摘要

通过拉伸试验、荧光显微镜试验和沥青旋转黏度试验确定聚氨酯(PU)改性沥青各组成原材料的最佳掺量及PU改性沥青的制备工艺参数。在此基础上，制备AC-13型PU改性沥青混合料，通过马歇尔试验确定在℃条件下混合料最佳固化养护时间为4h，通过测试其高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，并和基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料进行对比，发现PU改性沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性均明显优于基质沥青和SBS改性沥青，其水稳定性与SBS改性沥青混合料相差无几。在提高沥青混合料路用性能方面具有非常好的发展前景。

关键词

道路工程

聚氨酯改性沥青

制备工艺

沥青混合料

路用性能

随着我国公路交通建设事业的迅速发展，对道路建设的要求也越来越高。水泥混凝土路面由于其抗滑性能差、建设周期长、后期养护投入大以及高噪音污染等缺点逐渐被沥青混凝土路面所取代[1，2]。而现代高速公路等高等级道路由于交通密度大、交通量多、车辆轴载重等特点导致沥青混凝土路面易出现车辙、裂缝、使用年限短等问题[3]。因此，对沥青混凝土路面建设所需的沥青材料的要求也越来越高[4]。

聚氨酯(PU)作为一种新型热固性高分子材料，具有弹性好、耐老化、抗磨损能力强、低温延展性好等优点，最近几年逐渐被应用于改性沥青领域[5]。聚氨酯在高温下加入沥青中会发生固化反应，在扩链交联剂的作用下会形成网状结构体系，能有效提高体系的高低温性能，降低对温度及荷载作用的敏感性，成为一种适应当前交通环境的新型高性能改性沥青[6]。然而由于聚氨酯(PU)改性沥青制备过程较为繁杂，当前缺少对其制备工艺参数优化和确定各材料最佳掺量配比方案的细化研究，导致PU改性沥青难以运用到实际工程中。

本文基于已有的研究，针对聚氨酯改性沥青制备过程中高温易固化的特点，通过一系列相关试验进行制备工艺中关键参数的优化，确定出各材料的最佳掺量配比方案。在此基础上制备PU改性沥青混合料进行室内试验，并与基质沥青、SBS改性沥青混合料进行性能对比分析，综合评价PU改性沥青的路用性能，为聚氨酯改性沥青混合料的推广使用提供参考与经验。

原材料及试验方法

原材料

基质沥青为韩国SK90号沥青；采用济宁某公司生产的二胺类扩链交联剂MOCA，张家港某公司生产的环保型活性稀释剂和聚醚型聚氨酯预聚体JM-PU；文中所采用的粗集料(4.75mm及以上)为产自陕西省的玄武岩碎石，细集料(4.75mm以下)为产自陕西省的石灰岩机制砂，矿粉为石灰岩矿粉。

试验方法

(1)拉伸试验。

采用由天津市某仪器厂生产的WDL-型电子拉力试验机，将隔离剂均匀涂抹在哑铃状试模内部后置于洁净的玻璃板上，并放入℃的烘箱中预热30min，预热结束后将PU改性沥青倒入试模内并保证能均匀分布在其中，最后将试模置于℃烘箱中保温养护4h后，置于室温下冷却并以工具将其铲平，将试件取出用拉力机的夹具固定好进行拉伸试验。试验时温度为23℃，拉伸速率为mm/min。

(2)荧光显微镜试验。

采用由上海某公司生产的DMY-型荧光显微镜，将适量制备好的PU改性沥青用滴管滴在载玻片上，盖上盖玻片，同时轻轻按压使PU改性沥青分散成薄层，置于物镜下进行观察，从而获得试验结果。荧光显微镜放大倍数为倍。

(3)黏度试验及混合料路用性能试验。

严格遵守《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-)中的相关规定及要求进行沥青旋转黏度试验和PU改性沥青混合料的路用性能试验研究。

矿料级配及最佳油石比的确定

结合实际路面铺装结构，采用AC-13型级配进行试验(表1)。按表1中的级配成型5组混合料油石比，分别为4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%的马歇尔试件，根据马歇尔试验得到相关指标(表2)，最终得到

