PU改性沥青抗车辙性能试验研究

王富强，阳利君，陈钰婷

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

0 引言

车辙、裂缝及坑槽是沥青路面的主要病害。提高沥青结合料性能是改善沥青路面抗裂、车辙、热裂等破坏性能的途径之一[1-2]。聚氨酯(PU)是一种弹性体，同时具备热塑性塑料和橡胶的优点。目前有研究学者基于聚氨酯(PU)材料进行改性沥青的研究，以取代价格昂贵的聚合物改性剂。研究表明，采用PU改性沥青提高了抗车辙能力和高温等级，满足沥青路面强度要求且耐磨，但提升程度有限。单独掺入PU进行改性，不能有效改善沥青混合料的综合性能[3-4]。为此，本文选用石灰石粉(LF)作为改性沥青的填料与PU复掺[5]，进行短期老化试验和动态剪切流变试验，研究填料与合成的聚氨酯在中高温下对沥青结合料流变性能参数的影响，包括复数剪切模量G*和相位角δ，并与单掺PU进行对比；同时还研究复掺LF对老化指数AI的影响，为PU改性沥青的推广和应用提供参考依据。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

(1)基质沥青(BA)：为中石油重交沥青70#，经过试验测得主要技术指标及结果如表1所示。

(2)聚氨酯(PU)：为西安某科技有限公司生产，颜色灰白，分子结构中R-N=C=O含量为30.5%，多元醇羟值≥180 mg KOH/g，固体含量≥80%，断裂伸长率为323%，拉伸强度为10 MPa，25 ℃黏度为1.01 mPa·s，异氰酸酯与多元醇的比例为100∶56。

1.2 制备

(1)单掺PU改性沥青：采用BA和PU两种材料。将基质沥青加热至完全融化，在130 ℃～140 ℃的温度中高速搅拌10 min；将预热至90 ℃的PU缓慢加入到沥青中，高速搅拌10 min即可。PU掺量分别为沥青总质量的3%、5%、7%。

表1 70#基质沥青主要技术指标表

(2)与LF复掺改性沥青：采用BA、PU和石灰石粉(LF)三种材料。考虑到填料的粉胶比推荐范围为0.8～1.2，本文选取沥青路面工程中常用的石灰石粉(LF)作为填料，粉胶比为1.0。

制备沥青胶浆前将石灰石粉放入烘箱中(温度设为105 ℃)干燥6 h。在搅拌前1 h将沥青放入150 ℃的烘箱中加热至流动状态。正式搅拌前，将石灰石粉填料与完全融化的基质沥青按粉胶比为1.0进行混合，并用玻璃棒人工搅拌使混合物大致均匀。采用恒温油浴锅对沥青胶浆进行保温(温度150 ℃)，并在保温同时采用数显电动搅拌机对沥青胶浆搅拌45 min，以使填料与沥青混合均匀，置于150 ℃的烘箱中保温1 h。将预热至90 ℃的PU分别按沥青总质量的3%、5%、7%缓慢加入到沥青中高速剪切搅拌10 min即可。

(3)单掺PU或与LF复掺共制备8种沥青试样，分别为：BA、BA+3%PU、BA+5%PU、BA+7%PU、BA+LF、BA+LF+3%PU、BA+LF+5%PU、BA+LF+7%PU。

1.3 试验方案

1.3.1 短期老化试验

采用旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)，对沥青试样进行短期老化试验，得到老化后试样。老化瓶控制温度为(163.0±0.5)℃，沥青试样在老化瓶再次进行老化，时间为85 min。

1.3.2 动态剪切流变试验

动态剪切流变仪(DSR)在高温下测定沥青试样的流变性能，包括复数剪切模量G*和相位角δ，由此得到抗车辙因子G*/sinδ。车辙因子反映沥青试样的抗车辙能力，值越大，高温时的流动变形越小，则抗车辙性能越高。

在沥青胶浆制备过程中，用DSR测定沥青试样的G*/sinδ，分析不同掺量对其抗车辙性能的影响。DSR试验参数为：试样厚度为1 mm，直径为25 mm。应变值采用应变式控制模式，未老化样品的应变设为12%，老化样品的应变设为10%，频率为1.59 Hz(10 rad/s)。

