聚氨酯改性沥青混合料路用性能研究

曾保国

(衡阳公路桥梁建设有限公司， 湖南 衡阳 421001)

聚氨酯改性沥青混合料路用性能研究

曾保国

(衡阳公路桥梁建设有限公司， 湖南 衡阳 421001)

介绍了聚氨酯改性沥青混合料的试验原材料及混合料配合比，利用车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔和冻融劈裂试验对聚氨酯改性沥青混合料的高低温性能及水稳定性进行了测试，并将测试结果与基质沥青和SBS改性沥青混合料作比较。试验结果表明，聚氨酯可以有效改善混合料的高低温性能，但水稳特性偏低，有待进一步研究。

聚氨酯； 改性沥青混合料； 路用性能

0 引言

据不完全统计，截止到2016年12月，我国公路建设完成投资15893亿元，同比增长6.5%。沥青路面在这些新建公路中的所占比例越来越大，但是我国沥青路面的路用性能不佳，路面的使用寿命有待提高，路面建设投资大，建设过程中资源利用不合理，环境污染严重等问题是我国建设沥青路面急需解决的问题[1]。开发出一种新型的改性沥青并深入探讨其路用方面的性能是研究学者面临的重大课题。本文将聚氨酯材料加入到沥青中制备聚氨酯改性沥青，以期可以获得良好的路用性能和使用价值。

1 原材料及配合比

1.1 试验原材料

1.1.1 沥青

采用东莞泰和沥青有限公司生产的埃索70#A级基质沥青和70#SBS — I — D改性沥青。其各项技术指标都满足施工规范要求，测试结果见表1和表2。

表1 70#A级基质沥青类别针入度(25℃,5s,100g)/(0.1mm)软化点/℃15℃延度/cm60℃动力粘度/(Pa·s)25℃相对密度TFOT后质量变化/%残留针入度比(25℃,5s,100g)/%残留延度(10℃,5cm/min)/cm试验结果6648.1>1002311.0450.1063.87.2规范要求60～80≥47≥100≥180实测±0.8≥63≥6

表2 70#SBS—I—D改性沥青试验结果类别针入度(25℃,5s,100g)/(0.1mm)针入度指数PI软化点/℃5℃延度/cm135℃运动粘度/(Pa·s)贮存稳定性离析,48h软化点差/℃25℃弹性恢复/%25℃相对密度TFOT后质量变化/%残留针入度比(25℃,5s,100g)/%残留延度(5℃,5cm/min)/cm试验结果51.80.4782.825.62.72.1951.024-0.278.523.6规范要求30～60≥0≥60≥20≤3≤2.5≥75实测±1.0≥65≥15

1.1.2 聚氨酯

试验选用河北某化学材料公司生产的聚氨酯材料，外观灰白色，密度约为1.1 g/cm3。聚氨酯是分子结构主链中具有-NH-COO-基团的一种聚合物。它是由异氰酸酯和羟基类化合物聚合而成，分子组成中含有较强极性的-NH-COO-基团，极难溶于非极性化合物。这种材料与沥青接触时会产生固化反应，固化的速率是与其所处环境和温度有很大关系的，一定范围内随着温度的升高而加快，其固化时间也相应的缩短[2]。

1.1.3 矿料

在沥青混合料性能研究时，其矿料组成主要包括石灰岩和玄武岩，粗级配使用玄武岩，细级配使用石灰岩，矿粉选择用石灰岩矿粉。同时按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42 — 2005)要求，对矿料的各项指标进行测试，其试验结果如表3～表5所示。

表3 玄武岩粗集料试验结果类别压碎值/%洛杉矶磨耗损失/%坚固性/%针片状颗粒含量/%软石含量/%与改性沥青的粘附性/级试验值16.115.84.75.61.95技术要求 ≤26(T0316)≤28(T0317)≤12(T0314)≤12(T0312)≤3(T0320)≥5(T0616) 注:括号内为试验方法。

表4 石灰岩细集料试验结果类别表观相对密度坚固性/%含泥量(<0.075mm)/%砂当量/%实测值2.698380.873.4技术要求 ≥2.5(T0328)≥12(T0340)≤3(T0333)≥60(T0334) 注:括号内为试验方法。

表5 石灰岩矿粉试验结果类别表观相对密度含水量/%外观亲水系数实测值2.7280.5无结团0.5技术要求 ≥2.5(T0352)≤1(T0103烘干法)无结团 <1(T0353) 注:括号内为试验方法。

1.2 混合料配合比设计

本试验研究选用AC — 13矿料级配，通过马歇尔试验得出的体积参数进一步优化矿料级配，且满足规范要求的沥青混合料级配范围。具体矿料级配见图1所示。

图1 矿料级配

针对上述级配，根据已有的实验数据，估算油石比，在预估油石比的基础上，按照0.3%的差值取值，定5个试验油石比：4.5%、4.8%、5.1%、5.4%、5.7%，进行马氏试验。分别测试出混合料试件的体积参数指标，最终确定出最佳油石比为5.17%。

2 沥青混合料性能评价

2.1 高温稳定性

沥青路面的高温稳定性是一项十分重要的指标。目前用来预估沥青路面高温指标的方法中车辙试验，主要使用车辙试验仪使试件在车轮荷载重复作用下产生推移、流动剪切变形，其目的是模拟在夏季高温条件下，测定路面在车辆荷载下，混合料抵抗永久变形的能力，以动稳定度指标来评价其高温性能[3]。车辙试验结果见表6所示。

表6 车辙试验结果混合料类型形变差/mm动稳定度DS/(次·mm-1)基质沥青0.225280030%聚氨酯0.073863050%聚氨酯0.05810862SBS0.1753600

