聚氨酯前驱体_SBS复合改性沥青及其混合料性能研究_丁力.pdf

沥青路面是高等级路面中最常见的路面类型。然而，日渐复杂的交通服役环境，例如交通荷载、交通量和轮胎压力的增加，以及这些因素和季节性温度的巨大变化，都将加剧沥青路面的失效和破坏。为收稿日期：2022-12-14作者简介：丁力，男，工程师，主要从事高速公路和道路工程施工技术应用研究及项目管理方面的工作。引文格式：丁力.聚氨酯前驱体/SBS 复合改性沥青及其混合料性能研究 J.市政技术，2023，41（3）：29-34.（DING L.Research on propertiesof polyurethane precursor/SBS composite modified asphalt and mixture J.Journal of municipal technology，2023，41（3）：29-34.）文章编号：1009-7767（2023）03-0029-06第41卷第3期2023年3月Vol.41，No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.029Journal of Municipal Technology聚氨酯前驱体/SBS 复合改性沥青及其混合料性能研究丁力（中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 101500）摘要：沥青路面是目前首选的道路铺面类型，使用高性能的沥青混合料可以有效增强沥青路面的路用性能，聚合物改性沥青因其优越的性能而被广泛地应用于路面工程领域。该研究利用聚氨酯前驱体基反应型改性剂（Polyurethane-precursor-basedReactive Modifier，PRM）和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（Styrene-Butadiene-Styrene，SBS）对沥青进行复合改性，然后通过动态剪切流变试验和弯曲梁流变试验分析了其高低温流变性能，通过制备沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA-13）测试了其路用性能。结果表明，PRM/SBS 复合改性沥青高温流变性能明显提升，低温流变性能略有提升；PRM/SBS 复合改性沥青 SMA 混合料的水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性能均有明显提高。PRM/SBS 复合改性沥青及其混合料的优良性能为聚合物改性沥青路面的工程应用提供了新选择和新思路。关键词：聚氨酯前驱体；SBS；复合改性；沥青性能；沥青混合料性能中图分类号：U 414文献标志码：AResearch on Properties of Polyurethane Precursor/SBS CompositeModified Asphalt and MixtureDing Li（China Railway 16th Bureau Group Road and Bridge Engineering Co.，Ltd.，Beijing 101500，China）Abstract：Asphalt pavement is the preferable type of road pavement.And the application of asphalt binder with excel-lent properties can effectively improve the performance of asphalt pavements.Because of superior performance，polymer modified asphalt has been widely used in pavement engineering.The asphalt was compound midificated byPolyurethane-precursor-based Reactive Modifier（PRM）and Styrene-Butadiene-Styrene（SBS）in this study.Therheological properties at high&low temperature were analyzed through dynamic shear rheometer（DSR）and blendbeam rheometer（BBR）.SMA-13 asphalt concrete was also prepared to evaluate the road performance.The resultsshow that rheological properties of PMR/SBS modified asphalt at high temperature are obviously enhanced and one atlow temperature slightly improved；However，all of the water stability，high temperature stability and low temperaturecrack resistance are obviously improved.The superior performance of PRM/SBS compound modified asphalt andmixture provide new idea and choices for the relevant pavement engineering.Key words：polyurethane precursor；styrene-butadiene-styrene（SBS）；composite modification；performance of bi-tumen；performance of bitumen mixtureJournal of Municipal Technology第41卷预防沥青路面病害的发生和减缓其发展，聚合物改性沥青被引入沥青路面的研究和生产中1。