PU改性沥青混合料路用性能试验研究

林 翔

(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

近年来,随着我国经济的不断发展以及在《交通强国建设纲要》《国家综合立体交通网规划纲要》等国家政策的背景下,我国的交通事业迅速发展,其中交通运输业的膨胀式发展也使各级道路承受的负荷加重,所带来的道路超重、超载情况愈发突出。目前公路大多采用沥青铺装,为了使沥青路面在道路特殊情况下能够有效应对各种载重,以及更好地提高沥青路面的承受荷载和使用寿命,对沥青路面的材料性能开展进一步的研究显得尤为重要。近年来,国内外学者们针对沥青的性能提升及应用场景的拓展开展了一系列研究,在国内,金娇等[1]利用有机蒙脱土改性沥青,增强沥青的抗老化;罗航宇[2]通过SBS改性沥青,提高沥青的性能;周沛延等[3]基于DMA方法的相变改性沥青粘弹特性及低温性能。

本文针对沥青路面在超负荷下所带来的车辙、鼓包、开裂等问题,利用聚氨酯(PU)本身具有的耐磨、高机械强度、高弹性、耐老化、耐腐蚀的优点,与基质沥青、粗细集料制备出一种PU改性沥青混合料,对其在高温环境下的稳定性能、低温环境下的抗裂性能以及水稳定性能进行测试,并评价其路用性能以及应用于道路的可行性。

1 试验

利用聚氨酯(PU)与沥青熔融混合,制备出PU改性沥青,根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011),依次进行高温抗车辙试验、小梁弯曲试验和浸水马歇尔试验[4],测定聚氨酯改性沥青混合料的高温稳定性能、低温抗裂性能和水稳定性能,以此研究聚氨酯改性沥青混合料的路用性能。

1.1 试验原材料

1.1.1 聚氨酯

聚氨酯(PU)是由多异氰酸酯和多羟基聚合物加聚而成以及主链上含有重复氨基甲酸酯基团的高分子化合物,其全称为聚氨基甲酸酯[5]。本试验所采用聚氨酯为广州某聚氨酯生产厂家生产,其密度为1.2 g/cm3。

1.1.2 基质沥青

本文试验采用广西某沥青厂生产70#沥青,其各项性能指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ 032-94)的相关要求[6],详细实测数值见表1。

表1 基质沥青技术指标表

1.1.3 集料

本试验采用玄武岩作为粗集料,石灰岩作为细集料,填料采用矿粉,集料和矿粉均满足《公路沥青路面施工技术规范》要求。粗集料检测标准和试验结果见表2、细集料检测标准和试验结果见表3、矿粉检测标准和试验结果见表4。

表2 粗集料技术指标表

表3 细集料技术指标表

1.2 试验方案

本文主要利用70#基质沥青、4%SBS改性沥青、35%PU改性沥青、45%PU改性沥青分别添加混合料进行拌和制成各类沥青混合料,并通过试验分析其性能指标。鉴于PU改性沥青的制备目前可参考的制备工艺较少,且PU改性沥青为热固性材料,在高温环境的影响下会发生固化反应导致其凝固,其凝固速度随温度的变化而变化[7]。本文通过反复试验研究,在温度为120 ℃时对PU改性沥青进行拌和,且拌和时间为15 min。在进行反复的马歇尔试验后分别得出4种PU沥青混合料的最佳油石比,70#基质沥青混合料的最佳油石比为4.9%、4%SBS改性沥青混合料的最佳油石比为5.0%、35%PU改性沥青混合料的最佳油石比为5.4%、45%PU改性沥青混合料的最佳油石比为5.4%[8]。混合料级配采用AC-13型级配,如表5所示。

表5 混合料级配表

2 性能测试结果与分析

2.1 高温稳定性能

沥青的高温稳定性是指在高温环境下能抵抗行车动荷载所带来的变形的能力[9],由于沥青混合料在高温下会出现黏度降低而导致软化,高温软化后的沥青混合料在行车荷载的不断作用下极易出现车辙,车辙的产生致使沥青路面受到严重破坏,影响行车安全。因此,高温稳定性是考验沥青铺装路面在高温环境下是否稳定的一个关键指标。本文采用试验室车辙试验来测定4种不同沥青混合料的动稳定度,从而评价4种PU改性沥青混合料在高温环境下的稳定性。车辙试验的试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm,试验条件为:在试验温度为60 ℃、施加荷载为0.7 MPa的条件下,碾压速率45次/min[10]。4种不同沥青混合料的试验结果如表6所示,计算公式如下:

