聚氨酯一玻璃纖維復(fù)合改性對瀝青材料性能的影響研究

關(guān)鍵詞：聚氨酯；復(fù)合玻璃纖維；改性瀝青；高溫性能；低溫性能；抗老化性；疲勞性能中圖分類號：U414.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.008文章編號：1673-4874（2025）03-0028-04

0 引言

瀝青作為道路建設(shè)的主要材料，因其優(yōu)良的流動性、可操作性和低成本廣泛應(yīng)用于路面鋪設(shè)[1-2]。然而，隨著交通量的不斷增加和極端氣候條件的影響，傳統(tǒng)瀝青在高溫下容易出現(xiàn)軟化，在低溫下容易開裂，抗車轍性差，抗疲勞能力不足，導(dǎo)致瀝青路面的使用壽命和安全性受限[3-4]。為了提高瀝青的性能，改性瀝青材料逐漸成為研究的熱點。聚氨酯（PU）由于其良好的彈性、耐磨性和抗老化性，被廣泛應(yīng)用于瀝青的改性中[5-。然而，單一聚氨酯改性瀝青在高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性方面仍存在一定局限[7-8]。玻璃纖維（GF）具有較高的強(qiáng)度和良好的分散性，能夠增強(qiáng)瀝青的抗車轍和抗疲勞性能。將聚氨酯（PU）與玻璃纖維（GF）復(fù)合使用，不僅能夠充分發(fā)揮聚氨酯的彈性和玻璃纖維的增強(qiáng)作用，還能夠提升瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及耐久性，進(jìn)而提高瀝青路面的整體性能[9-11]。本文旨在通過試驗研究聚氨酯復(fù)合玻璃纖維（GFPU）改性瀝青的性能，分析不同改性比例對瀝青的高溫性能、低溫性能、抗車轍性、抗疲勞性等方面的影響，并探索其應(yīng)用前景。

1原材料與試驗方法

1. 1 原材料

本試驗使用 70^? 佛山殼牌瀝青。所用聚氨酯為MDI（異氰酸酯）基聚氨酯，具有較好的熱穩(wěn)定性、彈性和黏結(jié)性。玻璃纖維選用短切玻璃纖維，長度為 6mm ，直徑為10μm ，具備良好的分散性和增強(qiáng)效果，能夠有效提升瀝青的抗裂性、抗車轍性和抗疲勞性。試驗中還采用了適量的溶劑和分散劑，幫助聚氨酯和玻璃纖維均勻分散在瀝青中。

1.2改性瀝青制備

改性瀝青的制備過程包括將聚氨酯復(fù)合玻璃纖維材料與基質(zhì)瀝青進(jìn)行混合，采用不同的聚氨酯復(fù)合摻量，參考以往對于玻璃纖維聚氨酯的研究，設(shè)計多個梯度，以研究其對瀝青性能的影響[12]。具體的制備流程如圖1所示：（1）根據(jù)不同的改性比例將聚氨酯（ 5% ， 10% F15% ）與玻璃纖維復(fù)合材料 （5% 準(zhǔn)備好；（2）將該復(fù)合材料與 70^? 瀝青按比例混合，在150℃的溫度下攪拌均勻，確保聚氨酯和玻璃纖維充分分散在瀝青中，得到不同改性比例的聚氨酯復(fù)合玻璃纖維改性瀝青。

1.3改性瀝青混合料制備

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40一2004）[13]，改性瀝青混合料的制備過程遵循傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料生產(chǎn)工藝。（1）按照AC-13C級配要求，如圖2所示，選取合適的粗集料、中集料和細(xì)集料，并將其干燥至適宜含水量；（2）將制備好的改性瀝青按 5% 、 10% 、 15% 摻量聚氨酯復(fù)合 5% 摻量玻璃纖維與集料進(jìn)行混合，在160℃的溫度下攪拌均勻，確保改性瀝青與集料的良好結(jié)合，得到不同的改性瀝青混合料?；旌狭现谱魍瓿珊螅捎民R歇爾法和其他試驗方法對其進(jìn)行性能測試。

1.4 試驗方案

本研究根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE20一2011），對改性瀝青和改性瀝青混合料進(jìn)行系列性能測試。

1.4.1三大指標(biāo)測試

針入度測試：采用針入度儀測量，標(biāo)準(zhǔn)針在25℃ ± 0.1℃的水浴中加載100g重力，持續(xù)5s后測量針入度。

軟化點測試：使用環(huán)球法，標(biāo)準(zhǔn)瀝青球在5℃/min的升溫速率中進(jìn)行測量。

延度測試：在5cm/min的拉伸速度下，測試瀝青樣品在25℃溫度下的延展長度，直至斷裂。

1.4.2熒光顯微觀察

將瀝青樣品通過切割機(jī)制成光滑的小塊，使用熒光顯微鏡在400倍放大倍數(shù)下觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，記錄聚氨酯和玻璃纖維的分布狀態(tài)及界面結(jié)合情況。

