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聚氨酯混淆料与沥青混淆料路用性能评价比照

宣布日期：

2024-11-18

摘要

随着车流量与车辆荷载的不绝增da，门路工程建设中对门路质料的要求也逐步提高。除了普通改性沥青外，人们开始关注非沥青质料在路面质料中的应用。其中，聚氨酯质料受到广泛关注。该文通过肯塔堡飞散试验、冻融劈裂试验、低温小梁弯曲试验、趁魅辙试验、抗滑试验与四点小梁弯曲试验比照了基质沥青、SBS改性沥青与5种差别配比的聚氨酯混淆料的路用性能。试验结果标明：含有合适比例异氰酸酯的聚氨酯混淆料的抗松散、低温抗裂、抗水损、抗趁魅辙及抗滑性能均优于古板沥青混淆料，更适合于高温重载交通路面。异氰酸酯比例较高的聚氨酯混淆料的抗剥落性能、强度与抗滑性能较好。

要害词：聚氨酯混淆料 | 异氰酸酯 | 路用性能 | 比照剖析

随着越来越多的沥青路面建成使用，路面养护的事情量越来越大。据统计，在“十二五”期间，约18万km国道、省门路面需要进行大、中修养护，每年工程用度约为1000亿元。生存性养护是一个新看法，是通过加设罩面层实现对原有门路结构性的�；�，不但仅是预防性养护仅对路面使用功效性提升，并且能够包管路面结构损坏泛起的时间往后延长5~10年，大大节省门路全寿命建设养护用度。应用于生存性养护的门路质料需满足耐久性强、各项路用性能指标突出的要求。随着门路改性质料的推广，一些非沥青质料也逐步应用到门路行业中。

聚氨基甲酸酯(简称聚氨酯Polyurethane，英文缩写PU)是一种新型高分子合成质料。聚氨酯的研究开发zui初是Ottobayer即是1937年在德国勒沃库森的I.G.Farben实验室开始。经过80多年的生长，聚氨酯现已成为世界上6大合成质料之一。半个多世纪以来迅速用于制造纤维、胶黏剂、铺装质料等，目前已广泛应用于交通、建筑等领域。聚氨酯混淆料，作为一种以聚氨酯为胶结料的新型路面铺装质料，与古板沥青胶结料相比，具有更好的耐久性、高温稳定性等路用性能，可以大幅减少养护维修频率与用度。聚氨酯胶结料的黏结强度高，也适合制成大孔隙混淆料，在具有快速排水功效的同时也拥有良好的力学性能。这种路面质料正切合中国“海绵都会”的生长理念，对缓解中国都会内涝，提升都会生态情况都有积极作用。别的，聚氨酯胶结料为水性质料，无毒环保，并可实现常温拌和。综上所述，将聚氨酯应用于门路生存性养护，将具有较为理想的养护效果。

目前已有较多关于聚氨酯改性沥青及混淆料性能方面的研究。吕文江等对聚氨酯改性沥青的制备工艺进行了研究，向基质沥青中加入聚氨酯预聚体，确定了其zui佳掺量。并对聚氨酯改性沥青混淆料与常见沥青混淆料的高温稳定性与水稳定性进行了比照评价。结果标明：聚氨酯改性沥青混淆料的高温稳定性与低温抗裂性能均明显优于SBS改性沥青混淆料；舒睿研究了制备温度、时间对聚氨酯改性沥青性能的影响，也对聚氨酯改性沥青混淆料与其他改性沥青混淆料的各项路用性能进行了比照剖析；祁冰将聚氨酯改性沥青应用于桥面铺装，以改善钢桥面变形大的问题。选用两种差别类型的聚氨酯树脂对基质沥青进行改性，通过拉伸试验、离析试验、荧光显微镜试验剖析及布式黏度试验划分确定了两种聚氨酯改性沥青中各组分的zui佳掺量及固化温度，并通过一系列室内试验对两种聚氨酯改性沥青混淆料的强度及路用性能进行了研究。综合目前的研究现状，可以看出：关于聚氨酯质料在门路工程领域的应用研究中，大大都研究是将聚氨酯质料作为掺量较高的添加剂加入到沥青中对其改性，而针对将纯聚氨酯作为胶结料制备门路混淆料的研究相对较少。