2 试验结果与分析

2.1 掺入材料对车辙因子(G*/sinδ)的影响

图1所示为试验温度为64 ℃对应的G*/sinδ值，短期老化后试样均大于未老化试样。与BA对比可知，单掺PU或与LF复掺均可提高沥青结合料的G*/sinδ值，改善其抗车辙性能。与LF复掺改性沥青的G*/sinδ值均大于相对应温度下的单掺PU改性沥青。与LF复掺的G*/sinδ值增大最显著，较未老化BA增大4.7倍，较短期老化后BA增大3.6倍。

(a)64 ℃未老化

(b)64 ℃短期老化

2.2 PU掺量对车辙因子(G*/sinδ)的影响

沥青试样通常使用60 ℃来评价抗车辙性能，而事实上，沥青路面在服役期间会在较大温度变化范围内受到外界荷载的作用。本文模拟沥青路面在服役期间常温下产生的疲劳变形和极端温度荷载下产生的瞬时塑性变形，设定试验温度分别为58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃，试验结果如图2所示。

(a)单掺PU未老化

(b)与 LF 复掺未老化

(c)单掺PU短期老化

(d)与 LF 复掺短期老化

由图2可知，无论是单掺PU还是与LF复掺，其掺量由3%增加到5%和7%时，起初阶段G*/sinδ均迅速降低，随温度的升高降低趋势减弱。单掺PU或与LF复掺掺量为3%和5%的改性沥青经过短期老化后的G*/sinδ与未老化相比，没有显著变化，但掺量为7%的变化较为显著。58 ℃和64 ℃时，与LF复掺的G*/sinδ降低速度较相对应温度下的单掺PU显著。70 ℃和76 ℃时，单掺PU或与LF复掺对应的G*/sinδ几乎没有变化。说明PU的掺量为7%时，其抗车辙性能基本达到最优。

试验结果说明，沥青的抗车辙性能随温度的升高而降低，但在高温状态下增加PU掺量明显可减弱G*/sinδ的下降趋势，提高抗车辙性能。与LF复掺的高温性能改性效果较单掺PU的改性效果明显，表明与LF复掺改性沥青较其他类型沥青具有较好的抗车辙性能。

2.3 复掺LF对老化指数AI的影响

未老化G*/sinδ与短期老化G*/sinδ的比值为老化指数AI。AI值越高，表明该沥青试样对老化的敏感性越高，更好地反映了沥青试样抗车辙、抗老化的性能。计算公式如下：

AI=(G*/sinδ)aged/(G*/sinδ)un-aged

(1)

式中：AI——老化指数；

(G*/sinδ)aged——未老化值；

(G*/sinδ)un-aged——短期老化值。

图3 各沥青试样老化指数AI

计算结果绘制如前页图3所示。由图3可知，与BA对比，单掺PU或与LF复掺均可降低AI值；单掺PU的老化指标和与LF复掺的老化指标差异较大，与LF复掺的AI值低于单掺PU。单掺PU掺量由3%增加到5%和7%时，随温度的升高，AI值均有增大，说明单掺PU对AI值均有正向影响。与LF复掺掺量由3%增加到5%和7%时，起初阶段AI值均有增大，但增加幅度不大；随温度的升高，AI值几乎保持不变。由此可知，单掺PU改善了沥青结合料的流变性能，但易于老化，在PU改性沥青中复掺LF，可有效降低改性沥青老化的敏感性，提高其抗老化的性能。

3 结语

本文选用石灰石粉(LF)作为改性沥青的填料与PU复掺，制备了BA、BA+3%PU、BA+5%PU、BA+7%PU、BA+LF、BA+LF+3%PU、BA+LF+5%PU和BA+LF+7%PU等8种沥青试样，进行短期老化试验和动态剪切流变试验。通过对比试验结果，分析如下：

(1)单掺PU或与LF复掺均可改善沥青结合料的抗车辙性能。与LF复掺的结合料车辙因子(G*/sinδ)值增大最显著，较未老化BA增大4.7倍；较短期老化后BA增大3.6倍。

(2)单掺PU或与LF复掺掺量由3%增加到5%和7%时，随温度的升高，G*/sinδ降低趋势减弱，说明PU的掺量为7%时，其抗车辙性能基本达到最优。与LF复掺的高温改性效果较单掺PU效果明显，表明与LF复掺较其他类型沥青有较好的抗车辙性能。

(3)单掺PU的老化指标和与LF复掺的老化指标差异较大，与LF复掺的AI值低于单掺PU。单掺PU改善了沥青结合料的流变性能，但易于老化；在PU改性沥青中复掺LF，可有效降低改性沥青老化的敏感性，提高其抗老化的性能。