1.4.3動態(tài)剪切流變（DSR）測試

改性瀝青取直徑為 25mm 、厚度為1mm的圓形薄片試件，在64℃的溫度下，加載頻率為 10rad/s. ，記錄復(fù)數(shù)模量（ G^* ）和相位角（δ），以評估瀝青的高溫流變特性。

1.4.4低溫劈裂試驗

制備直徑為 150mm 、高度為 50mm 的圓柱試件，在-10° 的溫度條件下養(yǎng)生 417 ，以確保內(nèi)部溫度均勻。通過萬能材料試驗機(jī)施加拉伸應(yīng)力直至試件劈裂破壞，加載速率為 50mm/min ，記錄最大劈裂力以評估低溫抗裂性能。

1.4.5浸水馬歇爾試驗

試件尺寸與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件相同，直徑為 101.6mm 高度為63. 5min 。將成型的馬歇爾試件在60℃的水浴中浸泡48h后取出，立即進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗，測定浸水后的馬歇爾穩(wěn)定度。加載速率為 50mm/min ，馬歇爾儀進(jìn)行加載直至試件破壞，測量浸水前后穩(wěn)定度差異，評估水穩(wěn)定性。

1.4.6無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，直徑為 101.6mm 、高度為63.5mm。試驗采用無側(cè)限壓縮方式，通過萬能材料試驗機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)加載速率下進(jìn)行加載，加載速率為50mm/min ，直至試件破壞。試驗溫度為25℃，用于評估混合料的抗壓能力。

1.4.7劈裂疲勞試驗

采用直徑為 150mm 高度為 50mm 的圓柱試件，在20°C 恒溫環(huán)境下進(jìn)行，以恒定的重復(fù)應(yīng)力模式加載。加載頻率為6Hz，最大加載應(yīng)力為0.5倍劈裂強(qiáng)度，循環(huán)加載直至試件發(fā)生劈裂破壞，記錄疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)），用于評估混合料的抗疲勞性能。

2試驗結(jié)果與分析

2. 1 三大指標(biāo)試驗

聚氨酯的加入顯著提升了瀝青的軟化點，降低了針入度和延度，如圖3所示。

圖3試驗結(jié)果表明，改性瀝青的針入度隨聚氨酯摻量的增加顯著降低，這反映了瀝青的硬度和高溫穩(wěn)定性顯著提高。軟化點的升高趨勢表明，隨著聚氨酯的交聯(lián)結(jié)構(gòu)與玻璃纖維的增強(qiáng)作用逐步增加，改性瀝青在高溫下的耐流動性能得到改善。單一聚氨酯改性組的延度隨摻量增加逐漸下降，表明其柔性受到一定影響，而復(fù)合改性組中玻璃纖維的加入有效減緩了這一趨勢，其延度表現(xiàn)優(yōu)于單一改性組。這可能是由于玻璃纖維在瀝青中形成了骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對瀝青分子提供了約束和支撐，減少了裂紋擴(kuò)展的可能性，從而提高了瀝青的整體柔性和抗裂能力。

2.2熒光顯微試驗分析

對制備好的玻璃纖維聚氨酯改性瀝青進(jìn)行取樣，觀測其分散情況，結(jié)果如圖4所示。

觀察圖4可知，玻璃纖維在瀝青中均勻分布，且與聚氨酯形成協(xié)同增強(qiáng)作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如圖4（d）所示，纖維網(wǎng)絡(luò)更加密集，表明其對瀝青骨架的支撐作用顯著增強(qiáng)。

2.3 動態(tài)剪切流變（DSR）分析

采用動態(tài)剪切流變儀測定不同試樣在64℃溫度下的復(fù)數(shù)模量（ G^* ）和相位角（δ），計算其車轍因子（ G^* /sinδ），結(jié)果如表1所示。

試驗結(jié)果顯示，基質(zhì)瀝青在高溫下的相位角較大，表明其主要以黏性為主，流動性較高，抗車轍能力較弱。單一聚氨酯改性后，相位角逐漸減小，而復(fù)數(shù)模量顯著提高，說明聚氨酯通過交聯(lián)作用改善了瀝青的彈性，增強(qiáng)了抗流變性能。復(fù)合改性組中，隨著玻璃纖維的加入，相位角進(jìn)一步降低，而 G^*/sinδ 值顯著提升，尤其是在 15% PU+5%GF 組中，車轍因子達(dá)到5. 9kPa ，高于單一 15% 聚氨酯組的 5.1kPa 。這表明玻璃纖維的增強(qiáng)作用與聚氨酯的交聯(lián)作用形成了協(xié)同效應(yīng)，共同提高了瀝青的高溫抗車轍能力，同時優(yōu)化了其黏彈性。