聚氨酯质料主要由多元醇(柔性链)和多异氰酸酯(刚性链)组成，多异氰酸酯和多元醇通常占到聚氨酯组成的80%以上，两种原料的性能对聚氨酯性能影响较大。聚氨酯树脂原料品种较多，导致聚氨酯质料的多样化，应用广泛，这是聚氨酯树脂的一大特色，它可以通过调解异氰酸酯与多元醇种类和分子量来制备差别硬度和弹性的聚氨酯质料。

综上所述，聚氨酯黏合剂在铺面工程领域内的使用仍然具有较大研究空间。关于将聚氨酯作为简单胶结料制备门路混淆料并测试性能的研究还相对较少，且关于差别多元醇和多异氰酸酯比例关于其性能的影响，也缺少较为quan面的门路试验来进行评价。该文通过试验比照聚氨酯混淆料和沥青混淆料的路用性能，包括抗松散性能、低温抗裂性能、高温稳定性能与抗滑性能，探究差别多元醇和多异氰酸酯比例对其性能造成的影响，为聚氨酯质料在门路工程领域的应用与设计研发提供一定参考。

试验质料与试验计划

试验质料

胶结质料包括70�；柿で唷�4.5%SBS改性沥青以及5种差别配比的聚氨酯。其中，沥青的技术指标如表1所示。

聚氨酯混淆料与沥青混淆料路用性能评价比照

测试原料聚氨酯由巴斯夫聚氨酯特种产品(中国)有限公司提供，在原聚氨酯配方基础上进行革新，共提供5种差别配方样品，聚氨酯-1~聚氨酯-5中，多元醇与异氰酸酯的比例划分为100:40、100:50、100:60、100:70、100:80。别的，接纳由巴斯夫聚氨酯特种产品(中国)有限公司生产的环保型固化剂JB-1与催化剂，固化剂与聚氨酯的质量比为4:10，催化剂与聚氨酯的质量比为1:80。

聚氨酯混淆料制备要领

高分子聚合物的化学反应速度与反应温度有关。聚氨酯固化反应速度与反应温度成指数关系，随温度的上升，聚氨酯会快速固化。因此，为包管充裕的反应时间，制备接纳冷拌形式，差池石料或者搅拌锅进行加热，在室温条件下制备。需要注意的是，由于聚氨酯预聚体较生动，容易与水分爆发反应爆发二氧化碳，影响体积稳定性，因此，对粗、细集料及填料需在使用前充分干燥，待自然冷却后使用。

由于聚氨酯早期无法提供足够黏结力，单面击实50次后，如果翻面重新计时，则原先压实部分的石料将会在翻转历程中重新散开，失去前期压实效果。因此，聚氨酯接纳单面击实。

击实完成后，聚氨酯尚不可提供足够的黏结力，若凭据有关沥青规范，立即去除底座侧放将会导致沥青混淆料散落。为包管聚氨酯混淆料具备富足的固化时间，借鉴水泥混凝土养生计划，将聚氨酯混淆料在模底座中静置固化24h后再取出。

试验计划

(1)肯塔堡飞散试验及浸水肯塔堡飞散试验

按标准击实法成型马歇尔试件，待强度形成后，将试件分为两组：干燥组在20℃条件下养护7d；浸水组在恒温水浴20℃条件下养护7d。以此划分评价聚氨酯混淆料在干燥与浸水条件下的抗松散性能。试验参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混淆料试验规程》中T0733-2011进行，以飞散后试件的质量损失率作为评价其抗松散性能指标。

