聚氨酯对环氧树脂改性沥青及混合料性能影响研究_赵江涛.pdf

合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期73聚氨酯对环氧树脂改性沥青及混合料性能影响研究赵江涛（郑州路桥建设投资集团有限公司，河南郑州 450000）摘要：为研究不同用量（20%、30%、40%）聚氨酯（PU）对于环氧树脂（EP）改性沥青及其混合料性能的影响，通过拉伸试验、动态剪切流变和低温弯曲流变试验分析了 PU/EP 复合改性沥青性能，并利用车辙试验、低温弯曲试验和浸水马歇尔、冻融劈裂试验探讨了复合改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，并以不掺 PU 的环氧沥青和 4%SBS 改性沥青混合料为对照组。试验结果表明，加入 PU 将会降低改性沥青的抗拉强度、车辙因子，但同时提高了沥青的柔韧性和低温性能；加入一定量的 PU 虽然降低了沥青混合料的高温抗车辙变形能力，但依然远大于 4%SBS 改性沥青混合料，此外 PU 加入后明显改善了沥青混合料的低温抗裂性和抗水损害性能。综合各方面性能，建议 PU 用量为 30%40%。关键词：聚氨酯（PU）；环氧树脂（EP）；复合改性沥青；沥青混合料；路用性能中图分类号：U 414Study on the Infl uence of Polyurethane on the Properties of Epoxy Resin Modifi ed Asphalt and Its mixtureZHAO Jiang-tao(Zhengzhou Road and Bridge Construction Investment Group Co.,LTD.,Zhengzhou 450000,Henan,China)Abstract:In order to study the infl uence of diff erent dosage(20%,30%,40%)of polyurethane(PU)on the properties of epoxy resin(EP)modifi ed asphalt and its mixture,the properties of PU/EP composite modifi ed asphalt were analyzed through tensile test,dynamic shear rheological test and low-temperature bending rheological test,and the high-temperature stability,low temperature crack resistance and water stability of composite modifi ed asphalt mixture was discussed by rutting test,low-temperature bending test,immersion Marshall test and freeze-thaw splitting test with epoxy asphalt without PU and 4%SBS modifi ed asphalt mixture as the control group.The test results show that the addition of PU will reduce the tensile strength and rutting factor of the modifi ed asphalt,but improve the flexibility and low temperature performance of the asphalt at the same time;Although the addition of a certain amount of PU reduces the high-temperature rutting resistance of the asphalt mixture,it is still far greater than 4%SBS modified asphalt mixture.In addition,the addition of PU significantly improves the low-temperature crack resistance and water damage resistance of the asphalt mixture.Based on the performance of all aspects,it is recommended that the amount of PU should be 30%40%.Key words:polyurethane;epoxy resin;composite modifi ed asphalt;asphalt mixture;road performance近年来，随着高等级公路或城市道路的快速发展，其中沥青路面的占比高达 90%以上，沥青路面具有行车舒适性高、施工简单、通车时间快、易于维修养护等优点，但随着重载超载车辆的不断增多，对于沥青路面的承载能力经历了严峻的考验，部分服役不久的路面便出现裂缝、车辙等病害，严重危及行车安全1-2。国内外的研究学者及专家一直致力于提高改性沥青及混合料性能，其中环氧树脂因其自身具有的活性极性基团，制备得到的环氧改性沥青具有较好的高温稳定性、水稳定性和力学性能，但由于环氧树脂的柔韧性不好导致环氧沥青在低温时更易产生裂缝或脆断，有必要通过多材料复合以改善环氧沥青的低温性能不足3-4。研究表明5-6，聚氨酯加入基质沥青中可明显改善其弹性性能，增加沥青的柔韧性和抗老化性能，而聚氨酯与环氧树脂的相容性很好，二者结合可形成优势互补，既保留了环氧沥青优良的力学性能，又改善了低温性能。