道路用聚氨酯改性沥青的制备工艺探讨

李 夏

（中路高科交通检测检验认证有限公司，北京 100088）

采用聚氨酯作为沥青改性剂，拥有远超传统聚合物改性剂的弹性恢复能力、耐久性能，可对车辆负荷、环境荷载等因素下的塑性变形产生一定抵抗能力，有利于沥青道路使用寿命的延长、使用品质的提升。聚氨酯改性沥青的诞生，不仅使我国改性沥青品种得到丰富，更是将公路运营维修成本降低，同时也实现了沥青路面行车舒适度的提升。

1 试验部分

1.1 试剂和材料

70#沥青；端异氰酸酯预聚体；聚合物多元醇；有机金属催化剂；1,4-丁二醇；偶联剂。

1.2 试验步骤

一定量的基质沥青在加热条件下，到达预期温度，先持续1h 恒定转速剪切，紧接着将聚合物多元醇、扩链剂、偶联剂按比例于1h 内一次加入[1]。在完成上述操作之后，加入端异氰酸酯预聚体、催化剂，持续2h 共混，完成聚氨酯改性沥青的制备。

2 沥青改性共混设备

2.1 螺旋桨叶轮搅拌器

该搅拌器是一种常用的改性沥青制备共混设备，结合搅拌叶作用而言，螺旋桨叶具有更强的排出能力，在需要剪切力的分散反应等场合不适应，黏度偏高的介质中也不适用，基本只能在2～3Pa·s 介质黏度的螺旋桨搅拌中使用。在制备聚氨酯改性沥青时不适用。

2.2 圆盘锯齿式搅拌器

该搅拌器的金属圆盘外缘处有锯齿形叶片，叶轮锯齿状叶片处于高速回转状态时，四周产生强有力的剪切力。在形成剪切力时，基本会消耗叶轮输入能量的75%。罐内介质在以轴为中心的涡流形成中被使用，因各个叶片拥有不同角度，所以叶轮于半径方向会形成由内至外、直达罐壁的剧烈流动，在罐壁上下方向转换之后会有涡流形成，且于罐内形成整体循环的螺旋流。

3 结果与讨论

3.1 正交试验结果

制备工艺可在极大程度影响聚氨酯改性沥青性能，首先采用80mm 叶轮、115mm 容器作为改性沥青制备试验的配套用具。其次，确定搅拌器转速、一次搅拌量、共混温度、改性剂掺量等主要的4 个工艺参数，通过3 水平4 因素的正交试验（假设因素间不存在交互作用），对比分析挑选最佳工艺组合，表1 为各水平的具体参数。

表1 聚氨酯改性沥青制备工艺因素水平

根据软化点指标进行聚氨酯改性沥青制备工艺的筛选、优化，软化点试验测试的依据为标准JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规范》。

根据测试结果极差大小发现：有关改性沥青软化点影响的各因素中，依据大小顺序排列为B＞A＞C＞D。影响软化点的因素中，一次搅拌量至关重要；其次为搅拌器转速和共混温度；最小的为改性剂掺量[2]。之所以如此，是因为聚氨酯改性沥青属于反应型聚合物改性沥青，要想充分进行化学反应，就必须确保采用的共混设备适宜——圆盘锯齿式搅拌器，在试验条件达标、反应体系剪切力足够、流动性剧烈条件下，可将预期改性效果达成。从聚氨酯改性沥青反应体系而言，此次正交试验选取的3 个改性剂掺量水平并未造成太大影响。

3.2 聚氨酯改性剂掺量确定

试验条件：采用配套115mm 容器、80mm 叶轮，175℃共混温度，圆盘锯齿式搅拌器1400r/min转速，一次300g 搅拌量。分别在0.31%、0.62%、1.05%、1.57%、2.18%、3.14%、4.27%、5.00%、6.28%、8.00%等改性剂掺量变化条件下，分析评价改性沥青软化点中改性剂掺量的影响结果。

测试结果表明，改性剂掺量增多，聚氨酯改性沥青软化点会增大，呈现出先慢后快的增大趋势。就改性沥青软化点中聚氨酯改性剂掺量构成的影响来说，可划分为两阶段：第一阶段，掺量超过4.27%时，增加改性剂掺量会显著提升改性沥青软化点；第二阶段；掺量低于4.27%时，改性沥青软化点会随着改性剂掺量的增加而增大[3]。在对比分析聚氨酯改性沥青技术指标要求后，综合确定改性剂掺量为4.27%。

3.3 试验验证及性能评价

通过正交试验获得最优组合为A(3)、B (2)、C(2)、D(1)的聚氨酯改性沥青制备工艺，确定了采用88mm 叶轮、115mm 容器、圆盘锯齿式搅拌器（转速1400r/min）、175℃共混温度、改性剂掺量4.27%、单次搅拌300g 的制备工艺参数[4]。然而该组合并未出现在上述正交试验组别中，所以需验证。结合JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，测定聚氨酯改性沥青性能，而聚氨酯改性沥青混合料则是依据AC-13级配展开综合评价，表2 为试验结果。

表2 聚氨酯改性沥青混合料试验结果

根据表2 可知，聚氨酯改性沥青具有优异的水稳定性、储存稳定性且耐老化、耐高温，拥有明显比普通聚合物改性沥青更高的车辙因子G*/sinδ 和15℃动态模量，基本能够将高模量沥青要求达成。

4 结论

本研究通过试验测试结果将聚氨酯改性沥青共混设备确定——圆盘锯齿式搅拌器。结合不同改性剂掺量单因素试验，经过对比分析之后，确定了采用88mm 叶轮、115mm 容器、圆盘锯齿式搅拌器（转速1400r/min）、175℃共混温度、改性剂掺量4.27%、单次搅拌300g 的制备工艺参数。最优条件下制备的聚氨酯改性沥青具有优异的水稳定性、储存稳定性且耐老化、耐高温，拥有明显比普通聚合物改性沥青更高的车辙因子G*/sinδ和15℃动态模量，基本满足高模量沥青要求。