表6 车辙试验结果表

(1)

式中:DS——动稳定度(mm/次);

d1——时间t1的变形量(mm);

d2——时间t2的变形量(mm);

c1——试验机类型系数,本文中取1.0;

c2——试件系数,本文中取1.0;

N——试验轮往返辗压速度,为45次/min。

从表6可得,4种不同沥青混合料的动稳定度值由低到高排序依次为70#基质沥青<4%SBS改性沥青<35%PU改性沥青<45%PU改性沥青,由此可得出添加了聚氨酯(PU)的改性沥青动稳定度均得到了一定程度的提高,其中45%PU改性沥青在进行车辙试验后的动稳定度高达28 125 mm/次,70#基质沥青仅为2 935 mm/次,是70#基质沥青的9.6倍,4%SBS改性沥青的动稳定度仅是70#基质沥青的2.4倍,说明聚氨酯对沥青的改性效果较SBS对沥青的改性效果好,且随着聚氨酯在改性沥青中占比的增加,改性沥青的动稳定度越高,高温稳定性越好。

2.2 低温抗裂性能

沥青的低温稳定性是指在低温环境下能抵抗沥青内部开裂的能力[11],在较低温度时,会引起沥青的收缩,从而产生路面裂缝,沥青路面开裂易导致路面积水、空气以及一些有害物质随着裂缝进入路基内部,导致路基出现病害,一定程度上减少了路基的强度和使用寿命。本文采用低温小梁弯曲试验来评价四种不同类型沥青的低温抗裂性能[12]。试验条件为:小梁试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm,试验温度为-15 ℃,荷载采用中点加荷,施加荷载速率为50 mm/min。4种不同类型沥青的低温抗裂试验结果见表7。

表7 低温抗裂试验结果表

本次试验主要以梁底弯拉应变值来考量4种不同沥青混合料的低温抗裂性能。从表7可得,4种不同沥青混合料的梁底弯拉应变值由低到高排序依次为70#基质沥青<4%SBS改性沥青<35%PU改性沥青<45%PU改性沥青,两种添加了聚氨酯(PU)的改性沥青的弯拉应变值均较其他2种沥青混合料的弯拉应变值高,说明添加了聚氨酯的PU改性沥青低温抗裂性能较均较另外2种沥青的低温抗裂性能好,且随着聚氨酯(PU)添加量的不断增加,其弯拉应变值也在不断提高,弯拉应变值越高说明其在低温环境下的抗裂性能越好。

2.3 水稳定性能

沥青的水稳定性是指在浸水情况下沥青受水的影响程度[13],在我国多雨地区,由于受到水分的破坏,部分沥青会脱落,导致路面出现坑洞、沥青剥离等病害,影响行车正常。本文采用浸水马歇尔试验来考量4种聚氨酯沥青混合料在浸水环境下的水稳定性能。计算公式如下:

(2)

式中:MS0——试件的浸水残留稳定度(%);

MS1——试件浸水48 h后的稳定度(kN);

MS——浸水30 min后的稳定度(kN)。

根据表8可知4种不同沥青混合料在试验后的残留稳定度:70#基质沥青为83.6%、4%SBS改性沥青为87.6%、35%PU改性沥青为84.7%、45%PU改性沥青为89.8%,其中,45%PU改性沥青经过马歇尔试验后的残留稳定度较高,表明其抗水损害性能较好。

表8 浸水马歇尔试验结果表

3 结语

本文通过对PU改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性这几个主要评价沥青路用性能的指标来进行各项试验并考量PU改性沥青的路用可行性,通过路用性能的评价,证明其运用于道路上的可行性,为今后在实际工程中的应用提供理论依据,结果表明:

(1)聚氨酯(PU)对沥青的改性效果较SBS对沥青的改性效果好,且随着聚氨酯(PU)添加量的增多,改性后的沥青的动稳定度越高,高温稳定性越好。

(2)两种添加了聚氨酯(PU)的改性沥青混合料的弯拉应变值均较其他两种沥青混合料的弯拉应变值高,说明添加聚氨酯(PU)可使改性沥青混合料的弯拉应变值提高,且随着聚氨酯添加量的提高,弯拉应变值也在逐渐增大,弯拉应变值增大说明其低温抗裂性能较好。

(3)4种不同沥青混合料在通过浸水马歇尔试验后的残留稳定度均较好,但PU改性沥青混合料在马歇尔试验后的残留稳定度更高,抗水损害性能更好。