关键词：改性沥青 | 聚氨酯 | 混合料 | 路用性能

随着经济的快速发展，道路交通量迅速增长，路面交通负荷增大，超载、重载问题突出，对沥青路面的路用性能和耐久性提出了更高要求。而基质沥青作为一种传统路面材料，存在温度敏感性高、强度低、易老化、脆点高等性质缺陷[1，2]，其性能难以满足目前道路建设的需求。因此，对基质沥青进行改性，改善其路用性能，提高沥青路面耐久性已成为交通行业的发展趋势。随着高性能聚合物材料研发进展，大量性能优异的聚合物材料被应用于道路工程领域。聚氨酯作为一种性能优异的聚合物材料，掺入基质沥青后能够改善基质沥青高低温性能[3]。将聚氨酯作为新型沥青改性剂是改善沥青性质的新方向，Salas Miguel Angel[4]利用废旧聚氨酯泡沫材料对基质沥青进行改性，制备出聚氨酯掺量为4%改性沥青，发现聚氨酯作为沥青改性剂可提高基质沥青的高、低温性能。Behrokh Bazmara[5]研究了热塑性聚氨酯改性沥青的基本性能，通过DSR试验发现聚氨酯对基质沥青的高温稳定性具有显zhu改善作用。班孝义[6]对比不同类型聚氨酯改性沥青的高低温性能，确定了聚醚型聚氨酯对基质沥青的改性效果zui好，聚酯型聚氨酯改性沥青存在水解特性。孙铭鑫[7]研究了聚氨酯空隙弹性路面混合料的性能，测试混合料的路用性能，表明聚醚型聚氨酯PERS混合料具有优异的抗车辙性能。郭根才[8]等研究了30%和50%掺量聚氨酯改性沥青混合料的高温性能，利用荧光显微镜分析不同制备工艺和养生时间对改性沥青性能的影响。

聚氨酯材料种类繁多，不同类型产品性能差异较大，将其作为沥青改性剂及相应改性混合料的研究和应用成果较少。本文研究了聚氨酯改性沥青的基本指标，确定聚氨酯的掺量范围，设计混合料的级配，对聚氨酯改性沥青混合料的路用性能进行研究，根据试验结果评价其路用性能。

聚氨酯改性沥青基本指标

采用某公司生产的溶液型聚氨酯（以下简称PU）产品对基质沥青进行改性，改性沥青针入度、软化点和延度指标测试结果见表1。

由表1可以看出，随着掺量的增加，沥青的针入度和延度逐渐降低，软化点逐渐升高。掺量小于20%，PU对基质沥青的改性作用不明显；掺量大于30%，改性沥青的针入度和延度降低，符合SBS类Ｉ-Ｄ型的性能要求。因此，为保证改性沥青具有均衡的高低温性能，确定PU掺量为20%~30%，制备PU改性沥青，进行混合料设计。

PU改性沥青混合料级配设计

集料技术指标

(1)粗集料：粗集料采用浙江产玄武岩碎石，集料石质坚硬、干燥、无杂物，不含风化颗粒，其技术指标见表2。

(2)细集料：细集料采用浙江产的石灰岩机制砂，细集料洁净、干燥、无杂质且颗粒级配适当，技术指标见表3。

级配设计

选用AC-13矿料级配，依据技术规范中的级配设计范围，采用马歇尔设计法进行矿料级配设计，参考Superpave控制点和限制区优化混合料级配，见图1和表4。采用马歇尔设计方法确定混合料zui佳沥青用量[9]，以试验测得的集料密度计算混合料有效相对密度γse，结果见表5。

确定zui佳油石比

采用马歇尔试验方法确定基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料、20%和30%掺量PU改性沥青混合料的zui佳油石比。首先以±0.5为间隔，成型6组不同油石比马歇尔试件，将PU改性沥青混合料试件置于60℃恒温加热箱中养生6h；其次对6组试件的物理和力学性能进行测试，得到20%掺量PU改性沥青混合料试验结果见表6，按照现行沥青路面施工技术规范中确定沥青zui佳用量的方法确定PU改性沥青的zui佳用量；采用同样方法确定其他3种混合料的zui佳油石比。

掺加PU使沥青黏度增大，流动性降低，为保证PU改性沥青能够与集料拌和均匀，需要增加其用量，提高拌和温度。20%掺量PU改性沥青混合料的zui佳油石比为5.7%，其中PU质量占比16.7%，基质沥青质量占比83.3%；其zui佳油石比中沥青实际占比4.7%，PU占比1.0%。相关研究表明沥青与集料相互作用的过程和性质是影响混合料强度的主要因素，沥青与集料的黏附过程分为润湿、吸附以及黏附力的形成3个阶段[10]，只有当沥青充分润湿集料时，沥青中的极性物质才能与集料相互作用；当基质沥青混合料油石比低于4.7%时，集料表面沥青膜较薄，油石界面黏结强度较小，混合料的强度未达到zui优。PU与基质沥青固化后聚合物的分子量比基质沥青的大，在吸附过程中难以进入集料表面的裂纹、孔隙和纹理中形成稳定的油石界面。因此，随着PU改性沥青中PU掺量的增加，混合料的油石比增大。