陈建君等7通过将自制的聚氨酯加入到环氧树脂中形成固化体系，并对固化体系进行了力学试验研究，结果发现纯环氧树脂固化体系断裂面较为光滑，表现为脆性破坏，而加入聚氨酯后的环氧树脂固化体系的破裂面则较为粗糙，表面凸凹不平，表现为韧性破坏。张增平等8采用红外光谱和原子力显微镜等微观技术手段，并对其复合改性沥青混合料的路用性能进行了综合研究，最终得出聚氨酯与环氧树脂复合改性过程中发生了化学反应，且复合改性沥青的表面具有较大的粗糙度，尽管加入聚氨酯后的环氧改性沥青混合料的高温和水稳定性有一定程度下降，但其低温性能有了明显提升。作者简介：赵江涛，本科，高级工程师，研究方向：道路与桥梁工程。DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.04674赵江涛 聚氨酯对环氧树脂改性沥青及混合料性能影响研究1 原材料与配合比设计1.1 原材料基质沥青采用南京某沥青有限公司生产的 A-70 号道路石油沥青，其技术性能见表 1。环氧树脂选择凤凰牌 E51 双酚 A 型环氧树脂，其外观呈淡黄色液体，环氧当量为 186g/mol，密度为 1.157g/cm3，按厂家推荐用量为基质沥青质量的 40%。固化剂为甲基六氢苯酐，其外观为无色透明状液体，其掺量为环氧树脂质量的 75%。相容剂为马来酸酐，其掺量为环氧树脂质量的 8%。聚氨酯采用天津某化工科技有限公司研制的聚酯型聚氨酯预聚体。粗集料采用玄武岩碎石，细集料为石灰岩机制砂，填料为石灰岩矿粉，集料和填料性质均符合要求。表 1 A-70#道路石油沥青技术指标Table 1 Technical indexes of A-70#road petroleum asphalt技术指标测试结果规范要求25 针入度/0.1mm676080软化点4846.015 延度11510060 动力粘度238180RTFOT 后质量变化/%0.17-0.80.825 针入度比/%63.76115 延度/cm46151.2 配合比设计采用 AC-13 型级配作为验证混合料性能的矿料级配，其级配组成见表 2，并通过马歇尔试验得到的物理力学指标分别确定了环氧（EP）改性沥青、PU/EP 复合改性沥青、4%SBS 改性沥青等 3 种混合料的最佳油石比为 6.5%、6.4%和 5.3%。表 2 AC-13 矿料级配组成Table 2 AC-13 mineral aggregate grading compositionAC-13 级配筛孔大小(mm)及通过率(%)1613.29.54.752.361.180.60.30.15 0.075级配上限100100856850382820158级配下限100906828241510754级配中值1009576.5533726.51913.5106合成级配10094.573.652.635.224.718.511.37.25.22 复合改性沥青性能2.1 改性沥青制备工艺首先将一定量基质沥青置于 135 烘箱中加热至热熔状态，与此同时将称量好的聚氨酯 PU 和环氧树脂 EP置于温度为 120 真空干燥箱内脱水，将盛有流体状沥青的容器罐放在电炉上加热并使用玻璃棒不断均匀搅拌，控制温度为 140，然后加入称取好的甲基六氢苯酐固化剂和马来酸酐相容剂，在高速剪切机 2500r/min 的速率下剪切 0.5h 后加入掺匀的 EP 和 PU 混合物，并继续以 3000r/min 的速率剪切 0.5h，然后在 135 烘箱中 2h得到 PU/EP 复合改性沥青9。2.2 沥青性能为 评 价 PU 掺 量（20%、30%、40%）对 PU/EP 复合改性沥青的性能影响，首先利用 XLD-10KL 电子拉伸试验机在常温下对成型的哑铃型试件进行拉伸性能试验，拉伸速率为 50cm/min，通过试验机得到的最大荷载和变形量换算出拉伸强度和断裂伸长率，结果如图 1 所示。采用动态剪切流变仪 DSR 对沥青试样进行温度扫描试验，通过试验获取的复数剪切模量 G*和相位角 计算得到了车辙因子 G*/sin，其结果如图 2 所示。通过弯曲梁流变仪 BBR 测试了沥青试验分别在-6、-12 和-18温度条件下的蠕变劲度和蠕变速率，其结果如图 3 和图4 所示。1.822.22.42.62.8环氧沥青20%PU30%PU40%PU拉伸强度/断裂伸长率100沥青类型拉伸强度断裂伸长率100MPa 03691215185258647076车辙因子温度/环氧沥青20%PU30%PU40%PU图 1 不同 PU 用量对于拉伸性能的影响 图 2 不同沥青对应的车辙因子变化规律 Fig.1 Eff ect of diff erent PU dosage Fig.2 Variation law of rutting factor on tensile properties corresponding to diff erent asphalt 0100200300400500环氧沥青20%PU30%PU40%PU蠕变劲度/MPa沥青类型-6 -12 -18 00.050.10.150.20.250.30.350.40.45环氧沥青20%PU30%PU40%PU蠕变速率沥青类型-6 -12 -18 图 3 不同 PU 用量对于 PU-EP 复合 图 4 不同 PU 用量对于 PU-EP 复合 改性沥青蠕变劲度的影响 改性沥青蠕变速率的影响Fig.3 Eff ect of diff erent PU contents Fig.4 Eff ect of diff erent PU dosageon creep stiff ness of PU-EP composite on creep rate of PU-EP composite modifi ed asphalt modifi ed asphalt从图 1 可以看出，相对于环氧沥青而言，掺入聚氨酯 PU 后抗拉强度随之下降，断裂伸长率随之增大，掺 40%PU 的 PU-EP 复合改性沥青抗拉强度相对降低了10.1%，相对应的断裂伸长率提高了 20.1%