聚氨酯在路面工程中的應用進展

李利偉，劉漢超，林 輝，滕新華，張菁燕

（1.常州市武進區公路事業發展中心，江蘇 常州 213000；2.常州市建筑科學研究院集團股份有限公司，江蘇 常州 213000）

在道路材料領域，為獲得更好的路面性能，通常采用聚合物對瀝青等材料進行改性。近年來，聚氨酯類材料因其優良的性能表現，受到了路面工程師和研究人員的廣泛關注[1-3]。聚氨酯是指具有含氨基甲酸酯基團的聚合物，一般是通過異氰酸酯和多元醇之間反應形成的。由于其具有軟段、硬段相結合的分子鏈結構，其性能（如模量、強度等）可在很寬的范圍內進行調節[4-5]。正因如此，聚氨酯類材料不僅可以調節瀝青性能，制備適用于不同場景的瀝青混合料，而且可以應用于路面密封，從多個維度對瀝青路面材料進行改性或增強。在下文中，將針對聚氨酯改性瀝青、聚氨酯改性混合料及聚氨酯密封膠3種材料進行介紹與討論。

1 聚氨酯改性瀝青

通常，聚氨酯改性瀝青的技術方案可分為2類：第一，熱塑性聚氨酯改性。將熱塑性聚氨酯聚合物通過熔融共混，與瀝青基質形成均一的混合物，其改性原理與SBS、膠粉改性瀝青類似，僅為物理共混，不涉及化學反應。第二，熱固性聚氨酯改性。利用聚氨酯預聚體或異氰酸酯單體對瀝青進行改性，并與聚醚多元醇等進行反應形成原位改性瀝青。在第一種改性方案中，最佳改性溫度為175℃左右，改性時間為1 h左右，推薦用量為基質瀝青質量的5%～15%[6]。然而，由于該類改性方法的改性效果與其他彈性體、熱塑性聚合物的改性效果類似，因此所用較少，更多采用的是第二種方法。在第二種方法中，建議操作溫度在120℃左右，操作時間在15 min左右，而聚氨酯材料的加入量可達50%[7-8]。此外，由于其反應速度較快，施工窗口短，熱固性聚氨酯改性瀝青應在使用前直接在施工場所配制。

由于瀝青質表面存在許多極性基團（羥基和羧基），當采用熱固性聚氨酯進行改性時，異氰酸酯基團與瀝青質表面的極性基團之間便可發生反應。研究表明，通過預聚物中異氰酸酯與瀝青質間的反應，可以產生化學鍵（如氨基甲酸酯）與物理鍵（如氫鍵）[9-10]。這一系列的相互作用大大提升了聚氨酯與瀝青的相容性，可在一定程度上避免相分離[11-12]。

如前文所述，得益于聚氨酯改性劑中的末端異氰酸酯與瀝青基體中的極性基團之間的相互作用，聚氨酯和瀝青分子鏈可發生一定程度的交聯，繼而形成穩定的三維網絡結構，大大提升改性瀝青的綜合性能[13]。研究表明，聚氨酯改性瀝青及其混合料比純瀝青和SBS改性瀝青具有更好的路用性能，特別是耐高溫車轍性能和耐低溫開裂性能[14-15]，具有替代SBS改性瀝青用于公路路面的潛力[16]。并且，聚氨酯改性瀝青的耐老化性能也得到了提升，例如，Yu等報道了添加聚氨酯改性劑可以提高瀝青的抗熱氧老化性能，Fang等[17]通過力學試驗和微觀形貌觀察結果也發現聚氨酯改性劑可以提升瀝青短期和長期抗紫外老化性能。此外，Peng等[18]發現木質素基聚氨酯改性劑在紫外光照射下可以顯著保持瀝青黏結劑的黏附性能。

隨著人們環保意識的增強，可再生、環保型聚氨酯改性瀝青也出現在人們的視野中。例如，采用蓖麻油和木質素作為原材料代替聚醚多元醇以進行熱固性聚氨酯改性瀝青的反應[19]，利用廢棄的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）制備聚氨酯改性瀝青[20]等。也有研究制備聚氨酯改性瀝青，然后進行乳化，得到聚氨酯改性乳化瀝青的[21]。隨著創新而有效的改性方法不斷涌現，聚氨酯改性瀝青性能的提升空間也得以不斷拓展。

2 聚氨酯改性混合料

近年來，路面研究人員紛紛嘗試采用熱固性聚氨酯膠作為膠結材料，改性或替代石油瀝青，形成聚氨酯改性混合料[22]。由于聚氨酯作為膠結材料可通過固化交聯形成穩定的三維網絡結構，因而其溫度穩定性更高，內聚力更強，附著力和耐久性更好，性能明顯優于傳統瀝青黏結劑。基于以上性能優勢，聚氨酯改性混合料可實現路面功能性的提升，如透水路面、低噪聲路面和阻燃路面等。

為補充城市的自然水循環，透水路面受到了越來越多的關注。透水路面是由開級配集料組成的瀝青混合料，具有豐富互連空隙的多孔結構，可以實現路面的滲透性。然而，這種多孔設計會大大削弱路面的強度。而采用黏結強度更高的聚氨酯作為膠結料，便可以克服傳統瀝青的缺點，實現透水路面性能的提升。Cong等[23]對聚氨酯黏結多孔混合料（PPM）和瀝青黏結的混合料（APM）的力學性能進行了比較，從長期來看，即使在凍融循環后，PPM的疲勞壽命也遠高于APM，且PPM的馬歇爾穩定性是APM的3倍以上。在Lu等[24]進行的類似研究中，PPM表現出更高的耐磨耗性能，同時，表現出更高的附著力。從長期蠕變實驗結果來看，PPM的永久變形量遠低于APM，表現出更優異的耐久性。