PU改性沥青混合料路用性能

高温性能

采用车辙试验分析PU对基质沥青混合料高温性能的改性效果。按照试验规程方法成型4种混合料车辙试件，其中20%和30%掺量PU改性沥青混合料试件需置于60℃恒温加热箱中养护6h，之后在室温下冷却10h。试验温度为60℃，轮压为0.7MPa，轮碾速率42次/min，试件保温5h后进行车辙试验，结果见表7和图2。

由表7可以看出，4种沥青混合料动稳定度指标均满足规范要求，其高温性能由高到低依次为：30%掺量PU改性沥青混合料、20%掺量PU改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料、基质沥青混合料，掺入PU后改性沥青的高温性能得到显zhu改善。其中20%和30%掺量PU改性沥青混合料的动稳定度比基质沥青混合料的提高4.7倍和9.1倍，比SBS改性沥青混合料的提升1.1倍和2.0倍。

由图2可以看出，掺入PU后，混合料车辙变形量显著降低，车辙变形量随着其掺量增加而降低。4种混合料中30%掺量PU改性沥青混合料在45min和60min的变形量zui小，表明PU能提升混合料抵抗高温变形能力，掺量越大改性效果越显著。

溶液型热塑性PU掺入基质沥青后，溶液中的异氰酸酯基团与基质沥青中的活性氢发生固化反应[11]。固化后形成的聚合物分子结构中含有大量强极性的硬链段，可进一步提升基质沥青的弹性和强度[12]，改变基质沥青中黏弹性成分的比例，增加弹性成分，提升其抗剪切变形能力，改善其高温性能。

低温性能

依托低温小梁弯曲试验评价混合料的低温性能。按照规程中的方法成型4种混合料的车辙板，切制小梁试件。试验温度-10℃，中点加载，加载速率5cm/min，试件在保温2h后进行低温小梁弯曲试验，结果见表8。

由表8可以看出，掺入PU后混合料的弯曲劲度降低，弯拉应变变化不明显，表明PU对混合料低温性能也具有显zhu改善作用。30%掺量PU改性沥青混合料的弯曲劲度zui低，低温性能zui好。由于PU是一种具有优异高低温性能的材料[13]，其分子结构中的软、硬链段对基质沥青的高低温性能均具有改善作用，软链段能增加基质沥青的柔性[14]，提升其低温性能。

水稳定性

采用浸水马歇尔试验评价混合料的水稳定性。成型4种混合料的浸水马歇尔和冻融劈裂马歇尔试件，PU改性沥青混合料试件需置于60℃恒温养生箱中养护6h。然后将浸水马歇尔试件分为两组，一组置于60℃水浴箱中浸泡48h，另一组水浴0.5h后，分别测定两组试件的马歇尔稳定度，结果见表9。

由表9可以看出，4种混合料的残留稳定度值均满足规范要求，随着PU掺量增加，PU改性混合料的残留稳定度先增大后降低。PU改性沥青固化后，PU分子与基质沥青分子形成稳定的空间网状结构，改善了沥青的分子结构，使混合料强度增加。

PU掺量超过30%后，改性沥青中PU比例增加，其分子结构中的氨基甲酸酯、脲基、脲基甲酸酯基等基团在一定条件下会发生水解反应[15]，水分子可使原分子链从这些基团处断裂，使分子链长度、分子量降低，导致PU综合性能降低，且其水解属于化学结构上的不可逆过程[16]，降低了PU改性沥青混合料的水稳定性。

结语

采用溶液型热塑性PU改性基质沥青，获得了PU改性沥青的针入度、软化点和延度指标，并与基质沥青、SBS改性沥青对比评价其改性效果。根据基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料和PU改性沥青混合料的路用性能对比试验，得到以下结论。

(1)通过测试不同掺量PU改性沥青的针入度、软化点和延度指标，确定PU掺量范围为20%~30%，采用马歇尔混合料设计方法得到不同掺量PU改性沥青混合料zui佳油石比。

(2)PU对基质沥青高、低温性能改性效果优异，PU改性沥青混合料高温性能显著提升。

(3)对比4种混合料路用性能试验结果可知：30%掺量PU改性沥青混合料的高低温性能zui好，强度zui高；但掺量超过30%后，PU改性沥青混合料的水稳定性能有一定程度降低。

(4)PU作为一种性能优良的高分子聚合物材料，广泛应用于各个行业中，针对不同行业生产的产品种类繁多，性能差异较大，而将其作为沥青改性剂的研究和应用正处于积极探索阶段，目前还未有针对道路工程使用特性研发的产品，与应用较广的SBS等改性剂相比，PU掺量偏大，在后期研究中应尝试更多不同类型的PU材料，降低PU掺量。

参考文献：

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[6]班孝义.聚氨酯(PU)改性沥青的制备与性能研究[D].西安:长安大学,2017.

[7]孙铭鑫.聚氨酯空隙弹性路面混合料的性能研究[D].南京:东南大学,2016.

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全文完 发布于《公路》2021年第10期 

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