AC-13PU改性沥青混合料最佳油石比为6.0%。

PU改性沥青的制备

制备工艺

将基质沥青置于烘箱中预热至℃~℃，软化后置于加热炉上，在高速剪切机(rad/min)的作用下加入定量聚氨酯预聚体剪切搅拌，再依次加入扩链交联剂MOCA、稀释剂进行剪切搅拌，制成PU改性沥青。由于聚氨酯为热固性材料，在高温条件下极易发生固化，因此在PU改性沥青制备全过程中应以温度计进行控温，且通过查阅相关文献以及参考本课题组已有研究，将剪切搅拌温度定为℃[7，8]。各原材料的最佳掺量和聚氨酯的最佳剪切搅拌时间将通过以下试验确定。

聚氨酯预聚体最佳掺量的确定

为了确定聚氨酯预聚体JM-PU的最佳掺量，基于本课题组前期研究成果[9]，扩链交联剂MOCA的掺量采用JM-PU掺量的10%。选取沥青质量的30%、35%、40%、45%、50%等5种掺量的JM-PU，通过拉伸试验确定出PU的最佳掺量，试验结果见图1。

由图1可知，PU改性沥青的拉伸强度随着PU掺量的增加而增大，在PU掺量从30%增加到35%时，其拉伸强度增长十分迅速，当PU掺量由35%提升为50%时其拉伸强度增长幅度变小；而PU改性沥青的断裂伸长率随着PU掺量的增加而逐渐减小且趋势大致不变。这是因为在高温条件和扩链交联剂的作用下，PU加入沥青中发生了固化反应形成了较为稳定的三维交联网状结构，这使得体系的强度得到大幅提高；同时随着PU掺量的增加，沥青的含量随之减小，使得改性沥青体系的延展性变差，导致其断裂伸长率逐渐减小，因此综合考虑这两方面对PU改性沥青性能的要求，确定PU的最佳掺量为35%。

PU搅拌时间的确定

聚氨酯在沥青中是否完全分散，将直接影响改性沥青的固化反应和三维交联网状结构的形成，最终影响PU改性沥青的性能[10]。聚氨酯加入沥青后的搅拌时间影响聚氨酯在沥青中的分散程度，因此需要确定聚氨酯加入沥青后的最佳搅拌时间。由于聚氨酯是一种具有荧光效应的材料，故可以通过荧光显微镜观察聚氨酯在沥青中的分散程度，进而确定PU改性沥青的最佳剪切搅拌时间。分别制备搅拌时间为2min、5min、8min的PU改性沥青，置于荧光显微镜进行观察，从而获得试验结果(如图2所示)。

由图2可知，当搅拌时间为2min时，JM-PU(荧光亮色部分)在沥青中有团聚的现象，分散不均匀；当搅拌时间为5min时，JM-PU在沥青中无团聚现象，分布的相当均匀；当搅拌时间为8min时，JM-PU颗粒在沥青中分布较搅拌5min时有轻微提升，故将PU改性沥青的最佳剪切搅拌时间确定为5min。

稀释剂最佳掺量

为保证实际施工的正常进行，沥青黏度增长到MPa·s所用的时间控制在55~75min之间较为合适，这便是容留时间[11]。但由于聚氨酯为热固性材料，在高温条件下加入沥青中会迅速完成固化反应，使得体系黏度快速增长，难以满足实际施工的需要。因此需加入一定量的稀释剂来调节PU改性沥青体系的黏度增长速率。分别制备稀释剂掺量为聚氨酯预聚体掺量的2%、4%、6%、8%、10%等5组PU改性沥青，在℃条件下进行黏度试验，黏度曲线图如图3所示。

由图3可知，不同稀释剂掺量下PU改性沥青的黏度增长到MPa·s所用的时间有不同程度的延长，其中6%、8%、10%3组稀释剂掺量下的PU改性沥青的黏度增长速率满足实际施工要求；而随着稀释剂用量的增加，PU改性沥青的拉伸强度也会随之减小。综合考虑PU改性沥青的性能和实际施工要求两方面因素的影响，确定稀释剂的最佳掺量为6%。

PU改性沥青混合料路用性能评价

PU改性沥青混合料固化时间的确定

聚氨酯与环氧树脂为热固性材料，热固性材料的强度增长规律在不同温度和不同时间下呈现不同的规律[12]。因此，为了准确研究PU改性沥青混合料的各项路用性能，评价其各项性能指标，应首先确定其固化时间[13]。按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-)的要求制备5组马歇尔试件，每组试件为4个，放置在℃的烘箱中固化养护，固化养护时间分别为0h、2h、4h、6h、8h。并测算固化后马歇尔试件的60℃马歇尔稳定度。试验结果如图4所示。

