吳 瓊

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 太原市 030032)

0 引言

普通基質(zhì)瀝青是傳統(tǒng)瀝青路面建設(shè)中的主要路面材料,但隨著我國(guó)道路交通量持續(xù)增長(zhǎng)、重載交通加大,傳統(tǒng)的基質(zhì)瀝青混合料路面耐久性差、溫度敏感性高等缺陷開(kāi)始凸顯開(kāi)來(lái),如何提高基質(zhì)瀝青的性能成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。聚氨酯(簡(jiǎn)稱PU)是一種熱固性高分子聚合物材料,具有抗老化與磨損性能強(qiáng)、彈性好等特點(diǎn)[1-2]。已有研究表明:聚氨酯改性劑的摻入可以有效提高瀝青混合料的高溫性能[3-5]。但目前已有研究對(duì)于PU改性瀝青混合料的綜合性能影響尚不完善。為了提高基質(zhì)瀝青混合料的綜合性能,在AC-13型基質(zhì)瀝青混合料中摻入聚氨酯改性劑,對(duì)其綜合性能進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)及工程應(yīng)用研究,對(duì)于聚氨酯改性瀝青混合料的推廣與應(yīng)用具有積極意義。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

(1)瀝青:選用殼牌70號(hào)基質(zhì)瀝青,主要性能如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青主要性能指標(biāo)

(2)PU改性劑:試驗(yàn)所用PU改性劑由聚氨酯預(yù)聚體、擴(kuò)鏈劑(MOCA)、稀釋劑組成,其中MOCA主要為了加強(qiáng)聚氨酯預(yù)聚體的固化、稀釋劑可以改善預(yù)聚體性能,降低改性瀝青黏度增長(zhǎng)速度,滿足施工需要[6]。

稀釋劑選用源邦化工材料有限公司生產(chǎn)的PU-10型稀釋劑,預(yù)聚體、擴(kuò)鏈劑(MOCA)均來(lái)自淄博華天橡塑科技有限公司,預(yù)聚體(H2143型)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 聚氨酯預(yù)聚體相關(guān)技術(shù)指標(biāo)(H2143型)

(3)集料:選用石灰?guī)r碎石集料,礦粉選用石灰?guī)r粉末,性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3～表5。

表3 粗集料相關(guān)性能檢測(cè)結(jié)果

表4 細(xì)集料相關(guān)性能檢測(cè)結(jié)果

表5 礦粉相關(guān)性能檢測(cè)結(jié)果

1.2 配合比設(shè)計(jì)

(1)礦料級(jí)配

選用AC-13級(jí)配,級(jí)配設(shè)計(jì)如表6所示。

表6 瀝青混合料級(jí)配組成(AC-13)

(2)確定最佳油石比

初選油石比4.5%～6.5%制備試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn),根據(jù)表7試驗(yàn)結(jié)果分析油石比與各項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)系,最終得到最佳油石比為5.8%。

表7 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方案

采用拉伸試驗(yàn)確定PU改性瀝青中聚氨酯預(yù)聚體的最佳摻入量;以SBS改性、基質(zhì)瀝青混合料作為對(duì)照組,參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的相關(guān)試驗(yàn)要求,對(duì)最佳聚氨酯預(yù)聚體摻量下的PU改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表8。

表8 室內(nèi)試驗(yàn)方案

2 PU改性劑最佳摻量確定

2.1 擴(kuò)鏈交聯(lián)劑、稀釋劑的摻量確定

擴(kuò)鏈交聯(lián)劑、稀釋劑的摻量根據(jù)已有研究[7]及廠家推薦摻量,分別取基質(zhì)瀝青質(zhì)量的10%、6%。

2.2 聚氨酯預(yù)聚體最佳摻量確定

預(yù)聚體的最佳摻量采用拉伸試驗(yàn)進(jìn)行確定,擴(kuò)鏈交聯(lián)劑、稀釋劑的摻量分別取10%、6%,初選預(yù)聚體的摻量為30%～50%,摻量以5%增加量遞增,基質(zhì)瀝青預(yù)熱(120℃～130℃)→依次加入預(yù)聚體、擴(kuò)鏈交聯(lián)劑、稀釋劑高速剪切(剪切機(jī)轉(zhuǎn)速2000rad/min、剪切攪拌溫度120℃)。分別制備不同預(yù)聚體摻量下的PU改性瀝青啞鈴狀試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