另一方面，多孔聚氨酯混合料（PPM）可以大大降低車輛碾壓通過時的噪聲，進而被用作低噪聲路面。Chen[25]的研究表明，由于PPM內部大量的空隙及膠結料更高的彈性，與傳統開級配路面相比，PPM的摩擦噪聲降低了2 db，振動噪音也降低了8 db。Wang等[26]采用聚氨酯膠結料、集料和橡膠顆粒制備了多孔彈性路面，與傳統的多孔路面相比，其孔隙率可以達到40%，且聚氨酯和橡膠顆粒的高彈性也賦予了路面更加優異的低溫抗裂性能。

聚氨酯改性混合料還應用于一些特殊的路面類型，如隧道鋪面。作為封閉空間，隧道路面的功能要求與其他路面有很大的不同，其中，阻燃性一直是大家關注的重點。針對傳統瀝青路面的阻燃性差的問題，Leng等[27]采用聚氨酯改性膠結料制備薄層罩面來滿足隧道的功能要求，并對其阻燃性能進行了重點研究。燃燒試驗結果顯示，采用聚氨酯改性膠結料制備的薄層混合料的阻燃性能大大優于傳統開級配面層和SMA面層。并且，采用聚氨酯改性膠結料制備的薄層混合料的初始燃燒速度更慢，需要更多的時間來加熱才能持續燃燒。Hong等[28]也提出了基于聚氨酯膠結料的改性混合料路面，其優點是常溫施工，過程中無有害排放。Hong等[28]認為，與傳統瀝青混合料路面相比，聚氨酯改性混合料更加適用于隧道路面的鋪裝。

由于聚氨酯材料優異的韌性和彈性，聚氨酯混合料在橋面鋪裝中的應用也受到了關注。然而，由于常用的雙組份聚氨酯膠結料固化速度較快（小于2 h），因此聚氨酯混合料在施工過程中的施工窗口便成為需要重點關注的問題，尤其是在長橋段橋面的鋪裝中。同時，聚氨酯膠結料在固化過程中，異氰酸酯組分與空氣中的水分會發生反應，進而產生二氧化碳，形成氣泡，影響路面成型后的性能。對此，Hong等[29]提出了一種基于真空輔助樹脂傳遞成型（VARTM）技術的新方法，用于預制適合橋面鋪裝的聚氨酯混凝土板，可以有效縮短施工時間，從而降低工期延誤成本。

3 聚氨酯密封膠

密封膠廣泛應用于瀝青和混凝土路面[30-31]。例如，伸縮縫是混凝土路面的重要組成部分之一，為防止污水、沙子和礫石進入縫內，腐蝕和破壞混凝土板的邊緣，使用適當的密封劑填充是很有必要的。除此之外，裂縫是路面主要病害之一，而向裂縫中注入密封膠則是最常見的修復方法。與瀝青、硅酮、瀝青橡膠和聚硫橡膠等類型的密封膠相比，聚氨酯密封膠具有更加優異的黏接性能、彈性、韌性及較高的性價比，獲得了最為廣泛的應用。例如，端羥基聚二甲基硅氧烷改性的新型聚氨酯產品被制成路面伸縮縫的密封膠[32]。與傳統密封膠相比，該密封膠在黏接強度、抗拉強度和抗疲勞性能方面均有改善。此外，Carbonell-Blasco等[32]通過預聚體法，將松香和1，4-丁二醇的共混物作為擴鏈劑，制備了一種熱塑性聚氨酯材料，具有優異的耐低溫性能。

近來，聚氨酯類密封膠的性能提升和功能拓展逐漸受到研究人員的關注，例如形狀記憶聚氨酯密封膠在道路上的應用[33]。聚氨酯的形狀記憶功能可以使其適應因溫度變化而引起的接縫和裂縫的伸縮變形，進而保持與壁面的緊密黏接，以達到防水防滲的目的。然而，聚氨酯密封膠的耐老化性能一直是一個備受關注的問題。有研究人員將二氧化鈦和氧化石墨烯等填料用于聚氨酯密封膠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會導致其他性能（如形狀記憶性能）的降低[33]。因此，研究人員正在通過改變聚氨酯的分子結構而非添加填料來進行進一步的嘗試。

4 結論

本文對聚氨酯材料在路面工程中的應用進行了綜述，主要得出以下結論。

（1）帶有活性基團的聚氨酯預聚體能與基質瀝青發生化學反應，有利于聚合物改性瀝青形成交聯結構，進一步提高聚氨酯改性瀝青的路用性能和相容性，特別是低溫性能和抗裂性能。

（2）聚氨酯改性膠結料具有優越的高溫穩定性，且黏結力強，耐久性好于石油瀝青，因而聚氨酯改性混合料可以有效延長路面壽命。此外，聚氨酯改性混合料還可以實現透水性、降噪性和阻燃性等功能，尤其適用于隧道、橋面的路面鋪裝。

（3）路面用聚氨酯密封膠具有優異的黏接性能、彈性、韌性及較高的性價比，其中，形狀記憶型聚氨酯能適應因溫度變化而引起的接縫和裂縫的伸縮變形，進而緊密黏結界面以實現防水效果，受到了越來越多的關注。