表6可知: 试验改性沥青试样的动稳定度均大于3000次/mm，满足规范要求。且其从大到小的排列顺序为：50%聚氨酯>30%聚氨酯>SBS改性沥青>基质沥青，说明聚氨酯的加入明显提高了沥青混合料的高温稳定性。另外通过比较掺聚氨酯的混合料和SBS改性沥青及基质沥青的形变差可以看出，4种混合料的相对变形量相差也较大，由此可以看出聚氨酯改性沥青更容易达到设计的压实度，且其高温抗车辙性能要明显优于SBS及基质沥青。

2.2 低温性能

沥青混合料通常具有热粘弹性，当温度较高，且降温速率较慢时，沥青混合料内部的温缩应力会因为应力松弛而自动变小，不影响路面的使用质量。但在气温较低，温度下降速度快的环境中，沥青路面表现出弹性材料的特性，温缩应力不能通过应力松弛而消失，从而使温缩应力不断集聚，路面最终出现温缩断裂[4]。目前用于沥青混合料低温抗裂性能评价的主要实验方法包括劈裂试验、低温弯曲试验、受限试件温度应力测试、应力松弛测试等。本文通过小梁弯曲试验来检验混合料的低温特性，试验结果见表7所示。

表7 低温弯曲试验结果类型挠度/mm弯曲极限应变/10-6破坏弯拉强度/MPa弯曲劲度模量/MPa基质沥青0.632485.88.013221.830%聚氨酯0.562947.56.722279.350%聚氨酯0.823972.67.141796.4SBS0.503025.98.872930.7

表7可知: 通过分析可以发现在4种不同的沥青混合料中，50%聚氨酯试件断裂时应变最大，30%聚氨酯沥青断裂应变仅次于SBS两者差别不大，在同一温度下，破坏应变越大，低温性能越好。由此可知，聚氨酯的低温性能要优于SBS沥青和基质沥青，聚氨酯的使用有助于低温性能的改善。另外4种混合料的劲度模量从大到小依次为：基质沥青>SBS改性沥青>30%聚氨酯>50%聚氨酯，进一步说明了，聚氨酯改性沥青相比SBS沥青温和基质沥青具有更好的低温柔韧性。

2.3 水稳定性

水损害的破坏机理为：在道路积水或者冰冻循环时，车辆的反复行驶，使得混合料缝隙中的积水形成动水压或负压抽吸作用，积水在动水压的作用下对集料和沥青的接触面产生切削和冲刷作用，沥青的粘附性因此而降低，矿料和黏结料脱离，最终使路面因掉粒、松散等形成坑槽等病害[5]。在评价混合料的抗水损能力时，需要考虑两方面因素，一方面测试沥青和石料的黏结能力，采用水煮法、水浸法等试验方法；另一方面测试混合料的承受水损强度，通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验[6]。本次选用冻融劈裂和浸水马歇尔法，评价沥青混合料的抵抗水损能力。其试验结果见表8所示。

表8 冻融劈裂试验结果混合料类型最大荷载/kN劈裂强度/MPa冻融前冻融后冻融前冻融后强度TSR/%基质沥青9.697.800.910.7683.530%聚氨酯8.654.100.760.4255.350%聚氨酯9.175.240.870.5967.7SBS8.757.691.100.9485.50

表8可知: 从4种混合料的冻融劈裂强度比中可看出基质沥青和SBS都满足要求，但掺了聚氨酯的混合料强度比却达不到规范要求。SBS沥青其冻融劈裂强度比高于聚氨酯，由此可以看出聚氨酯沥青具有不良的水稳定性，聚氨酯的加入，并未能提升沥青的水稳定性。

3 结论

1) 通过车辙试验结果可知，从4种混合料的动稳定度大小关系上说明聚氨酯的加入明显提高了沥青混合料的高温稳定性。此外从形变量上可以看出聚氨酯改性沥青更容易达到设计的压实度，且其高温抗车辙性能要明显优于SBS及基质沥青。

2) 通过低温小梁弯曲试验结果可以看出，聚氨酯的掺量越高其混合料破坏应变就越大，掺加30%聚氨酯的破坏应变与SBS相差不大，在一定范围内，聚氨酯的低温性能要优于SBS沥青和基质沥青，聚氨酯的掺加有助于低温性能的改善。且4种混合料的劲度模量大小关系也进一步说明了聚氨酯改性沥青相比SBS沥青温和基质沥青具有更好的低温抗裂性。

3) 通过冻融劈裂试验结果可以看出，聚氨酯改性沥青混合料的强度比满足不了规范要求，SBS与基质沥青的冻融劈裂强度比远高于聚氨酯。聚氨酯沥青具有不良的水稳定性，聚氨酯的加入，并未能提升沥青的水稳定性。聚氨酯改性沥青混合料的低温性能还有待进一步的研究。

[1] 姚凯. 沥青路面研究与应用绿色技术进展[J]. 城市道桥与防洪,2016(4):25-28，6-7.

[2] 刘颖,辛星. 道路用聚氨酯改性沥青的性能研究[J]. 石油沥青,2015(1):48-53.

[3] 夏磊,张海燕,曹东伟,等.蓖麻油基聚氨酯改性沥青的性能研究[J]. 公路交通科技,2016(10):13-18.

[4] 魏冬. 硫磺改性沥青混合料高温性能研究[J]. 四川水泥,2016(9):297.

[5] 舒睿. 聚氨酯改性沥青及其混合料的性能研究[D].北京：北京建筑大学,2016.

[6] 舒睿,张海燕,曹东伟，等.聚氨酯改性沥青混合料性能研究[J]. 公路交通科技(应用技术版),2015(12):142-144，161.

2016-07- 21

曾保国( 1977-) ，男，工程师，主要从事高速公路建设管理。

1008-844X(2017)01-0070-03

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