(2)冻融劈裂试验

冻融劈裂试验是一种常见的用来权衡质料低温抗裂性能的试验要领。凭据JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混淆料试验规程》中T0729-2000划定，加载速率接纳50mm/min，试件冻融前后各进行4次平行试验。关于3种聚氨酯混淆料以及沥青混淆料划分制作4组马歇尔试件。将其中1组试件按JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混淆料试验规程》中T0729-2011进行制备。1组冻融循环为试件真空饱水后在-18℃冰箱中冷冻16h，冷冻后立即放入60℃恒温水箱中保温24h，随后放入20℃水中浸泡0.5h。另2组不处理的试件在20℃条件下养生2h以上后进行试验。

(3)低温弯曲试验

为进一步丈量聚氨酯混淆料在低温下的力学性能，凭据沥青混淆料弯曲试验规程进行，测定混淆料在划定温度和加载速率时弯曲破坏的力学性质。将轮辙成型的试件切割成30mm×35mm×250mm的小梁，跨径为200mm，试验温度为(-10±0.5)℃，加载速率为50mm/min。试件加载装置为ＭTＳ万能试验机。

(4)高温趁魅辙试验

趁魅辙试验是测试高温稳定性zui常用的试验。其通过在恒温箱内施加轮载造成yong久变形，模拟高温下车辆行驶荷载对路面爆发的趁魅辙病害。凭据JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混淆料试验规程》中T0719-2011对聚氨酯混淆料和沥青混淆料进行趁魅辙试验，剖析比照其高温稳定性，其中试验温度设定为60℃，试件接纳标准趁魅辙试块：300mm×300mm×50mm，胎压为0.7MPa。趁魅辙试验中，以动稳定度作为评价指标。

(5)抗滑性能试验

抗滑性能是路面包管车辆行驶宁静的zui主要因素之一。路面外貌的形貌在公路研究领域一般表述为路面结构�；煜峡够阅苤饕治旯劢峁挂约拔⒐劢峁箍够阅�。宏观结构指由于粒径巨细以及胶结料掺量、空隙率等因素影响而造成的路表不均匀水平，主要由骨料的形状、粒径、排列和空隙决定，受施工工艺、交通状况和使用时间的影响。微观结构则指与轮胎接触的集料外貌的微观结构，集料顶部平滑的微观结构与胎面橡胶爆发黏着摩擦，爆发黏着摩擦力。微观结构主要由粗集料、胶结料膜膜厚度等因素决定。

由于聚氨酯混淆料和沥青混淆料级配以及石料类型相同，因此结构深度预计差别不大。因此，该文将主要通过测试摆值来比较两者的抗滑性能。首先成型300mm×300mm×50mm的标准趁魅辙板，然后在趁魅辙试件上用摆式仪测定摩擦系数。测试要领遵循JTGE60-2008《公路路基路面现场测试规程》中T0964-2008执行。在趁魅辙板的同一个点上平行测定3次，取平均值作为该点的代表值。当路面温度为T℃时，测得的摆值为BPNT，按式(1)换算成20℃的摆值BPN20。

聚氨酯混淆料与沥青混淆料路用性能评价比照

聚氨酯混淆料与沥青混淆料路用性能评价比照

(6)疲劳性能试验

四点小梁弯曲疲劳试验(简称4PB)用于评价沥青混淆料的疲劳性能。按相关规范要求制备沥青混淆料试件，并切割成尺寸为380mm×63.5mm×50mm的四点小梁试件。4PB试验中接纳NFNM法作为判断改性沥青疲劳破坏的标准。试验温度为25℃，加载频率为10Hz，应变为1000με。每组试件3个平行样品。

试验结果与讨论

肯塔堡飞散试验

将基质沥青、4.5%SBS改性沥青及差别多元醇与异氰酸酯比例的聚氨酯制成混淆料，并进行未浸水与浸水条件下的肯塔堡飞散试验。差别种类混淆料的肯塔堡飞散损失率对好比图1所示。

