聚氨酯在路面工程中的应用进展

李利伟，刘汉超，林 辉，滕新华，张菁燕

（1.常州市武进区公路事业发展中心，江苏 常州 213000；2.常州市建筑科学研究院集团股份有限公司，江苏 常州 213000）

在道路材料领域，为获得更好的路面性能，通常采用聚合物对沥青等材料进行改性。近年来，聚氨酯类材料因其优良的性能表现，受到了路面工程师和研究人员的广泛关注[1-3]。聚氨酯是指具有含氨基甲酸酯基团的聚合物，一般是通过异氰酸酯和多元醇之间反应形成的。由于其具有软段、硬段相结合的分子链结构，其性能（如模量、强度等）可在很宽的范围内进行调节[4-5]。正因如此，聚氨酯类材料不仅可以调节沥青性能，制备适用于不同场景的沥青混合料，而且可以应用于路面密封，从多个维度对沥青路面材料进行改性或增强。在下文中，将针对聚氨酯改性沥青、聚氨酯改性混合料及聚氨酯密封胶3种材料进行介绍与讨论。

1 聚氨酯改性沥青

通常，聚氨酯改性沥青的技术方案可分为2类：第一，热塑性聚氨酯改性。将热塑性聚氨酯聚合物通过熔融共混，与沥青基质形成均一的混合物，其改性原理与SBS、胶粉改性沥青类似，仅为物理共混，不涉及化学反应。第二，热固性聚氨酯改性。利用聚氨酯预聚体或异氰酸酯单体对沥青进行改性，并与聚醚多元醇等进行反应形成原位改性沥青。在第一种改性方案中，最佳改性温度为175℃左右，改性时间为1 h左右，推荐用量为基质沥青质量的5%～15%[6]。然而，由于该类改性方法的改性效果与其他弹性体、热塑性聚合物的改性效果类似，因此所用较少，更多采用的是第二种方法。在第二种方法中，建议操作温度在120℃左右，操作时间在15 min左右，而聚氨酯材料的加入量可达50%[7-8]。此外，由于其反应速度较快，施工窗口短，热固性聚氨酯改性沥青应在使用前直接在施工场所配制。

由于沥青质表面存在许多极性基团（羟基和羧基），当采用热固性聚氨酯进行改性时，异氰酸酯基团与沥青质表面的极性基团之间便可发生反应。研究表明，通过预聚物中异氰酸酯与沥青质间的反应，可以产生化学键（如氨基甲酸酯）与物理键（如氢键）[9-10]。这一系列的相互作用大大提升了聚氨酯与沥青的相容性，可在一定程度上避免相分离[11-12]。

如前文所述，得益于聚氨酯改性剂中的末端异氰酸酯与沥青基体中的极性基团之间的相互作用，聚氨酯和沥青分子链可发生一定程度的交联，继而形成稳定的三维网络结构，大大提升改性沥青的综合性能[13]。研究表明，聚氨酯改性沥青及其混合料比纯沥青和SBS改性沥青具有更好的路用性能，特别是耐高温车辙性能和耐低温开裂性能[14-15]，具有替代SBS改性沥青用于公路路面的潜力[16]。并且，聚氨酯改性沥青的耐老化性能也得到了提升，例如，Yu等报道了添加聚氨酯改性剂可以提高沥青的抗热氧老化性能，Fang等[17]通过力学试验和微观形貌观察结果也发现聚氨酯改性剂可以提升沥青短期和长期抗紫外老化性能。此外，Peng等[18]发现木质素基聚氨酯改性剂在紫外光照射下可以显著保持沥青黏结剂的黏附性能。

随着人们环保意识的增强，可再生、环保型聚氨酯改性沥青也出现在人们的视野中。例如，采用蓖麻油和木质素作为原材料代替聚醚多元醇以进行热固性聚氨酯改性沥青的反应[19]，利用废弃的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）制备聚氨酯改性沥青[20]等。也有研究制备聚氨酯改性沥青，然后进行乳化，得到聚氨酯改性乳化沥青的[21]。随着创新而有效的改性方法不断涌现，聚氨酯改性沥青性能的提升空间也得以不断拓展。

2 聚氨酯改性混合料

近年来，路面研究人员纷纷尝试采用热固性聚氨酯胶作为胶结材料，改性或替代石油沥青，形成聚氨酯改性混合料[22]。由于聚氨酯作为胶结材料可通过固化交联形成稳定的三维网络结构，因而其温度稳定性更高，内聚力更强，附着力和耐久性更好，性能明显优于传统沥青黏结剂。基于以上性能优势，聚氨酯改性混合料可实现路面功能性的提升，如透水路面、低噪声路面和阻燃路面等。

为补充城市的自然水循环，透水路面受到了越来越多的关注。透水路面是由开级配集料组成的沥青混合料，具有丰富互连空隙的多孔结构，可以实现路面的渗透性。然而，这种多孔设计会大大削弱路面的强度。而采用黏结强度更高的聚氨酯作为胶结料，便可以克服传统沥青的缺点，实现透水路面性能的提升。Cong等[23]对聚氨酯黏结多孔混合料（PPM）和沥青黏结的混合料（APM）的力学性能进行了比较，从长期来看，即使在冻融循环后，PPM的疲劳寿命也远高于APM，且PPM的马歇尔稳定性是APM的3倍以上。在Lu等[24]进行的类似研究中，PPM表现出更高的耐磨耗性能，同时，表现出更高的附着力。从长期蠕变实验结果来看，PPM的永久变形量远低于APM，表现出更优异的耐久性。

