瀝青面層聚氨酯修復(fù)材料與修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究

趙光海

（西安長(zhǎng)安大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710064）

截止2022 年底，我國(guó)交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)總里程達(dá)到600 萬(wàn)km，其中公路通車(chē)?yán)锍踢_(dá)到535 萬(wàn)km，比2021 年增加了6.93 萬(wàn)km，公路密度達(dá)到55.73km/100km2[1，2]。2022 年，我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)里程數(shù)達(dá)到535.01 萬(wàn)km，達(dá)到公路里程數(shù)的100%以上，在路面方面，瀝青混凝土路面占比超過(guò)九成[3，4]。因此，瀝青混凝土路面的病害、養(yǎng)護(hù)和修復(fù)等是公路研究的重點(diǎn)之一，路面裂縫屬于我國(guó)公路路面常見(jiàn)的早期病害，目前，多采用高分子材料進(jìn)行路面裂縫修復(fù)[5-7]，在此方面，學(xué)者們也開(kāi)展了大量的研究工作，羅京[8]綜合考慮黏結(jié)性和抗滑性能提出了一種高分子路面修復(fù)材料，并開(kāi)展了路用性能測(cè)試，確定了材料的最終配比；顏魯春等[9]提出了在甲醛/尿素等材料中加入碳納米管制備膠囊材料，可以有效進(jìn)行瀝青混凝土路面微小病害的自修復(fù)；郝肖雨等[10]制備了水性環(huán)氧樹(shù)脂、乳化瀝青和水泥基膠凝材料相結(jié)合的瀝青混凝土路面修復(fù)材料，并通過(guò)化學(xué)成分分析、礦物成分分析等微觀手段測(cè)試了材料的路用性能；李夢(mèng)杰[11]制備了適用于瀝青混凝土路面修復(fù)的聚合物膠凝材料，并開(kāi)展了抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等宏觀力學(xué)性能測(cè)試?；谇叭说难芯砍晒疚闹苽淞诉m用于瀝青面層修復(fù)的聚氨酯修復(fù)材料，并開(kāi)展了其抗壓強(qiáng)度、耐老化性、水穩(wěn)定性以及低溫性能測(cè)試，旨在確定瀝青面層修復(fù)材料的最佳聚氨酯摻量，為瀝青混凝土面層修復(fù)材料的工程使用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

（1）聚氨酯（西安市雁塔聚氨酯廠），主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 聚氨酯的主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance index of polyurethane

（2）環(huán)氧丙烯聚酯（西安友基復(fù)合材料有限公司），主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 環(huán)氧丙烯聚酯的主要性能指標(biāo)Tab.2 The main performance index of epoxy acrylic polyester

（3）促進(jìn)劑（2，4-二甲基苯胺AR 西安鑫圣工貿(mào)有限責(zé)任公司）。

（4）交聯(lián)劑（1，4-丁二醇AR 中國(guó)石化長(zhǎng)城能源化工有限公司）。

（5）引發(fā)劑（過(guò)氧化苯甲酰AR 中國(guó)石化長(zhǎng)城能源化工有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料制備

本文瀝青面層聚氨酯修復(fù)材料各成分配備比例見(jiàn)表3。當(dāng)無(wú)聚氨酯摻加時(shí)，不加入交聯(lián)劑；有聚氨酯摻入時(shí)，加入一定比例的交聯(lián)劑。環(huán)氧丙烯聚酯材料強(qiáng)度高，但韌性不足，聚氨酯的摻入旨在改善瀝青面層修復(fù)材料的韌性。其制備方法是向定量稀釋后的環(huán)氧丙烯酸酯溶液中依次加入相應(yīng)比例（如表3）的聚氨酯、交聯(lián)劑、促進(jìn)劑以及引發(fā)劑，然后再使用機(jī)械進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛?/p>

表3 實(shí)驗(yàn)材料配備比例表（%）Tab.3 Proportion table of test materials（%）

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及儀器

1.3.1 聚氨酯修復(fù)材料抗壓及耐老化性能測(cè)試 參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，采用TG09/GM/101-3EBN 型恒溫烘箱（東方化?？萍加邢薰荆┖蚐HK-A105 型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（蘇州檢卓?jī)x器科技有限公司）對(duì)聚氨酯修復(fù)材料進(jìn)行常溫抗壓強(qiáng)度及高溫抗拉強(qiáng)度測(cè)試。