聚氨酯混淆料与沥青混淆料路用性能评价比照

由图1可得：未浸水组试件的飞散质量损失率均远远低于20℃浸水7d组的损失率，但无论浸水与否，差别混淆料之间的比照排序基本一致。干燥条件下，差别混淆料之间的抗飞散性能比照排序为：聚氨酯-3＞4.5%SBS改性沥青＞聚氨酯-2＞聚氨酯-4＞聚氨酯-5＞聚氨酯-1＞基质沥青。浸水后的抗飞散性能比照排序为：4.5%SBS改性沥青＞聚氨酯-3＞聚氨酯-4＞聚氨酯-2＞聚氨酯-5＞聚氨酯-1＞基质沥青。干燥与浸水条件下的飞散试验结果比照说明，聚氨酯混淆料的抗松散及水损害性能明显优于基质沥青，干燥条件下，经过合适配方调配的聚氨酯混淆料性能甚至能够优于4.5%SBS改性沥青。但总体而言，聚氨酯混淆料在抗松散性能方面的水敏感性高于SBS改性沥青。

对差别多元醇与异氰酸酯比例的聚氨酯混淆料进行比较，可以发明：随着异氰酸酯比例的上升，聚氨酯混淆料的抗松散性能泛起先上升后下降的趋势，当多元醇与异氰酸酯的比例为100:60时，无论是干燥条件照旧浸水条件下的混淆料抗松散性能均为zui佳。这说明，从聚氨酯混淆料抗松散性能考虑，多元醇与异氰酸酯保存着zui佳配比。当异氰酸酯(刚性链)含量较高时，聚氨酯质料的交联度大、极性强、内聚能大，因此泛起出较强的抗飞散性能。但当异氰酸酯的比例过高(多元醇:异氰酸酯≥100:70)时，则会泛起抗飞散性能下降的现象，剖析认为是以下原因造成：①过量的异氰酸酯可能会加剧聚氨酯合成中副反应的历程，导致多元醇与异氰酸酯的有效反应不充分，减少了聚氨酯与石料的实际接触面积，从而降低了混淆料的内聚性能；②当异氰酸酯比例较高时，聚氨酯质料的柔韧性较差、脆性较大，容易在外力的作用下爆发裂纹。因此在试件成型压实历程中，有可能对试件内部造成损伤，导致其成型后的抗松散性能弱于异氰酸酯比例较低的聚氨酯混淆料。

冻融劈裂试验

利用冻融循环中水的冷冻膨胀造成聚氨酯膜的破坏效果。划分对试件进行冻融前后的劈裂强度测试，以表征其低温抗裂性能及抗水损性能。差别混淆料的冻融劈裂融试验结果如图2所示。

聚氨酯混淆料与沥青混淆料路用性能评价比照

由图2可以看出：无论经历冻融循环与否，种种混淆料的劈裂强度比照均泛起出聚氨酯混淆料＞4.5%SBS改性沥青＞基质沥青的现象。其中，未经历冻融循环时，随着聚氨酯中异氰酸酯比例的增长，其混淆料的劈裂强度呈逐步上升的趋势。而经历冻融循环后，聚氨酯混淆料的劈裂强度则会随着异氰酸酯比例的增长而呈下降趋势。从冻融劈裂强度比(TSR)这一指标来看，3类混淆料中，SBS改性沥青具有zui优的抗水损害性能，低异氰酸酯比例的聚氨酯混淆料与基质沥青混淆料相近，而随着异氰酸酯比例的上升，聚氨酯混淆料的TSR指标逐步下降，说明其抗水损害性能逐渐衰减，水敏感性上升。剖析爆发这一现象的原因可能为：

(1)使用的5种聚氨酯胶结料玻璃化转变温度高，故在60℃水浴后也难以修复水分冻胀造成的聚氨酯膜破坏，爆发的yong久破坏导致聚氨酯混淆料试件抗裂强度有较大幅度的下降。

(2)当聚氨酯混淆料处于浸水、冻融循环的条件下，水会取代一部分多元醇与异氰酸酯进行反应，导致多元醇与异氰酸酯之间的有效反应不充分，降低了聚氨酯混淆料在浸水条件下的内聚黏结性，使得TSR指标下降。

