PU改性瀝青抗車轍性能試驗研究

王富強，陽利君，陳鈺婷

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

車轍、裂縫及坑槽是瀝青路面的主要病害。提高瀝青結合料性能是改善瀝青路面抗裂、車轍、熱裂等破壞性能的途徑之一[1-2]。聚氨酯(PU)是一種彈性體，同時具備熱塑性塑料和橡膠的優點。目前有研究學者基于聚氨酯(PU)材料進行改性瀝青的研究，以取代價格昂貴的聚合物改性劑。研究表明，采用PU改性瀝青提高了抗車轍能力和高溫等級，滿足瀝青路面強度要求且耐磨，但提升程度有限。單獨摻入PU進行改性，不能有效改善瀝青混合料的綜合性能[3-4]。為此，本文選用石灰石粉(LF)作為改性瀝青的填料與PU復摻[5]，進行短期老化試驗和動態剪切流變試驗，研究填料與合成的聚氨酯在中高溫下對瀝青結合料流變性能參數的影響，包括復數剪切模量G*和相位角δ，并與單摻PU進行對比；同時還研究復摻LF對老化指數AI的影響，為PU改性瀝青的推廣和應用提供參考依據。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

(1)基質瀝青(BA)：為中石油重交瀝青70#，經過試驗測得主要技術指標及結果如表1所示。

(2)聚氨酯(PU)：為西安某科技有限公司生產，顏色灰白，分子結構中R-N=C=O含量為30.5%，多元醇羥值≥180 mg KOH/g，固體含量≥80%，斷裂伸長率為323%，拉伸強度為10 MPa，25 ℃黏度為1.01 mPa·s，異氰酸酯與多元醇的比例為100∶56。

1.2 制備

(1)單摻PU改性瀝青：采用BA和PU兩種材料。將基質瀝青加熱至完全融化，在130 ℃～140 ℃的溫度中高速攪拌10 min；將預熱至90 ℃的PU緩慢加入到瀝青中，高速攪拌10 min即可。PU摻量分別為瀝青總質量的3%、5%、7%。

表1 70#基質瀝青主要技術指標表

(2)與LF復摻改性瀝青：采用BA、PU和石灰石粉(LF)三種材料。考慮到填料的粉膠比推薦范圍為0.8～1.2，本文選取瀝青路面工程中常用的石灰石粉(LF)作為填料，粉膠比為1.0。

制備瀝青膠漿前將石灰石粉放入烘箱中(溫度設為105 ℃)干燥6 h。在攪拌前1 h將瀝青放入150 ℃的烘箱中加熱至流動狀態。正式攪拌前，將石灰石粉填料與完全融化的基質瀝青按粉膠比為1.0進行混合，并用玻璃棒人工攪拌使混合物大致均勻。采用恒溫油浴鍋對瀝青膠漿進行保溫(溫度150 ℃)，并在保溫同時采用數顯電動攪拌機對瀝青膠漿攪拌45 min，以使填料與瀝青混合均勻，置于150 ℃的烘箱中保溫1 h。將預熱至90 ℃的PU分別按瀝青總質量的3%、5%、7%緩慢加入到瀝青中高速剪切攪拌10 min即可。

(3)單摻PU或與LF復摻共制備8種瀝青試樣，分別為：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 試驗方案

1.3.1 短期老化試驗

采用旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT)，對瀝青試樣進行短期老化試驗，得到老化后試樣。老化瓶控制溫度為(163.0±0.5)℃，瀝青試樣在老化瓶再次進行老化，時間為85 min。

1.3.2 動態剪切流變試驗

動態剪切流變儀(DSR)在高溫下測定瀝青試樣的流變性能，包括復數剪切模量G*和相位角δ，由此得到抗車轍因子G*/sinδ。車轍因子反映瀝青試樣的抗車轍能力，值越大，高溫時的流動變形越小，則抗車轍性能越高。

在瀝青膠漿制備過程中，用DSR測定瀝青試樣的G*/sinδ，分析不同摻量對其抗車轍性能的影響。DSR試驗參數為：試樣厚度為1 mm，直徑為25 mm。應變值采用應變式控制模式，未老化樣品的應變設為12%，老化樣品的應變設為10%，頻率為1.59 Hz(10 rad/s)。

