房 明 唐國(guó)奇 王 涵* 高國(guó)華 朱新遠(yuǎn)

(1.山東高速工程咨詢集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南250014)

(2.國(guó)路高科(北京)工程技術(shù)研究院有限公司 北京100083)

(3.山東高速工程檢測(cè)有限公司 山東濟(jì)南250014)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，車輛重載、超載問(wèn)題凸顯，對(duì)瀝青路面的路用性能提出了更高的要求[1－3]。但基質(zhì)瀝青會(huì)由于高溫變軟發(fā)黏，低溫脆裂[4－5]。針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)了多種瀝青改性劑，包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、丁苯橡膠(SBR)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、多聚磷酸(PPA)、聚氨酯等[6－8]。

聚氨酯作為一種瀝青改性劑能夠提高瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫柔韌性，具有很大的應(yīng)用價(jià)值[9]。夏磊等[10]以蓖麻油聚氨酯預(yù)聚物制備了改性瀝青，李彩霞[11]采用聚氨酯(液態(tài))改性瀝青，聚氨酯改性后的瀝青混合料具有良好的高低溫性能。賈曉軍等[12]采用干拌法制備聚氨酯改性瀝青混合料，當(dāng)聚氨酯預(yù)聚體摻量5%時(shí)，混合料馬歇爾穩(wěn)定度最大。但文獻(xiàn)報(bào)道多為聚氨酯預(yù)聚物對(duì)瀝青改性，用熱塑性聚氨酯彈性體改性瀝青的研究較少。

本工作對(duì)聚氨酯彈性體改性后的瀝青性能和瀝青混合料的高低溫性能及水穩(wěn)定性進(jìn)行研究，以期為相關(guān)領(lǐng)域研究及推廣提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

試驗(yàn)采用殼牌(中國(guó))有限公司70?；|(zhì)瀝青(A級(jí))，基質(zhì)瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 70?；|(zhì)瀝青性能指標(biāo)

熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)改性劑(聚醚型、顆粒狀)，山東一諾威聚氨酯股份有限公司，其熔融溫度149℃，拉伸強(qiáng)度25.9 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為770%，邵A硬度68。相容劑為馬來(lái)酸酐，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

粗集料(粒徑＞4.75 mm)為玄武巖，細(xì)集料(粒徑＜4.75 mm)為石灰?guī)r，粗細(xì)集料及礦粉相關(guān)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。

1.2 聚氨酯改性瀝青及其混合料制備

聚氨酯改性瀝青(APU)制備過(guò)程分為溶脹、剪切、發(fā)育3步。首先將基質(zhì)瀝青熔化并升溫至160℃，將TPU改性劑和相容劑(瀝青質(zhì)量0.5%)緩慢加入到瀝青中，低速攪拌溶脹30 min后升溫至170℃，高速剪切30 min(4 500 r/min)，隨后160℃放置20 min，最后在160℃下剪切20 min(3 000 r/min)，得到APU，制備工藝如圖1所示。

圖1 聚氨酯改性瀝青制備工藝

APU中TPU摻加量(內(nèi)摻)分別為4%、8%、12%、16%、20%，制備的APU樣品編號(hào)分別為APU-4、APU-8、APU-12、APU-16、APU-20。

固定溫度下，將APU與石料拌和均勻后置于模具碾壓成型，得到瀝青混合料樣品。其車轍(小梁彎曲)試件及馬歇爾穩(wěn)定度試件的制樣成型分別按照交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG E20—2011的T0703和T0702進(jìn)行。級(jí)配采用AC-13(級(jí)配中值)，油石比(瀝青或改性瀝青與石料的質(zhì)量比值)為4.9%。

1.3 性能測(cè)試

APU的針入度、軟化點(diǎn)、延度、RTFOT老化、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)、彎曲蠕變勁度試驗(yàn)、瀝青混合料車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)按照交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG E20—2011進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚氨酯改性瀝青性能

2.1.1 改性瀝青基本性能

聚氨酯改性瀝青的基本性能如表2所示。

從表2可以看出，隨著改性劑TPU摻量增加，APU針入度逐漸降低，軟化點(diǎn)和延度逐漸升高。當(dāng)TPU的摻量達(dá)到8%以上，APU的延度快速增加，當(dāng)摻量超過(guò)16%，APU延度超過(guò)100 cm。試驗(yàn)結(jié)果表明，改性劑TPU明顯改善了瀝青的柔韌性和熱穩(wěn)定性，從性能和經(jīng)濟(jì)性考慮，TPU摻量12%～16%為宜。

