聚氨酯改性沥青及其混合料的性能研究

曾永亮

【摘 要】聚氨酯改性沥青性能稳定,较SBS改性沥青热稳定性更好,不会出现离析问题.以聚氨酯改性沥青制备为切入点,测试不同聚氨酯改性剂用量对沥青性能的影响,进而开展改性沥青混合料性能的研究,对比基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料,评价聚氨酯改性沥青混合料的路用性能. 【期刊名称】《山西交通科技》 【年(卷),期】2018(000)006 【总页数】4页(P34-36,43)

【关键词】聚氨酯;改性沥青;掺量;性能研究;路用性能 【作 者】曾永亮

【作者单位】山西省交通科学研究院,山西 太原 030006 【正文语种】中 文 【中图分类】U414.75 0 引言

聚氨酯树脂是一种热固性树脂，具有柔韧性好、耐候性好的特点，在涂料中常常用作改性剂制备沥青基防腐涂料[1]。聚氨酯树脂与沥青有较好的相容性，热存储稳定性好，较之SBS改性沥青，其与沥青内基团发生化学接枝和交联，而非物理共混，长期存放不会出现离析等问题[2]。刘颖[3-4]研究了聚氨酯改性沥青及其胶结

料的反应机理。研究发现，聚氨酯改性沥青具有优异的贮存稳定性，证实了聚氨酯化学改性的效果。聚氨酯改性沥青的性能对聚氨酯的种类和用量有较大影响。本文选择聚醚型聚氨酯对沥青进行改性研究，考察聚氨酯在不同掺量下对改性沥青及其混合料性能的影响。 1 试验用原材料 1.1 聚氨酯预聚体

聚氨酯是分子中含有（-NH-COO-）基团的聚合物，一般需要采用聚氨酯预聚体和扩链剂反应得到。试验中采用的是聚醚型预聚体，该种类型预聚体黏度小，流动性好，反应速度易控制，成本较低，其性能见表1。

表1 聚氨酯预聚体的性能参数和物理性能性能指标 试验结果工艺参数状态 无色透明凝胶时间/m i n 8 N C O/% 3.2物理性能拉伸强度/M P a 1 8回弹率/% 4 0邵氏硬度 7 3 1.2 扩链剂

选用对二邻氯苯胺甲烷（MOCA）作扩链剂，MOCA分子式为C12H12N2Cl2。MOCA储存稳定性好，可降低聚氨酯的合成反应速度。 1.3 基质沥青

基质沥青选用70号石油沥青，改性沥青为SBS改性沥青，基质沥青三大指标见表2。

表2 沥青的性能指标检测项目 软化点/℃ 针入度（25℃）/mm 延度（10℃）/cm基质沥青 48 76 23

2 聚氨酯改性沥青的制备方法

加热基质沥青至130℃，将沥青倒入高速分散釜内，在1 500 r/min的转速下分散5～10 min，在5 min之内少量多次的加入相容剂，加入扩链剂MOCA，继续分散10 min。预热聚氨酯预聚体，在保证温度和转速不变的环境下缓慢加入预聚

体，防止爆聚[5]。预聚体完全加入后继续反应20 min，得到聚氨酯改性沥青。 3 改性剂对沥青性能的影响

在聚氨酯改性沥青的制备中，分别加入不同剂量的聚氨酯预聚体，按照改性沥青的制备方法，制得改性剂含量1%、3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%的聚氨酯改性沥青。对不同聚氨酯含量的改性沥青进行针入度、延度、软化点的性能测试，试验结果见图1、图 2、图 3。 图1 改性沥青的针入度变化 图2 改性沥青的延度变化 图3 改性沥青的软化点变化

从图1中可以看出，针入度随聚氨酯掺量增多呈线性下降趋势，聚氨酯为热固性树脂，少量的聚氨酯即显著提高改性沥青的针入度。图2中聚氨酯掺量对改性沥青的延度影响最为显著，在聚氨酯掺量为7%之前延度有所提高，改性沥青的10℃延度由23 cm提高到32 cm，聚氨酯掺量继续提高时，改性沥青的延度大幅增长，当聚氨酯改性剂掺量为11%时延度达到56 cm，聚氨酯继续增加，改性沥青的延度增长无明显变化。从图3看出，在聚氨酯掺量为7%之前，软化点上升较快，聚氨酯掺量为11%时，软化点达到最大值℃，伴随着聚氨酯掺量持续增加，软化点在达到最大值后出现小幅下降的趋势，软化点在聚氨酯加入初期大幅提升的原因主要是聚氨酯和沥青的某些组分发生交联反应。

综合改性沥青三大指标的变化规律，聚氨酯改性剂掺量选为11%。图4是聚氨酯掺量为11%时改性沥青的室内延度试验照片。 图4 沥青延度试验照片 4 级配和油石比

按照AC-13混合料级配要求进行级配设计，所用集料为石灰岩，集料性能满足规范要求。选用0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～16 mm 四档料，合成级

配见图5。 图5 合成级配曲线

对不同油石比（4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%）的混合料进行马歇尔击实试验，分别测定混合料试件空隙率、稳定度等关键指标，结果见表3。通过表3确定OAC1为5.7%，OAC2为5.6%，最终确定最佳油石比OAC为5.7%。 采用以上油石比确定方法对基质沥青和SBS改性沥青进行马歇尔试验，最终得出基质沥青的最佳油石比为4.6%，SBS改性沥青的最佳油石比为5.1%，SBS改性沥青混合料马歇尔试验各项性能指标见表3。

