聚氨酯沥青及混合料性能研究

贾 敏

（晋中市公路建养服务中心，山西 晋中 030600）

0 引言

我国公路建设迅猛发展，沥青路面凭借平整性高，行车舒适等优点已成为我国高等级路面的主要形式。随着车辆荷载的日益增加，高等级公路对沥青路面的性能要求也在提升，尤其是高速公路。为保证沥青路面的路用性能，高速公路常采用改性沥青，常见的改性剂主要可以分为热塑型和橡胶类。然而，近年来许多国内外研究发现，无论是热塑型改性剂还是橡胶类改性，其在对基质沥青进行改性时多为物理改性，没有从根本上提高沥青性质，同时还存在不同程度的离析现象[1-2]。聚氨酯是一种热固性树脂，具有耐磨、高韧和高耐久性的特点，同时其所含的多种官能团可以与沥青发生化学发应，全面提高沥青的使用性能，近年来受到了国内外的广泛关注。孙敏等[3]研究了聚氨酯改性沥青的高温流变特性，结果表明，聚氨酯沥青的黏度高于普通SBS沥青。夏磊等[4]研究了不同掺量聚氨酯改性沥青的性能，发现聚氨酯的掺量并非越多越好，掺量过大时会降低沥青的性能。目前关于聚氨酯沥青的研究多集中在单一因素变量上，如掺量等，而针对沥青改性过程中的其他影响因素研究较少，同时有关不同聚氨酯类型改性剂的研究更是少见报道。为此本文采用正交方法研究了不同因素和水平下聚氨酯改性沥青的性能，以促进聚氨酯改性沥青在道路工程领域的发展。

1 原材料和试验方法

1.1 试验原材料

1.1.1 聚氨酯预聚体

本文的聚氨酯预聚体类型分为3种，一种是聚醚型聚氨酯预聚体，简称JM型。另一种是聚酯型聚氨酯预聚体，简称JZ型。最后一种是PTMEG型聚氨酯，简称PT型。3种聚氨酯预聚体的基本性能如表1所示。

表1 3种聚氨酯预聚体基本性能指标

1.1.2 沥青

本文的基质沥青选用70号基质沥青，主要技术指标如表2所示。沥青的各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）[5]的技术要求。

表2 基质沥青技术指标

1.2 试验方法

1.2.1 聚氨酯沥青的制备

首先将基质沥青加热到流动状态，加入乙二胺扩链剂，采用高速剪切机进行搅拌，剪切时间为30 min，以保证扩链剂在基质沥青中的相同性。之后，将3种不同掺量（10%、15%、20%）的聚氨酯预聚体加热至90℃，放入基质沥青中，在不同剪切温度下以恒定速率（1 200 rmp）剪切30 min，最终制备得到聚氨酯改性沥青。

1.2.2 聚氨酯沥青基本性能指标分析

对不同工艺制备得到的各组聚氨酯沥青进行基本性能指标测试，包括针入度、软化点和延度。根据试验结果确定基质沥青的适宜聚氨酯预聚体类型和最佳制备工艺，为进一步研究做准备。

1.2.3 聚氨酯沥青混合料性能研究

根据上文的研究结果，以最佳制备工艺成型的聚氨酯沥青混合料并进行路用性能分析，包括高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性，各项试验均严格按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[6]要求进行。

2 试验结果与分析

2.1 聚氨酯改性沥青基本性能分析

本文旨在研究不同聚氨酯预聚体在不同影响因素下对基质沥青的改性效果，因此首先进行了L9（33）三因素三水平正交试验设计。其中3种因素分别为预聚体类型、预聚体掺量和剪切温度。预聚体类型三水平分别为JM、JZ和PT型，掺量三水平设置为10%、15%和20%，剪切温度三水平选择100℃，125℃和150℃。正交设计试验的具体方案如表3所示。

表3 聚氨酯改性沥青正交试验设计

按表3的正交试验设计方案进行聚氨酯改性沥青的制备。对制备后得到的聚氨酯改性沥青进行基本性能指标测试，包括针入度、软化点、延度以及弹性恢复。基本性能试验的具体结果见图1所示。

图1 聚氨酯改性沥青针入度

针入度表征了沥青的稠度和硬度，同时可以反映沥青抵抗剪切破坏的能力，是重要的感温性能指标之一。由图1可以看出，加入聚氨酯预聚体后，基质沥青的针入度明显下降，这表明聚氨酯使得基质沥青变硬。基质沥青的针入度在65 mm左右，而加入聚氨酯后，不同水平下的改性沥青的针入度降低到了35～55 mm之间，沥青的抵抗剪切破坏能力明显提升。不同影响因素对聚氨酯改性沥青的效果也有明显区别。首先，聚氨酯类型方面，JZ型聚氨酯和JM型聚氨酯改性后基质沥青的针入度基本相等，保持在46 mm左右，而PT型聚氨酯可以达到40 mm。

相比于聚氨酯类型，掺量对改性效果的影响更明显。当掺量在10%～15%时，聚氨酯的掺量越多，基质沥青的针入度也相应地越低。但继续提高聚氨酯用量时发现，基质沥青的针入度并没有进一步降低。最后，剪切温度对聚氨酯改性沥青的针入度也有较大影响。剪切温度越高，聚氨酯预聚体和基质沥青的相容性越好，出现离析的现象也就越少，因此改性后沥青的整体性能也就更优。