由图4可知，PU改性沥青混合料的稳定度随着固化养护时间的增加而增大。未固化的试件和固化8h的试件的马歇尔稳定度对比相差了15.92ｋＮ，相差近1.7倍，由此可知高温固化会对PU改性沥青混合料的性能产生较大幅度的提升。从未固化到℃条件下固化4h的过程中，PU改性沥青混合料的稳定度的增长速率较快，从4h增长到8h的过程中，稳定度增长速率平缓，稳定度相差较小，因此将PU改性沥青混合料在℃条件下的最佳固化时间确定为4h。

高温稳定性

通过车辙试验研究PU改性沥青混合料的高温稳定性，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-)的规定成型结合料分别为PU改性沥青、基质沥青、SBS改性沥青的3种AC-13型沥青混合料车辙板试件进行车辙试验。试验温度采用60℃，轮压采用0.7MPa，试验结果如图5所示。

由图5车辙试验结果可以看出，PU改性沥青混合料的动稳定度分别是基质沥青和SBS改性沥青混合料的9.97倍和4.21倍，得到了大幅提升，且PU改性沥青混合料的车辙深度远小于基质沥青和SBS改性沥青混合料的车辙深度，这表明PU体系的加入有效提升了沥青混合料的高温性能。这是因为PU体系在高温条件下加入沥青中发生了固化反应，在扩链交联剂的作用下形成交联网状体系，提高了沥青体系的黏结力，同时加强了对集料的裹覆力，因此PU改性沥青的高温稳定性得到较大提升。

低温抗裂性

通过低温小梁弯曲试验对PU改性沥青混合料的低温抗裂性能进行研究，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-)规定成型3种结合料，分别为PU改性沥青、基质沥青、SBS改性沥青的AC-13型沥青混合料小梁试件，在加载速率为50mm·min^-1，温度为-10℃下进行小梁弯曲试验，试验结果如表3所示。

由表3可知，PU改性沥青混合料在-10℃下破坏时的跨中挠度和弯拉应变均为最大，基质沥青混合料的跨中挠度和弯拉应变均为最小，SBS改性沥青混合料的值在两者之间。表明PU改性沥青对沥青混合料的低温性能有较大幅度的提升，且效果明显优于SBS改性沥青。这是因为PU的加入不仅提高了沥青体系的黏结强度，还使得体系的低温延展性得到提高，从而使得PU改性沥青混合料的低温性能得到提高。

水稳定性

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价PU改性沥青混合料的水稳定性。3种类型沥青混合料的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果如图6所示。

由图6可知，PU改性沥青混合料的残留稳定度ＭS0最大，分别是基质沥青和SBS改性沥青混合料的1.09倍、1.02倍，这说明PU改性沥青能有效提升沥青混合料的抗水损害能力，主要原因是PU的加入提升了沥青体系的黏结力，加强了对集料的裹覆性，降低了水分对集料和结合料的剥离作用，从而使混合料的抗水损害性能得到提升；而PU改性沥青混合料的冻融劈裂强度比TSR达到了84.6%，为基质沥青混合料的1.02倍，但相比于SBS改性沥青混合料略低，这表明PU体系的加入对沥青混合料抗冻融性的影响较SBS改性沥青稍弱。

结语

(1)通过拉伸试验、荧光显微镜试验和沥青旋转黏度试验确定了PU改性沥青各组成原材料的最佳掺量和最佳搅拌时间。推荐各材料最佳掺量配方案为：聚氨酯预聚体JM-PU的掺量为基质沥青掺量的35%，稀释剂的最佳掺量为聚氨酯预聚体JM-PU掺量的6%；PU加入后的最佳剪切搅拌时间为5min。

(2)通过制备5组马歇尔试件并置于℃烘箱中固化养护0h、2h、4h、6h、8h后进行马歇尔稳定度试验，通过试验结果分析出PU改性沥青混合料的稳定度随着固化时间的增长而增大，并确定其最佳固化养护时间为4h。

(3)由车辙试验和低温小梁弯曲试验的结果可知，3种沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性的优劣顺序为PU改性沥青混合料＞SBS改性沥青混合料＞基质沥青混合料，其中PU改性沥青混合料的动稳定度远远大于SBS改性沥青，这表明PU体系能显著提高沥青混合料的高温性能，有效降低车辙病害发生的几率；同时PU的加入使得改性沥青体系的低温延展性得到改善，从而提高了沥青混合料的低温性能。由浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果可知，PU改性沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比均在规范要求的范围内，且明显优于基质沥青，而相比于SBS改性沥青混合料，两者的水稳定性能相差无几。

全文完。首发于《公路》年3月。登陆

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