表3 马歇尔试验各项指标的测试结果油石比/% 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 技术要求毛体积密度/g·cm-32.441 2.462 2.491 2.510 2.492 /空隙率/% 6.4 5.2 4.1 3.2 2.7 3～6矿料间隙率/% 14.3 14.5 14.6 14.9 15.5 大于等于13稳定度/kN 11.83 12.74 13.49 13.15 12.63 大于等于8流值/mm 1.98 2.87 3.21 3.62 4.14 2～4饱和度/% 57.5 63.6 69.1 74.2 79.6 65～75 5 改性剂对混合料路用性能的影响

确定好聚氨酯改性沥青的掺量后，对聚氨酯改性沥青和基质沥青、SBS改性沥青的混合料路用性能进行对比试验，研究聚氨酯改性沥青的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性。 5.1 高温稳定性

采用高温车辙试验对比测试3种沥青混合料的动稳定度，每组试件制备3个，数据满足离散性关系后取平均值，平均值试验结果见表4。从表4可以看出，基质沥青的动稳定度为1 832次/mm，SBS改性沥青的动稳定度为3 678次/mm，聚氨酯改性沥青的动稳定度为3 459次/mm。聚氨酯改性沥青的动稳定度较SBS改性沥青动稳定度偏低，数值上为SBS改性沥青的94%。但较基质沥青，动稳定度提升约1.9倍，聚氨酯改性沥青混合料仍具有不错的高温稳定性，满足改性沥青规范

要求的动稳定度2 800次/mm。

表4 高温车辙试验结果沥青混合料 试验车辙/mm 动稳定度/次·mm-1基质沥青 4.29 1 832 SBS改性沥青 2. 3 678聚氨酯改性沥青 3.09 3 459 5.2 低温抗裂性

对3种沥青混合料进行成型、切割得到标准试件，按照标准小梁弯曲试验方法进行测试，加载速度控制在50 mm/min，小梁试件的平均值试验结果见表5。 表5 低温弯曲试验结果沥青混合料 抗弯拉强度/MPa 最大弯拉应变/με基质沥青 6.92 2 241 SBS改性沥青 8.92 3 244聚氨酯改性沥青 9.26 3 697

从表5中看出，聚氨酯改性沥青的最大弯拉破坏应变是基质沥青的1.65倍，是SBS改性沥青的1.14倍。在低温下聚氨酯改性沥青较SBS改性沥青具有更高的抗弯拉性能，在承受相同弯拉强度下具有更大的弯拉应变。聚氨酯本身就有很好的柔韧性，聚氨酯链段与沥青结合后提高了沥青低温柔韧性，相较SBS改性沥青，聚氨酯改性沥青的低温性能更好。 5.3 水稳定性

对3种沥青混合料分别进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，测定混合料的残留稳定度和冻融劈裂残留强度比来评价3种混合料的抗水损能力，试验结果见表6。 表6 水稳定性试验结果 %沥青混合料 残留稳定度 冻融残留强度比基质沥青 83.1 80.3 SBS改性沥青 88.4 86.3聚氨酯改性沥青 .7 87.1

聚氨酯改性沥青的残留稳定度为.7%，冻融残留强度比为87.1%。与SBS改性沥青相比，两个数据均有所提高，反应出较好的水稳定性。聚氨酯改性沥青试件经60℃水浸泡后试件稳定度下降有限，残留稳定度和残留强度比都满足规范的要求。聚氨酯改性沥青试件水稳定性好的原因主要是由于聚氨酯自身耐水性好[6]，与沥青完全相容后形成的聚氨酯改性沥青与石料黏附性更强。 6 结语

借助不同掺量聚氨酯改性沥青的三大指标测试，发现在聚氨酯掺量为11%时综合性能最好。以此掺量进行路用性能试验，在最佳油石比下，对比3种沥青混合料的路用性能，聚氨酯改性沥青的动稳定度满足改性沥青的要求；与SBS改性沥青相比，其柔韧性更好，低温抗弯应变更高；由于聚氨酯改性沥青与石料的黏附效果更好，残留稳定度和冻融残留强度比均达到87%以上，表现出优异的耐水性能。

【相关文献】

[1]孟静波.聚氨酯沥青弹性防水涂料的制备[J].河南化工，2002（6）：21-29.

[2]孙大权，吕伟民.本苯乙烯丁二烯嵌段共聚物改性沥青热储存稳定性[J].同济大学学报，2002，30（9）：10-1067.

[3]刘颖，辛星.道路用聚氨酯改性沥青的制备工艺研究[J].中外公路，2015（5）：255-259. [4] 刘颖，辛星.道路用聚氨酯改性沥青的性能研究[J].石油沥青，2015（1）：48-53.

[5]李彩霞.聚氨酯改性沥青的制备及混合料路用性能评价[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2017（6）：958-963.

[6] 舒睿，张海燕，曹东伟，等.聚氨酯改性沥青混合料性能研究[J].公路交通科技（应用技术版），2015（12）：142-144.