表2 不同TPU摻量聚氨酯改性瀝青基本性能

2.1.2 改性瀝青高溫性能

瀝青是一種黏彈性材料，溫度升高瀝青會(huì)轉(zhuǎn)向流動(dòng)態(tài)，從而黏性、相位角(δ)變大，彈性、復(fù)數(shù)剪切模量(G*)減小，易產(chǎn)生永久變形。動(dòng)態(tài)剪切流變中G*/sinδ(車轍因子)值越大，瀝青高溫流動(dòng)性越小，抗車轍能力越強(qiáng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)試改性瀝青高溫性能，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同摻量瀝青DSR試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可見(jiàn)，隨TPU摻量增加，APU抗車轍因子變大。按美國(guó)AASHTO MP1瀝青分級(jí)，當(dāng)TPU摻量為12%時(shí)，76℃未老化瀝青的G*/sinδ為1.58 kPa(要求G*/sinδ≥1.0 kPa)，76℃和70℃老化瀝青(RTFOT)的G*/sinδ值分別為2.14 kPa和3.03 kPa(要求G*/sinδ≥2.2 kPa)，說(shuō)明APU耐高溫等級(jí)達(dá)70℃，具有較好的高溫性能。

2.1.3 改性瀝青低溫性能

用彎曲梁流變儀(BBR)在－18℃測(cè)定APU蠕變勁度S和蠕變速率m，評(píng)價(jià)APU低溫性能。S值表示瀝青抵抗載荷能力，S值越大，瀝青內(nèi)部應(yīng)力值越大，瀝青越容易開(kāi)裂。m值表示載荷作用時(shí)瀝青勁度變化率，m值越大，瀝青松弛應(yīng)力能力越強(qiáng)，瀝青越不容易發(fā)生低溫開(kāi)裂。不同摻量的APU試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同摻量改性瀝青低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可見(jiàn)，隨著TPU摻量增加，改性瀝青的S值逐漸下降，m值逐漸上升，當(dāng)TPU摻量達(dá)到16%時(shí)，S值和m值趨于平穩(wěn)。當(dāng)摻加量為12%時(shí)，相比于基質(zhì)瀝青，S值下降了33.1%，m值提高了22.3%。這是由于TPU是熱塑性聚合物，達(dá)到熔融溫度后能較好地分散于瀝青中，低溫時(shí)TPU分子鏈賦予改性瀝青良好的低溫柔韌變形能力。隨著TPU摻量增加，其對(duì)瀝青低溫性能改善趨于平穩(wěn)。結(jié)果表明，TPU可以改善瀝青低溫性能，TPU為12%～16%時(shí)APU耐低溫性和經(jīng)濟(jì)性最好。

2.2 聚氨酯改性瀝青混合料

2.2.1 瀝青混合料高溫性能

車轍試驗(yàn)是在60℃測(cè)定瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，反應(yīng)了在試驗(yàn)輪碾壓45～60 min間，單位變形量(mm)進(jìn)行的碾壓次數(shù)，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度越大則高溫性能越好，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，隨著TPU摻量的增加，改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增大，45 min變形量和60 min變形量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這說(shuō)明摻入改性劑TPU的瀝青混合料車轍變形顯著降低，抗車轍性能明顯提高。相比于基質(zhì)瀝青混合料，TPU摻量16%和12%(APU-16和APU-12)的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別提升了4.76和3.93倍。這是由于TPU具有由軟段和硬段組成的嵌段共聚物大分子結(jié)構(gòu)，硬段間通過(guò)氫鍵形成物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，聚氨酯在瀝青中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隨著TPU的增加，瀝青中的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加密，提高了瀝青抵抗變形的能力，改善了瀝青混合料的高溫性能。

圖4 瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 瀝青混合料低溫性能

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫性能，測(cè)試溫度－10℃，6種瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，隨著TPU摻量增大，瀝青混合料最大荷載、抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變及彎曲勁度模量都增大，但當(dāng)TPU摻量超過(guò)12%后，瀝青混合料低溫性能趨于平穩(wěn)。相比于基質(zhì)瀝青混合料，聚氨酯改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變分別提高了50%和76%。試驗(yàn)結(jié)果表明TPU有利于改善瀝青混合料低溫性能。

2.2.3 瀝青混合料水穩(wěn)性能

通過(guò)浸水馬歇爾穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度評(píng)價(jià)6種聚氨酯改性瀝青混合料抗水損害能力，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可見(jiàn)，隨著TPU摻量提高，瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度及殘留穩(wěn)定度先增加后趨于穩(wěn)定。當(dāng)TPU摻量12%，其浸水馬歇爾穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度分別達(dá)到了18.9 kN和91.4%，相比于基質(zhì)瀝青混合料分別提高了110%和8.6%。試驗(yàn)表明，通過(guò)摻加TPU可提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性和抗水損害能力。

圖5 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)以TPU為改性劑添加到基質(zhì)瀝青中，成功制備了一種聚氨酯改性瀝青。

(2)TPU對(duì)瀝青的高低溫性能有顯著提升。當(dāng)TPU摻量為12%時(shí)，APU耐高溫等級(jí)達(dá)到70℃，低溫蠕變勁度下降33.1%，蠕變速率提高22.3%。

(3)TPU有利于改善瀝青混合料的高低溫性能和抗水損害性能。當(dāng)TPU摻量為12%時(shí)，相比于基質(zhì)瀝青混合料，聚氨酯改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別提升了3.93倍，抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變分別提高了50%和76%，浸水馬歇爾穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度分別提高了110%和8.6%。