但由图2可知：纵然聚氨酯混淆料抗裂强度下降幅度大，但其强度绝对值相较于沥青混淆料仍比较大。通过3类混淆料冻融后劈裂强度比照可知，聚氨酯混淆料强度皆强于沥青混淆料。综合冻融循环前后的强度比照，认为多元醇与异氰酸酯的比例为100:50的聚氨酯-2类混淆料为zui优选择。

低温弯曲试验

利用低温小梁弯曲试验测试试件的抗弯拉强度，以表征混淆料的低温性能。差别混淆料的低温弯曲试验结果如图3所示。

聚氨酯混淆料与沥青混淆料路用性能评价比照

由图3可知：差别聚氨酯混淆料的抗弯拉强度值均高于基质沥青混淆料与4.5%SBS改性沥青混淆料，说明相较于沥青混淆料，聚氨酯混淆料具有更优异的低温对抗荷载能力。随着聚氨酯中异氰酸酯比例的增加，聚氨酯混淆料的低温性能逐步提高，但异氰酸酯比例过高(多元醇与异氰酸酯的比例为100:80)时，这种低温性能的提升效应开始减弱。

高温趁魅辙试验

3类沥青混淆料高温趁魅辙试验结果见图4。

聚氨酯混淆料与沥青混淆料路用性能评价比照

由图4可知：在同一级配同一掺量的情况下，聚氨酯混淆料的高温稳定性显著优于沥青混淆料，且视察试验后的试件可以发明：聚氨酯混淆料基本无明显趁魅辙现象。随着聚氨酯中异氰酸酯比例的增加，聚氨酯混淆料的高温稳定性泛起逐步上升又下降的趋势。较高异氰酸酯比例(多元醇:异氰酸酯≥100:80)下混淆料试件的高温稳定性泛起下降的现象是因为试件脆性较大，可能在成型历程中内部就已有裂纹爆发来解释。

由试验获得聚氨酯混淆料具有优异的抗趁魅辙性能，可预测获得聚氨酯胶结料在ji端高温情况下仍能坚持良好的性能。其不但可以充分满足一般门路的使用要求，同时相较于沥青混淆料，更适用于高温重载交通路面。

抗滑性能试验

为了测试并比照种种混淆料在磨耗前后的抗滑性能，划分将趁魅辙试验前的试件与经历5000次趁魅辙试验的试件进行抗滑性能测试，并将前后两次的试验结果进行比照，如图5所示。

聚氨酯混淆料与沥青混淆料路用性能评价比照

由图5可知：总体上，3类混淆料中，4.5%SBS改性沥青混淆料的抗滑性能zui佳。低异氰酸酯比例的聚氨酯混淆料抗滑性能不佳，甚至不如基质沥青，而随着异氰酸酯比例的上升，其抗滑性能有明显提高。当异氰酸酯比例较高时，其抗滑性能抵达甚至略微凌驾4.5%SBS改性沥青的抗滑水平。

经过5000次趁魅辙荷载碾压后，种种混淆料的抗滑性能比照有所差别。聚氨酯类混淆料抗滑性能在抗磨耗方面的优势体现出来。3类混淆料中，聚氨酯混淆料磨耗后BPN值下降率zui小，且异氰酸酯比例越大，BPN值下降率越小。这是因为关于聚氨酯混淆料来说，由于其与石料的黏结很是好，路表经轮胎恒久磨损后，仍然会有一定厚度聚氨酯笼罩在石料外貌，从而起到一定�；ぷ饔�。因此，聚氨酯混淆料的恒久抗滑性能可能优于沥青混淆料。并且通过比照可知，聚氨酯中异氰酸酯比例越大，抗滑性能与抗磨耗性能越好。

疲劳性能试验

对基质沥青混淆料、4.5%SBS沥青混淆料以及5种聚氨酯混淆料的小梁试件进行4PB疲劳试验，试验结果如图6所示。

聚氨酯混淆料与沥青混淆料路用性能评价比照

由图6可以看出：3类混淆料的疲劳性能比照为：4.5%SBS改性沥青＞聚氨酯混淆料＞基质沥青混淆料。相关于基质沥青混淆料，聚氨酯混淆料对抗变形的能力显著提升，因此在重复荷载作用下，其内部泛起裂纹的时间会延后。但由于聚氨酯质料与SBS改性沥青相比，其弹性性能较差，难以贮存耗散外力所做的功，因此聚氨酯混淆料较“脆”，尽管模量较高，但一旦泛起微小裂纹，内部裂纹很容易迅速生长，zui终导致疲劳破坏。