另一方面，多孔聚氨酯混合料（PPM）可以大大降低车辆碾压通过时的噪声，进而被用作低噪声路面。Chen[25]的研究表明，由于PPM内部大量的空隙及胶结料更高的弹性，与传统开级配路面相比，PPM的摩擦噪声降低了2 db，振动噪音也降低了8 db。Wang等[26]采用聚氨酯胶结料、集料和橡胶颗粒制备了多孔弹性路面，与传统的多孔路面相比，其孔隙率可以达到40%，且聚氨酯和橡胶颗粒的高弹性也赋予了路面更加优异的低温抗裂性能。

聚氨酯改性混合料还应用于一些特殊的路面类型，如隧道铺面。作为封闭空间，隧道路面的功能要求与其他路面有很大的不同，其中，阻燃性一直是大家关注的重点。针对传统沥青路面的阻燃性差的问题，Leng等[27]采用聚氨酯改性胶结料制备薄层罩面来满足隧道的功能要求，并对其阻燃性能进行了重点研究。燃烧试验结果显示，采用聚氨酯改性胶结料制备的薄层混合料的阻燃性能大大优于传统开级配面层和SMA面层。并且，采用聚氨酯改性胶结料制备的薄层混合料的初始燃烧速度更慢，需要更多的时间来加热才能持续燃烧。Hong等[28]也提出了基于聚氨酯胶结料的改性混合料路面，其优点是常温施工，过程中无有害排放。Hong等[28]认为，与传统沥青混合料路面相比，聚氨酯改性混合料更加适用于隧道路面的铺装。

由于聚氨酯材料优异的韧性和弹性，聚氨酯混合料在桥面铺装中的应用也受到了关注。然而，由于常用的双组份聚氨酯胶结料固化速度较快（小于2 h），因此聚氨酯混合料在施工过程中的施工窗口便成为需要重点关注的问题，尤其是在长桥段桥面的铺装中。同时，聚氨酯胶结料在固化过程中，异氰酸酯组分与空气中的水分会发生反应，进而产生二氧化碳，形成气泡，影响路面成型后的性能。对此，Hong等[29]提出了一种基于真空辅助树脂传递成型（VARTM）技术的新方法，用于预制适合桥面铺装的聚氨酯混凝土板，可以有效缩短施工时间，从而降低工期延误成本。

3 聚氨酯密封胶

密封胶广泛应用于沥青和混凝土路面[30-31]。例如，伸缩缝是混凝土路面的重要组成部分之一，为防止污水、沙子和砾石进入缝内，腐蚀和破坏混凝土板的边缘，使用适当的密封剂填充是很有必要的。除此之外，裂缝是路面主要病害之一，而向裂缝中注入密封胶则是最常见的修复方法。与沥青、硅酮、沥青橡胶和聚硫橡胶等类型的密封胶相比，聚氨酯密封胶具有更加优异的黏接性能、弹性、韧性及较高的性价比，获得了最为广泛的应用。例如，端羟基聚二甲基硅氧烷改性的新型聚氨酯产品被制成路面伸缩缝的密封胶[32]。与传统密封胶相比，该密封胶在黏接强度、抗拉强度和抗疲劳性能方面均有改善。此外，Carbonell-Blasco等[32]通过预聚体法，将松香和1，4-丁二醇的共混物作为扩链剂，制备了一种热塑性聚氨酯材料，具有优异的耐低温性能。

近来，聚氨酯类密封胶的性能提升和功能拓展逐渐受到研究人员的关注，例如形状记忆聚氨酯密封胶在道路上的应用[33]。聚氨酯的形状记忆功能可以使其适应因温度变化而引起的接缝和裂缝的伸缩变形，进而保持与壁面的紧密黏接，以达到防水防渗的目的。然而，聚氨酯密封胶的耐老化性能一直是一个备受关注的问题。有研究人员将二氧化钛和氧化石墨烯等填料用于聚氨酯密封胶的耐老化性能提升上，改善了其耐紫外老化性能，但填料共混的方式往往会导致其他性能（如形状记忆性能）的降低[33]。因此，研究人员正在通过改变聚氨酯的分子结构而非添加填料来进行进一步的尝试。

4 结论

本文对聚氨酯材料在路面工程中的应用进行了综述，主要得出以下结论。

（1）带有活性基团的聚氨酯预聚体能与基质沥青发生化学反应，有利于聚合物改性沥青形成交联结构，进一步提高聚氨酯改性沥青的路用性能和相容性，特别是低温性能和抗裂性能。

（2）聚氨酯改性胶结料具有优越的高温稳定性，且黏结力强，耐久性好于石油沥青，因而聚氨酯改性混合料可以有效延长路面寿命。此外，聚氨酯改性混合料还可以实现透水性、降噪性和阻燃性等功能，尤其适用于隧道、桥面的路面铺装。

（3）路面用聚氨酯密封胶具有优异的黏接性能、弹性、韧性及较高的性价比，其中，形状记忆型聚氨酯能适应因温度变化而引起的接缝和裂缝的伸缩变形，进而紧密黏结界面以实现防水效果，受到了越来越多的关注。