1.3.2 修復(fù)后瀝青面層水穩(wěn)定性及低溫性能測(cè)試首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)瀝青混合料馬歇爾試件和棱柱體小梁試件進(jìn)行切割，模擬瀝青面層裂縫，然后采用聚氨酯修復(fù)材料對(duì)切割后的馬歇爾試件和棱柱體小梁試件進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后分別采用LWD-3 型馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)定儀（河北科標(biāo)試驗(yàn)儀器有限公司）和SHK-A105型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（蘇州檢卓?jī)x器科技有限公司）對(duì)其進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度和三點(diǎn)彎曲測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能分析

2.1.1 抗壓性能 瀝青面層聚氨酯修復(fù)材料抗壓強(qiáng)度隨聚氨酯摻比的變化見(jiàn)圖1。

圖1 聚氨酯摻比量對(duì)瀝青面層聚氨酯修復(fù)材料抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of polyurethane content on the compressive strength of polyurethane repairing materials for asphalt surface layer

由圖1 可見(jiàn)，不摻聚氨酯材料時(shí)，純環(huán)氧丙烯酸酯修復(fù)材料的抗壓強(qiáng)度為50.6MPa；而摻入8%、16%、24%、32%和40%的聚氨酯后，聚氨酯與環(huán)氧丙烯酸酯組成的瀝青面層修復(fù)材料抗壓強(qiáng)度就變?yōu)?9.8、48.2、46.4、45.1 和43.5MPa，比不摻聚氨酯時(shí)分別減小了1.6%、4.7%、8.3%、10.9%和14.0%?？梢?jiàn)，隨著聚氨酯摻比的增大，瀝青面層修復(fù)材料抗壓強(qiáng)度呈近似線性減小關(guān)系：聚氨酯摻比每增加10%，其值就減小約1.8MPa。由于修復(fù)材料抗壓強(qiáng)度太高就會(huì)與待修復(fù)的路面形成明顯剛度差，導(dǎo)致修復(fù)后路面存在再次破壞的風(fēng)險(xiǎn)，因此，建議瀝青面層修復(fù)材料中聚氨酯摻比不宜小于16%。

2.1.2 耐老化性能 老化溫度為48℃時(shí)，不同老化處理時(shí)間下瀝青面層聚氨酯修復(fù)材料抗拉強(qiáng)度隨聚氨酯摻比變化見(jiàn)圖2。

圖2 聚氨酯摻比量對(duì)瀝青面層聚氨酯修復(fù)材料抗拉強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of polyurethane content on the tensile strength of polyurethane repairing materials for asphalt surface layer

由圖2 可見(jiàn)，無(wú)老化條件下，聚氨酯摻比為0、8%、16%、24%、32%和40%時(shí)，聚氨酯與環(huán)氧丙烯酸酯組成的瀝青面層修復(fù)材料抗拉強(qiáng)度分別為37.9、37.2、35.8、34.6、32.7 和27.7MPa。老化處理時(shí)間為7d 條件下，聚氨酯摻比為0、8%、16%、24%、32%和40%時(shí)，瀝青面層修復(fù)材料抗拉強(qiáng)度分別為34.5、34.2、33.3、32.5、30.8 和26.3MPa；比無(wú)老化條件下分別降低了9.0%、8.1%、7.0%、6.1%、5.9%和5.1%。老化處理時(shí)間為28d 條件下，聚氨酯摻比為0、8%、16%、24%、32%和40%時(shí)，瀝青面層修復(fù)材料抗拉強(qiáng)度分別為24.8、24.5、24、23.2、22.7 和20.2MPa；比無(wú)老化條件下分別降低了34.6%、34.1%、33.0%、32.9%、30.6%和27.1%?？梢?jiàn)，同一老化處理時(shí)間下，雖然隨著聚氨酯摻比的增大，瀝青面層修復(fù)材料抗拉強(qiáng)度整體上仍呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)；但老化時(shí)間越長(zhǎng)，聚氨酯摻比越大的瀝青面層修復(fù)材料的抗拉強(qiáng)度降低幅度就越小。因此，在環(huán)氧丙烯酸酯摻入一定比例的聚氨酯能夠提高瀝青面層修復(fù)材料的抗老化性能。