2.4混合料性能測試

2.4.1低溫性能試驗

低溫劈裂試驗結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著聚氨酯摻量的增加，劈裂強(qiáng)度逐漸提高，這是由于聚氨酯在低溫下增強(qiáng)了瀝青的韌性和抗裂性。相比單一聚氨酯改性組，復(fù)合改性組的劈裂強(qiáng)度更高，尤其是 15% PU + 5% GF組達(dá)到3.38 MPa ，較 15% PU改性瀝青提升了23. 8% 。玻璃纖維的加入通過分散低溫應(yīng)力并阻止裂紋的擴(kuò)展，提高了混合料在低溫下的抗裂能力。這一結(jié)果表明，復(fù)合改性混合料在增強(qiáng)混合料低溫性能方面具有顯著優(yōu)勢。

2.4.2浸水馬歇爾試驗

浸水馬歇爾試驗結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，單一聚氨酯改性組的殘留穩(wěn)定度隨著摻量的增加逐步提高， 15%PU 組達(dá)到 90% 。復(fù)合改性組的殘留穩(wěn)定度更高，尤其是 15%%%+5% GF組達(dá)到 93% ，顯示出優(yōu)異的抗水損傷能力。玻璃纖維通過其分散性和高強(qiáng)度構(gòu)建了更加穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，同時增強(qiáng)了混合料的抗水損能力。聚氨酯的交聯(lián)作用則提高了瀝青基質(zhì)與骨料之間的黏結(jié)力，兩者協(xié)同作用顯著提高了混合料的水穩(wěn)性。

2.4.3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，基質(zhì)瀝青的抗壓強(qiáng)度為 4.2MPa ，隨著聚氨酯摻量的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸提高。單一聚氨酯改性組中， 15% PU的抗壓強(qiáng)度達(dá)到 5.6MPa ，表明聚氨酯的交聯(lián)作用有效增強(qiáng)了瀝青的抗壓能力。復(fù)合改性組的抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提高，尤其是 15%PU+5% GF組，抗壓強(qiáng)度達(dá)到6.2MPa ，較基質(zhì)瀝青提高了 47.6% 。這是由于玻璃纖維在瀝青中形成了骨架支撐結(jié)構(gòu)，能夠有效承受和分散壓縮應(yīng)力，從而顯著提高了混合料的抗壓性能。聚氨酯與玻璃纖維的協(xié)同作用進(jìn)一步優(yōu)化了瀝青的力學(xué)性能。

2.4.4劈裂疲勞試驗

從圖8試驗結(jié)果可以看出，基質(zhì)瀝青的疲勞壽命為2437次，說明其抗疲勞能力有限；在聚氨酯改性組中，隨著聚氨酯摻量的增加，疲勞壽命逐漸提升，這表明聚氨酯通過其化學(xué)交聯(lián)增強(qiáng)了瀝青的彈性和耐久性。在 15% PU改性組中，疲勞壽命達(dá)到了4718次，表現(xiàn)出顯著的抗疲勞性能提升。

在復(fù)合改性組中，疲勞壽命整體高于單一聚氨酯改性組，尤其是在 15%PU+5% GF組中，疲勞壽命達(dá)到了6073次，比基質(zhì)瀝青提升了約2.5倍。這種提升效果得益于玻璃纖維在混合料中的骨架增強(qiáng)作用，有效地抑制了裂紋的萌生和擴(kuò)展。此外，聚氨酯的柔性和彈性特性與玻璃纖維的高強(qiáng)度協(xié)同作用，使材料在重復(fù)荷載作用下保持了良好的完整性和耐久性。

總體來看，復(fù)合改性組中的疲勞壽命具有一定的波動性，反映了試驗中材料微觀結(jié)構(gòu)和纖維分布的不均勻性。這種隨機(jī)性在實際路面應(yīng)用中也是不可避免的，但無論是在抗裂性還是耐久性方面，復(fù)合改性組均表現(xiàn)出更優(yōu)的綜合性能，尤其是在高摻量的情況下效果最為顯著。

3結(jié)語

（1）通過本文研究表明，聚氨酯和玻璃纖維的復(fù)合改性顯著增強(qiáng)了瀝青的高溫穩(wěn)定性，軟化點提升明顯，復(fù)合改性組中的高溫抗流變性能優(yōu)于單一聚氨酯改性組，體現(xiàn)出更強(qiáng)的抗車轍能力。這一改性方式為高溫氣候條件下的道路建設(shè)提供了有效的技術(shù)支持。

（2）復(fù)合改性瀝青的低溫劈裂強(qiáng)度和疲勞壽命均顯著提高。尤其是玻璃纖維和聚氨酯比例分別為 5% 和15% 時，材料在低溫條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的柔性和抗裂能力，同時疲勞壽命較基質(zhì)瀝青提升約2.5倍，說明復(fù)合改性對提高瀝青混合料的低溫抗裂性和耐久性效果顯著。

（③玻璃纖維通過物理增強(qiáng)作用改善了瀝青的強(qiáng)度和韌性，而聚氨酯通過化學(xué)交聯(lián)提供了更好的黏彈性，兩者的協(xié)同作用使得改性瀝青在高低溫、耐疲勞和抗水損方面展現(xiàn)了優(yōu)異的綜合性能。因此，聚氨酯復(fù)合玻璃纖維改性是一種有效且可行的瀝青改性方式，適用于多種嚴(yán)苛的氣候和交通條件。

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