别的，随着聚氨酯中异氰酸酯比例的增加，聚氨酯混淆料的疲劳性能泛起逐步上升的趋势，但当异氰酸酯比例过高(聚氨酯-5)时，该类聚氨酯混淆料的疲劳性能有明显的下降。这种现象泛起的原因可能在于混淆料的模量较高，在切割小梁试件历程中，可能已经受到外力导致试件内部泛起裂纹，从而造成试验历程中疲劳破坏加速。

结论

该文比照了聚氨酯混淆料与基质沥青、SBS改性沥青混淆料在路用性能方面的差别，探究了差别配比下聚氨酯混淆料的性能。得出以下主要结论：

(1)聚氨酯混淆料的抗松散及水损害性能明显优于基质沥青，干燥条件下，经过合适配方调配的聚氨酯混淆料性能甚至能够优于4.5%SBS改性沥青。但总体而言，聚氨酯混淆料在抗松散性能方面的水敏感性高于SBS改性沥青。异氰酸酯比例越大，聚氨酯混淆料的抗松散性能越佳，但其脆性也会增加，在压实历程中可能会对其强度有倒运影响。

(2)聚氨酯混淆料的低温抗裂性明显优于基质沥青与SBS改性沥青混淆料，且随着异氰酸酯比例的增长而上升。但经历冻融循环后，其劈裂强度下降幅度大，标明聚氨酯混淆料的抗水损性能欠佳。综合考虑劈裂强度与抗水损性，差别配方的聚氨酯混淆料中，多元醇与异氰酸酯的比例为100:50的聚氨酯-2类混淆料为zui优选择。别的，低温弯曲梁试验结果也证明了聚氨酯混淆料的低温性能优于沥青混淆料。

(3)聚氨酯混淆料具有优异的高温抗趁魅辙性能，且基本随着异氰酸酯比例的增da而提高。相较于基质沥青与SBS改性沥青，聚氨酯混淆料更适用于高温重载交通路面。

(4)低异氰酸酯比例的聚氨酯混淆料抗滑性能较差，但随着异氰酸酯比例的上升，其抗滑性能明显提高，较高比例异氰酸酯的聚氨酯混淆料的抗滑性能甚至略微凌驾4.5%SBS改性沥青。别的，聚氨酯混淆料的抗磨耗性能优异，且随着异氰酸酯比例的增da而提升。

(5)聚氨酯混淆料的疲劳性能明显优于基质沥青混淆料，但仍劣于4.5%SBS改性沥青混淆料。随着异氰酸酯比例的上升，聚氨酯混淆料对抗疲劳荷载的能力也逐渐增强，但当异氰酸酯比例过高时，试件在切割历程中容易受到外力损伤，造成其疲劳性能下降。

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全文完宣布于《中外公路》2021年6月。作者简介：黎小顺，男，工程师.E-mail：185659067＠qq.com

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B210 独立式气动伺服四点弯曲小梁试验系统 (4PB)

设备名称：独立式气动伺服四点弯曲小梁试验系统 4PB

型? ? ? ?号：B210 KIT

制? 造? 商：意大利Matest-澳大利亚Pavetest

棱柱体小梁四点弯曲试验是 2011 年交通部行业标准《公路工程沥青及沥青混淆料规程》增加的评价沥青混淆料疲劳性能和丈量劲度模量的很是重要的试验要领。该要领可以在DTS多功效动态试验系统中进行，也可以使用单独式系统，搭配温控情况箱进行试验。尤其关于试验任务量比较大的单位，因为疲劳试验可能连续的时间比较长，几小时到几天、甚至几周。所以配备一套单独式的沥青混淆料疲劳试验系统是很是有须要的。

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