2.2 瀝青面層聚氨酯修復(fù)材料修復(fù)效果分析

2.2.1 水穩(wěn)定性 采用聚氨酯與環(huán)氧丙烯酸酯組成的修復(fù)材料對(duì)瀝青面層進(jìn)行修復(fù)后，浸水前后修復(fù)面層馬歇爾穩(wěn)定度隨聚氨酯摻比的變化見(jiàn)圖3、4。

圖3 聚氨酯摻比量對(duì)瀝青修復(fù)面層馬歇爾穩(wěn)定度的影響Fig.3 Effect of polyurethane content on Marshall stability of asphalt repairing surface layer

由圖3 可見(jiàn)，聚氨酯摻比為0、8%、16%、24%、32%和40%時(shí)，采用修復(fù)材料進(jìn)行修復(fù)后的瀝青面層馬歇爾穩(wěn)定度在浸水前分別為6.7、7.8、8.6、9.1、9.4 和9.5kN，在浸水后則變?yōu)?.2、6.2、7.3、8.0、8.1和7.9kN。可見(jiàn)，隨著聚氨酯摻比的增大，由聚氨酯與環(huán)氧丙烯酸酯組成的修復(fù)材料對(duì)瀝青面層浸水前馬歇爾穩(wěn)定度修復(fù)效果呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢(shì)，而對(duì)瀝青面層浸水后馬歇爾穩(wěn)定度修復(fù)效果則呈現(xiàn)先升后減的變化趨勢(shì)。結(jié)合圖4 可知，當(dāng)聚氨酯摻比為24%時(shí)，采用修復(fù)材料進(jìn)行修復(fù)后的瀝青面層殘留穩(wěn)定度最高，為87.9%，比不摻聚氨酯條件下提高了10%，說(shuō)明在環(huán)氧丙烯酸酯摻入聚氨酯材料能夠明顯提高修復(fù)面層的耐水損壞性能。

圖4 聚氨酯摻比量對(duì)瀝青修復(fù)面層浸水殘留穩(wěn)定度的影響Fig.4 Effect of polyurethane content on the residual stability of asphalt repairing surface after immersion in water

2.2.2 低溫性能 采用聚氨酯與環(huán)氧丙烯酸酯組成的修復(fù)材料對(duì)瀝青面層進(jìn)行修復(fù)后，修復(fù)面層低溫抗彎拉強(qiáng)度和破壞勁度模量的變化見(jiàn)圖5、6。

圖5 聚氨酯摻比量對(duì)瀝青修復(fù)面層抗彎拉強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of polyurethane content on flexural tensile strength of asphalt repairing surface layer

圖6 聚氨酯摻比量對(duì)瀝青修復(fù)面層破壞勁度模量的影響Fig.6 Effect of polyurethane content on the failure stiffness modulus of asphalt repairing surface

由圖5、6 可見(jiàn)，聚氨酯摻比為0、8%、16%、24%、32%和40%時(shí)，采用修復(fù)材料進(jìn)行修復(fù)后的瀝青面層低溫（-10℃）抗彎拉強(qiáng)度分別為4.5、5.6、6.4、6.6、6.7 和6.8MPa；而破壞勁度模量則分別為1.078、1.330、1.580、1.765、1.881 和1.952GPa?？梢?jiàn)，聚氨酯摻比越大，由聚氨酯與環(huán)氧丙烯酸酯組成的修復(fù)材料對(duì)瀝青面層低溫抗裂性能和變形協(xié)調(diào)性能的修復(fù)效果就越好，但當(dāng)聚氨酯摻比超過(guò)24%后，這種修復(fù)效果提升就不十分明顯。

3 結(jié)論

（1）聚氨酯摻比每增加10%，瀝青面層修復(fù)材料抗壓強(qiáng)度減小約1.8MPa。

（2）老化時(shí)間越長(zhǎng)，聚氨酯摻比越大的瀝青面層修復(fù)材料的抗拉強(qiáng)度降低幅度就越小。

（3）當(dāng)聚氨酯摻比為24%時(shí)，采用修復(fù)材料進(jìn)行修復(fù)后的瀝青面層殘留穩(wěn)定度最高，為87.9%。

（4）聚氨酯摻比越大，修復(fù)材料對(duì)瀝青面層低溫抗裂性能和變形協(xié)調(diào)性能的修復(fù)效果就越好，但從性價(jià)比角度考慮，建議聚氨酯摻比不宜超過(guò)24%。