图2 聚氨酯改性沥青软化点

同时，研究认为，聚氨酯改性沥青的储存模量和损耗模量随温度的变化较平缓，而基质沥青则较敏感，这也使得聚氨酯改性沥青的温度稳定性优于基质沥青，如图3所示。

软化点是指沥青由弹性体开始转化为塑性体时的温度，也即沥青由固态开始向流动态转变时的温度，可以反映沥青的高温性能。由图2的结果可以看出，基质沥青软化点受聚氨酯类型的影响要大于针入度。PT改性后沥青的软化点可以达到110℃，显著大于其他两种聚氨酯。同时，掺量对软化点也有很高的关联性，聚氨酯的掺量越高，基质沥青的软化点也越高。掺10%～20%的聚氨酯后，基质沥青的软化点由51℃增加到了84℃～110℃，提升幅度非常显著。

图3 沥青模量测试结果

最后，对聚氨酯改性沥青的延度进行了研究，温度为5℃，以明确聚氨酯对沥青低温性能的影响，如图4所示。与针入度和软化点不同，聚氨酯对沥青的延度改性效果较差。不同水平下的延度试验表明，聚氨酯类型和剪切温度对延度的影响较低，和基质沥青的结果差别较小。而掺量甚至对基质沥青的延度有消极影响，当掺量超过10%时，基质沥青的延度开始出现了降低。因此，从保证沥青低温性能的角度考虑，聚氨酯的掺量不宜过高。

图4 聚氨酯改性沥青延度试验结果

综上所述，综合3种指标下的研究结果可以看出，最佳的聚氨酯改性工艺是以PT型聚氨酯作为改性剂，以15%的掺量在150℃下剪切成型聚氨酯改性沥青。

2.2 聚氨酯改性沥青混合料性能研究

我国的高等级路面常采用沥青玛蹄脂碎石级配（SMA）的沥青混合料，而SMA级配沥青混合料对沥青的黏附性有较高要求，常使用改性沥青。由上文的研究结果可以看出，聚氨酯对沥青的性能具有良好改善效果。因为本节采用最佳工艺下成型的聚氨酯改性沥青制备SMA级配的沥青混合料，其中SMA的级配如表4所示。

表4 SMA-13级配各筛孔通过率

按SMA标准配合比流程进行配合比设计，马歇尔试验的研究结果显示，最佳油石比为6.2%。以最佳油石比成型沥青混合料，并进行相关路用性能试验，包括：高温性能、低温性能和水稳定性能。研究结果如表5所示。

表5 聚氨酯沥青混合料路用性能试验结果

由表5可以看出，按最佳工艺制备的聚氨酯改性沥青成型的沥青混合料，其各项路用性能较基质沥青混合料均有明显提升。聚氨酯沥青混合料的动稳定度达到了4 327次/mm，远大于基质沥青的916次/mm，甚至也高于SBS改性沥青混合料的动稳定度，高温性能非常优越。

此外，沥青混合料的水稳定性方面，聚氨酯沥青混合料的冻融劈裂强度比为91%，基质沥青混合料为82%，SBS沥青混合料为88%。聚氨酯对沥青的水稳定性也具有良好的提升效果。分析认为，聚氨酯提高了沥青的黏结力，使得集料和沥青间的黏结作用得到了增强，从而提高了混合料的抵抗水损坏能力。最后低温方面，聚氨酯对沥青混合料的提升效果要小于高温性能和水稳定性。聚氨酯沥青混合料的弯拉应变为2 615 με，虽然仍高于基质沥青混合料的2 103 με，但小于SBS沥青混合料。因此，在低温性能方面，聚氨酯对沥青混合料的改性效果要劣于SBS改性剂。

分析认为，聚氨酯的玻璃化转变温度通常在11℃左右，当温度低于11℃时，聚氨酯的柔韧性降低，从而更易产生开裂，此时聚氨酯的性能特征在一定程度上影响了沥青的性能，因此可以认为，聚氨酯较低的玻璃化转变温度是导致改性后沥青低温性能较差的原因之一。

3 结论

本文研究了不同影响因素和水平下聚氨酯改性沥青及沥青混合料的使用性能，主要结论如下：

a）PT型聚氨酯对沥青的抵抗剪切破坏能力提升最高，其针入度最低，而JZ型聚氨酯和JM型聚氨酯改性后基质沥青的针入度低于PT型，且两者基本相等。聚氨酯对沥青的延度改性效果较差，和基质沥青的结果差别较小。

b）聚氨酯掺量对沥青改性效果的影响要大于聚氨酯类型和剪切温度。当聚氨酯掺量在10%～15%时，基质沥青的性能与掺量成正比。而进一步提高掺量并不会继续提高沥青的性能，因此建议聚氨酯用量不高于15%。

c）聚氨酯对沥青混合料的高温性能和水稳定性具有显著提升效果，其路用性能优于基质沥青混合料和SBS沥青混合料，而对低温性能改变较小，有待进一步研究。

d）建议聚氨酯的最佳改性工艺是以PT型聚氨酯作为改性剂，以15%的掺量在150℃下剪切成型聚氨酯改性沥青。

e）聚氨酯的储存模量和损耗模量随温度的变化较平缓，从而保证了改性后沥青的温度稳定性。而较低的玻璃化转化温度则导致了改性后沥青的低温性能较差。