車轍的產(chǎn)生致使瀝青路面受到嚴(yán)重破壞,影響行車安全。因此,高溫穩(wěn)定性是考驗(yàn)瀝青鋪裝路面在高溫環(huán)境下是否穩(wěn)定的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。本文采用試驗(yàn)室車轍試驗(yàn)來(lái)測(cè)定4種不同瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度,從而評(píng)價(jià)4種PU改性瀝青混合料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。車轍試驗(yàn)的試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm,試驗(yàn)條件為:在試驗(yàn)溫度為60 ℃、施加荷載為0.7 MPa的條件下,碾壓速率45次/min[10]。4種不同瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果如表6所示,計(jì)算公式如下:

表6 車轍試驗(yàn)結(jié)果表

(1)

式中:DS——?jiǎng)臃€(wěn)定度(mm/次);

d1——時(shí)間t1的變形量(mm);

d2——時(shí)間t2的變形量(mm);

c1——試驗(yàn)機(jī)類型系數(shù),本文中取1.0;

c2——試件系數(shù),本文中取1.0;

N——試驗(yàn)輪往返輾壓速度,為45次/min。

從表6可得,4種不同瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值由低到高排序依次為70#基質(zhì)瀝青<4%SBS改性瀝青<35%PU改性瀝青<45%PU改性瀝青,由此可得出添加了聚氨酯(PU)的改性瀝青動(dòng)穩(wěn)定度均得到了一定程度的提高,其中45%PU改性瀝青在進(jìn)行車轍試驗(yàn)后的動(dòng)穩(wěn)定度高達(dá)28 125 mm/次,70#基質(zhì)瀝青僅為2 935 mm/次,是70#基質(zhì)瀝青的9.6倍,4%SBS改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度僅是70#基質(zhì)瀝青的2.4倍,說(shuō)明聚氨酯對(duì)瀝青的改性效果較SBS對(duì)瀝青的改性效果好,且隨著聚氨酯在改性瀝青中占比的增加,改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度越高,高溫穩(wěn)定性越好。

2.2 低溫抗裂性能

瀝青的低溫穩(wěn)定性是指在低溫環(huán)境下能抵抗瀝青內(nèi)部開(kāi)裂的能力[11],在較低溫度時(shí),會(huì)引起瀝青的收縮,從而產(chǎn)生路面裂縫,瀝青路面開(kāi)裂易導(dǎo)致路面積水、空氣以及一些有害物質(zhì)隨著裂縫進(jìn)入路基內(nèi)部,導(dǎo)致路基出現(xiàn)病害,一定程度上減少了路基的強(qiáng)度和使用壽命。本文采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)四種不同類型瀝青的低溫抗裂性能[12]。試驗(yàn)條件為:小梁試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm,試驗(yàn)溫度為-15 ℃,荷載采用中點(diǎn)加荷,施加荷載速率為50 mm/min。4種不同類型瀝青的低溫抗裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 低溫抗裂試驗(yàn)結(jié)果表

本次試驗(yàn)主要以梁底彎拉應(yīng)變值來(lái)考量4種不同瀝青混合料的低溫抗裂性能。從表7可得,4種不同瀝青混合料的梁底彎拉應(yīng)變值由低到高排序依次為70#基質(zhì)瀝青<4%SBS改性瀝青<35%PU改性瀝青<45%PU改性瀝青,兩種添加了聚氨酯(PU)的改性瀝青的彎拉應(yīng)變值均較其他2種瀝青混合料的彎拉應(yīng)變值高,說(shuō)明添加了聚氨酯的PU改性瀝青低溫抗裂性能較均較另外2種瀝青的低溫抗裂性能好,且隨著聚氨酯(PU)添加量的不斷增加,其彎拉應(yīng)變值也在不斷提高,彎拉應(yīng)變值越高說(shuō)明其在低溫環(huán)境下的抗裂性能越好。

2.3 水穩(wěn)定性能

瀝青的水穩(wěn)定性是指在浸水情況下瀝青受水的影響程度[13],在我國(guó)多雨地區(qū),由于受到水分的破壞,部分瀝青會(huì)脫落,導(dǎo)致路面出現(xiàn)坑洞、瀝青剝離等病害,影響行車正常。本文采用浸水馬歇爾試驗(yàn)來(lái)考量4種聚氨酯瀝青混合料在浸水環(huán)境下的水穩(wěn)定性能。計(jì)算公式如下:

(2)

式中:MS0——試件的浸水殘留穩(wěn)定度(%);

MS1——試件浸水48 h后的穩(wěn)定度(kN);

MS——浸水30 min后的穩(wěn)定度(kN)。

根據(jù)表8可知4種不同瀝青混合料在試驗(yàn)后的殘留穩(wěn)定度:70#基質(zhì)瀝青為83.6%、4%SBS改性瀝青為87.6%、35%PU改性瀝青為84.7%、45%PU改性瀝青為89.8%,其中,45%PU改性瀝青經(jīng)過(guò)馬歇爾試驗(yàn)后的殘留穩(wěn)定度較高,表明其抗水損害性能較好。

表8 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)PU改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性這幾個(gè)主要評(píng)價(jià)瀝青路用性能的指標(biāo)來(lái)進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)并考量PU改性瀝青的路用可行性,通過(guò)路用性能的評(píng)價(jià),證明其運(yùn)用于道路上的可行性,為今后在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù),結(jié)果表明:

(1)聚氨酯(PU)對(duì)瀝青的改性效果較SBS對(duì)瀝青的改性效果好,且隨著聚氨酯(PU)添加量的增多,改性后的瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度越高,高溫穩(wěn)定性越好。

(2)兩種添加了聚氨酯(PU)的改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變值均較其他兩種瀝青混合料的彎拉應(yīng)變值高,說(shuō)明添加聚氨酯(PU)可使改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變值提高,且隨著聚氨酯添加量的提高,彎拉應(yīng)變值也在逐漸增大,彎拉應(yīng)變值增大說(shuō)明其低溫抗裂性能較好。

(3)4種不同瀝青混合料在通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)后的殘留穩(wěn)定度均較好,但PU改性瀝青混合料在馬歇爾試驗(yàn)后的殘留穩(wěn)定度更高,抗水損害性能更好。