2 試驗結果與分析

2.1 摻入材料對車轍因子(G*/sinδ)的影響

圖1所示為試驗溫度為64 ℃對應的G*/sinδ值，短期老化后試樣均大于未老化試樣。與BA對比可知，單摻PU或與LF復摻均可提高瀝青結合料的G*/sinδ值，改善其抗車轍性能。與LF復摻改性瀝青的G*/sinδ值均大于相對應溫度下的單摻PU改性瀝青。與LF復摻的G*/sinδ值增大最顯著，較未老化BA增大4.7倍，較短期老化后BA增大3.6倍。

(a)64 ℃未老化

(b)64 ℃短期老化

2.2 PU摻量對車轍因子(G*/sinδ)的影響

瀝青試樣通常使用60 ℃來評價抗車轍性能，而事實上，瀝青路面在服役期間會在較大溫度變化范圍內受到外界荷載的作用。本文模擬瀝青路面在服役期間常溫下產生的疲勞變形和極端溫度荷載下產生的瞬時塑性變形，設定試驗溫度分別為58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃，試驗結果如圖2所示。

(a)單摻PU未老化

(b)與 LF 復摻未老化

(c)單摻PU短期老化

(d)與 LF 復摻短期老化

由圖2可知，無論是單摻PU還是與LF復摻，其摻量由3%增加到5%和7%時，起初階段G*/sinδ均迅速降低，隨溫度的升高降低趨勢減弱。單摻PU或與LF復摻摻量為3%和5%的改性瀝青經過短期老化后的G*/sinδ與未老化相比，沒有顯著變化，但摻量為7%的變化較為顯著。58 ℃和64 ℃時，與LF復摻的G*/sinδ降低速度較相對應溫度下的單摻PU顯著。70 ℃和76 ℃時，單摻PU或與LF復摻對應的G*/sinδ幾乎沒有變化。說明PU的摻量為7%時，其抗車轍性能基本達到最優。

試驗結果說明，瀝青的抗車轍性能隨溫度的升高而降低，但在高溫狀態下增加PU摻量明顯可減弱G*/sinδ的下降趨勢，提高抗車轍性能。與LF復摻的高溫性能改性效果較單摻PU的改性效果明顯，表明與LF復摻改性瀝青較其他類型瀝青具有較好的抗車轍性能。

2.3 復摻LF對老化指數AI的影響

未老化G*/sinδ與短期老化G*/sinδ的比值為老化指數AI。AI值越高，表明該瀝青試樣對老化的敏感性越高，更好地反映了瀝青試樣抗車轍、抗老化的性能。計算公式如下：

AI=(G*/sinδ)aged/(G*/sinδ)un-aged

(1)

式中：AI——老化指數；

(G*/sinδ)aged——未老化值；

(G*/sinδ)un-aged——短期老化值。

圖3 各瀝青試樣老化指數AI

計算結果繪制如前頁圖3所示。由圖3可知，與BA對比，單摻PU或與LF復摻均可降低AI值；單摻PU的老化指標和與LF復摻的老化指標差異較大，與LF復摻的AI值低于單摻PU。單摻PU摻量由3%增加到5%和7%時，隨溫度的升高，AI值均有增大，說明單摻PU對AI值均有正向影響。與LF復摻摻量由3%增加到5%和7%時，起初階段AI值均有增大，但增加幅度不大；隨溫度的升高，AI值幾乎保持不變。由此可知，單摻PU改善了瀝青結合料的流變性能，但易于老化，在PU改性瀝青中復摻LF，可有效降低改性瀝青老化的敏感性，提高其抗老化的性能。

3 結語

本文選用石灰石粉(LF)作為改性瀝青的填料與PU復摻，制備了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種瀝青試樣，進行短期老化試驗和動態剪切流變試驗。通過對比試驗結果，分析如下：

(1)單摻PU或與LF復摻均可改善瀝青結合料的抗車轍性能。與LF復摻的結合料車轍因子(G*/sinδ)值增大最顯著，較未老化BA增大4.7倍；較短期老化后BA增大3.6倍。

(2)單摻PU或與LF復摻摻量由3%增加到5%和7%時，隨溫度的升高，G*/sinδ降低趨勢減弱，說明PU的摻量為7%時，其抗車轍性能基本達到最優。與LF復摻的高溫改性效果較單摻PU效果明顯，表明與LF復摻較其他類型瀝青有較好的抗車轍性能。

(3)單摻PU的老化指標和與LF復摻的老化指標差異較大，與LF復摻的AI值低于單摻PU。單摻PU改善了瀝青結合料的流變性能，但易于老化；在PU改性瀝青中復摻LF，可有效降低改性瀝青老化的敏感性，提高其抗老化的性能。