聚氨酯預(yù)聚體最佳摻量綜合考慮拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)行確定。由圖1可知,拉升強(qiáng)度隨聚氨酯預(yù)聚體摻量的增加而增加,當(dāng)聚氨酯預(yù)聚體摻量由30%提升到35%時(shí),拉伸強(qiáng)度得到巨大的提升,提升幅度達(dá)到93.43%,但當(dāng)摻量大于35%后,拉伸強(qiáng)度保持穩(wěn)定,略微增長(zhǎng);另一方面,斷裂伸長(zhǎng)率隨聚氨酯預(yù)聚體摻量增加大致呈線性降低趨勢(shì),這是因?yàn)榛|(zhì)瀝青含量隨著聚氨酯預(yù)聚體摻量增加而降低,PU改性瀝青的延展性由此出現(xiàn)降低,致使斷裂伸長(zhǎng)率逐漸降低。綜合考慮上述兩項(xiàng)指標(biāo),得到聚氨酯預(yù)聚體的最佳摻量為35%。

3 PU改性瀝青混合料路用性能分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知,相比于基質(zhì)瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料,PU改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別提升了約180%、17%,高溫穩(wěn)定性能提升顯著,這是因?yàn)镻U改性劑摻入后與瀝青發(fā)生固化反應(yīng)形成了交聯(lián)網(wǎng)狀體系,由此增強(qiáng)了瀝青膠結(jié)料的粘結(jié)力以及對(duì)集料的包裹能力,有效提升了高溫性能。

3.2 低溫抗裂性

小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表9可知,相比于基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青混合料,PU改性瀝青混合料的彎拉破壞應(yīng)變分別提升了約75%、29%,展現(xiàn)出了優(yōu)異的低溫抗裂性能。這是因?yàn)镻U改性劑的摻入有效提升了基質(zhì)瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度與延展性,由此增強(qiáng)了混合料的低溫抗裂性能。

3.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 浸水馬歇爾、凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知,一方面,在基質(zhì)瀝青混合料中摻入PU改性劑后,殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比均得到了一定的提升,分別提升了約9%、2%,抗水損害能力得到了有效提升;另一方面,PU改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料兩者的水穩(wěn)定性能相差不大。分析水穩(wěn)定性能提升的原因可知:PU改性劑有效提升了瀝青膠結(jié)料的粘結(jié)力以及對(duì)集料的包裹能力,可以降低水分對(duì)集料的剝離作用,從而提升水穩(wěn)定性能。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

某新建連續(xù)剛構(gòu)橋,作為新建高速公路的重要節(jié)點(diǎn),橋面鋪裝上面層采用PU改性瀝青混合料(AC-13)。施工現(xiàn)場(chǎng),橋面上面層鋪裝所用材料與配合比設(shè)計(jì)均與室內(nèi)試驗(yàn)一致,施工現(xiàn)場(chǎng)所用預(yù)聚體、擴(kuò)鏈劑(MOCA)、稀釋劑的摻量分別取35%、10%、6%,最佳油石比為5.8%。

4.2 施工要點(diǎn)

(1)溫度控制

各施工流程中,溫度控制標(biāo)準(zhǔn)參照表10進(jìn)行。

表10 混合料溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

(2)拌合

施工現(xiàn)場(chǎng)拌合料的投料順序與技術(shù)要點(diǎn)如下:集料加熱→集料干拌(時(shí)間5s)→噴入基質(zhì)瀝青,同時(shí)人工投放PU改性劑(依次投入預(yù)聚體、擴(kuò)鏈劑、稀釋劑)→濕拌(55s)→出料。

(3)攤鋪

現(xiàn)場(chǎng)攤鋪系數(shù)1.18,采用單機(jī)進(jìn)行攤鋪,速度宜控制在2～2.5m/min,連續(xù)、均勻進(jìn)行攤鋪。

(4)碾壓

碾壓過(guò)程應(yīng)注意如表11所示施工要點(diǎn)。

表11 碾壓技術(shù)要求

4.3 檢測(cè)及評(píng)價(jià)

該新建剛構(gòu)橋橋面鋪裝施工完成并通車的3年內(nèi)經(jīng)歷了不利的高溫及凍融循環(huán)天氣,且車流量大、重載交通多。對(duì)該橋面鋪裝進(jìn)行了為期3年的長(zhǎng)期觀測(cè),觀測(cè)結(jié)果表明:采用PU改性瀝青混合料作為橋面鋪裝后,路面平整度好,長(zhǎng)期路用性能優(yōu)異,未出現(xiàn)輪跡、裂紋等病害,實(shí)際應(yīng)用效果優(yōu)異。

5 結(jié)論

(1)在基質(zhì)瀝青混合料中摻入一定量聚氨酯改性劑后,高低溫性能得到了顯著提升,動(dòng)穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變分別提升了約180%、75%。

(2)PU改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能顯著優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料,與SBS改性瀝青混合料相差不大。

(3)建議 H2143型聚氨酯預(yù)聚體的最佳摻量取35%。

(4)PU改性瀝青混合料在橋面鋪裝實(shí)際應(yīng)用中,展現(xiàn)出了優(yōu)異的長(zhǎng)期路用性能,路面平整度好,未出現(xiàn)輪跡、裂紋等病害,具備推廣價(jià)值。