沥青是石油化工的副产品，是主要由碳氢化合物组成的复杂混合物，其中含有多种杂原子（碳、氧、硫等）组成的极性基团，并存在极少量的金属元素，如钒、铁、镍、钙和镁2-3。色谱柱分离试验分析指出，沥青可以被分为4个组分，即沥青质、胶质、芳香分和饱和分，其中沥青质极性最强、分子量最大，胶质的极性和分子量相对较小4。在基质沥青中加入适合的改性剂后可以提升其在不同温度条件下的力学和流变性能，显著提升沥青混合料抵抗变形的能力并减缓损伤行为的发生5-6。苯乙烯（PS）-丁二烯（PB）-苯乙烯（Styrene-Bu-tadiene-Styrene，SBS）作为聚合物改性剂，因其优良的性能被广泛使用。SBS改性机理主要为物理改性，SBS在共混过程中吸收沥青的轻质组分并改变沥青组分的结构，进而使沥青相态发生转变7。SBS的3个嵌段中不同嵌段和沥青之间的物理结合均能改善沥青性能，PB与沥青较好的相容性有益于施工和易性，PS段、PB段和沥青相互作用形成三维网络，使得改性沥青的拉伸强度、高温性能、弹性性能和抗疲劳性能均有所提升。然而，SBS是以混溶的形式分散在沥青中，物理改性方式的储存稳定性值得关注8-9。聚氨酯前驱体是合成聚氨酯材料的重要中间产物，聚氨酯前驱体中富含异氰酸酯基，能够和有机物中的氨基、羧基和羟基等具备活泼氢的官能团反应10。研究表明，在沥青中加入聚氨酯前驱体基反应型改性剂（Polyurethane-precursor-based ReactiveModifier，PRM）能够促进胶质向沥青质的键和转变，从而提升沥青的高温性能。使用PRM改性后沥青的红外光谱中出现了氨基甲酸酯基团和尿素基团，这表明PRM和沥青组分之间产生了化学联系并形成了稳定的内部结构11。由此可见，SBS和PRM对于沥青胶结料的性能均有较大提升，而PRM作为反应型改性剂比SBS在沥青体系中具有更好的稳定结构。笔者采用PRM和SBS进行复配，制备PRM/SBS复合改性沥青，通过流变试验研究并对比了PRM/SBS复合改性沥青与基质沥青和SBS改性沥青之间的性能差别。另外，使用PRM/SBS复合改性沥青制备沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA-13），探究其性能的提升效果。1试验材料与方法1.1试验材料该研究选择云南某化工企业生产的70号道路用石油沥青作为基质沥青，该沥青的各项技术指标如表1所示。该研究中SBS选用韩国某化工企业生产的LG501型改性剂；选择某化工厂生产的PRM改性剂，其在常温下为深棕色液体，其中的反应活性基团为异氰酸酯基。矿物集料采用云南某建材厂生产的粒径范围为510 mm（3号料）、1016 mm（2号料）的玄武岩粗集料，粒径范围为03 mm（5号料）的石灰岩细集料，以及粒径范围为00.6 mm的矿粉。1.2试验材料制备在该研究中，PRM改性沥青和SBS改性沥青采用罗斯HSM-100L型高速剪切乳化机制备而成。依据前期文献调研和生产实际，以改性剂与沥青的质量百分比为控制单位，选取的SBS改性剂掺量为4.2%，选择2%SBS和2%PRM进行复配，制备PRM/SBS复合改性沥青。基于对SBS改性沥青和PRM改性沥青热力学性质以及制备工艺参数的调查，在制备SBS改性沥青时，首先将基质沥青加热并维持在170，然后加入4.2%的SBS改性剂，以1 500 r/min和4 000 r/min的速度先后剪切15 min和60 min，随后在温度为170的烘箱中溶胀60 min。在制备PRM/SBS复合改性沥青时，以同样的方法先制备2%的SBS改性沥青，然后将溶胀过的沥青维持145 恒温，并调节搅拌速度至300 r/min，于20 min内将PRM改性剂分批缓慢加入基质沥青中，待改性沥青液面稳定后，将剪切机转速调节至3 000 r/min并保持145 充分搅拌。依据JTG F402004公路沥青路面施工技术规范和SHC F40-012002公路沥青玛蹄脂碎石路表1基质沥青技术指标Tab.1 Technical indicators of base asphalt技术指标实测值试验方法针入度（25，100 g，5 s）/0.1 mm软化点（环球法）/布氏黏度（135）/（mPas）69.1749.7383JTG E20-2011 T0604JTG E20-2011 T0606JTG E20-2011 T062530第3期面技术指南的要求，在工程设计级配范围内，按照粗集料骨架分界筛孔的通过率和同等矿粉数量设计该研究所用的级配。根据确定级配和沥青用量，制备马歇尔试件和车辙试件并开展相关试验。该研究中采用SMA-13型沥青玛蹄脂碎石混合料，设计级配如表2所示。1.3试验方法该研究采用动态剪切流变试验（Dynamic ShearRheometer，DSR）和弯曲梁流变试验（Bending BeamRheometer，BBR）分析了基质沥青和改性沥青的流变性能。根据设计级配成型相应的混合料试件，依据技术规范分别开展浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、动稳定度试验以及低温抗裂性能试验，4项试验的指标分别体现了混合料的高低温性能和抗水损害能力。2试验结果与分析2.1DSR频率扫描试验结果分析该研究中使用ARES G2动态剪切流变仪开展频率扫描试验。试验温度选择为084，每个温度之间间隔12，加载频率为0.130 Hz。以36 为参考温度，通过频率扫描试验测试基质沥青和改性沥青在不同加载频率和温度下的动态剪切模量（|G*|）和相位角（）。基于时间-温度等效原理，选取Williams-Landel-Ferry（WLF）非线性方程作为拟合方程确定位移因子，将不同温度下频率扫描试验结果转换成动态剪切模量和相位角的主曲线12。图1、2分别展示了3种沥青的动态剪切模量和相位角主曲线。从图1可以看出，PRM/SBS复合改性沥青和SBS改性沥青的动态剪切模量主曲线基本重合，在对应高温条件的低频范围内PRM/SBS复合改性沥青和SBS改性沥青的动态剪切模量明显大于基质沥青；且在低频到对应中温条件的中频范围内，PRM/SBS复合改性沥青的动态剪切模量略大于SBS改性沥青。从图2可以看出，在测试频率