PU/CR 復合改性瀝青流變性能研究

王爭瑞

(新鄭市公路管理局 河南新鄭451100)

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)是瀝青改性中常用的改性材料[1-2]，但其存在黏度高、與瀝青相容性差以及成本高等缺點[3-4]。 為了降低瀝青改性成本，利用廢舊汽車輪胎生產的橡膠粉(CR)作為替代添加劑，近年來取得了較好的應用效果，但采用橡膠粉瀝青存在明顯的儲存穩定性差、黏度高等弊端[5-6]。

聚氨酯(PU)預聚體作為新型瀝青改性材料可增強瀝青的高、低溫流變性能[7-8]。 對聚氨酯與橡膠復合改性研究發現，使用PU 與CR 作為瀝青改性劑，可顯著提高瀝青的抗拉強度、水穩定性和斷裂伸長率[9-10]。 但綜合國內外研究發現，現有PU 與CR 復合改性瀝青乃至PU 單一改性瀝青仍處于初步研究階段，相關工作仍有待進一步深入。

本實驗選用質量分數4%(占基質瀝青質量百分比，以下同)的PU 與8% CR 復合改性瀝青、基質瀝青、8% CR 改性瀝青及3%或4%SBS 改性瀝青，采用軟化點、黏度、儲存穩定性、動態剪切流變(DSR)儀以及彎曲梁流變(BBR)儀等試驗方法，對復合改性瀝青的物理、流變性能進行系統分析，期望為PU/CR 復合改性瀝青的應用推廣提供數據基礎。

1 實驗部分

1.1 主要原料

瀝青采用東海牌70＃A 級石油瀝青，瀝青技術指標如表1 所示。 橡膠粉(CR)由廢舊輪胎制備而成，粒徑40 目(0.3 ～0.6 mm)。 SBS 采用中石化茂名公司星型SBS 成品。 聚氨酯預聚體采用山東濟寧利多化工有限公司生產的LD1227 聚氨酯預聚體，NCO 基質量分數5.0%。

表1 70＃ A 級石油瀝青技術指標

采用室內高速剪切工藝進行CR 瀝青及SBS 改性瀝青制備，經前期預實驗，確定采用180 ℃、2 000 r/min 共混剪切1 h 的制備參數。 CR、SBS 復合改性瀝青命名方式如下：當CR 為基質瀝青質量分數8%時，表示為8CR；SBS 為瀝青質量分數3%與4%時，命名為3SBS 和4SBS。 為消除剪切制備過程中引起的老化效應，對參照組基質瀝青也采用相同的處理。

制備PU/CR 復合改性瀝青時，首先將制備好的CR 瀝青加熱至180 ℃，將PU 預聚體以質量分數4%加入到8CR 中，PU 采用廠家推薦的固化條件，固化時間為24 h，固化溫度為85 ℃，并將復合改性瀝青命名為8CR4P。

1.2 試驗方法

采用軟化點、旋轉黏度(RV)、DSR、BBR 和儲存穩定性等測試方法對瀝青進行測試，實驗旨在確定改性瀝青的低溫和高溫性能、可加工性、柔韌性和老化性能。 實驗方案如圖1 所示。

圖1 試驗設計流程圖

具體試驗方法及參數如下：

(1)軟化點、黏度、儲存穩定性試驗參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》。

(2)DSR：采用動態剪切流變儀在控制應力條件下對原始(未老化)和老化的瀝青進行DSR 試驗。試驗采用直徑25 mm 的平行板，未老化和RTFOT老化的瀝青間距1 mm，旋轉壓力容器(PAV)老化的瀝青采用直徑8 mm 的板，間距2 mm。 為確定瀝青車轍因子，試驗溫度為46 ～82 ℃(間隔6 ℃)，頻率為10 rad/s。

(3)BBR：采用美國Cannon 公司TE-BBR 設備，對瀝青低溫性能進行評價。 根據美國國家公路與運輸協會標準(AASHTO )T313 測定PAV 老化瀝青在-12、-18 和-24 ℃時的蠕變剛度(St)和蠕變速率(m值)。

2 結果與討論

2.1 軟化點

各瀝青試樣軟化點試驗結果見表2。

由表2 可見，基質瀝青的軟化點為49.5 ℃，摻入各改性劑后其軟化點顯著提升，提升幅度為45.1%～65.0%。 其中，8%CR 與3%SBS 對軟化點提升效果相當，當繼續增加SBS 摻量時，軟化點可提升至77.3 ℃。 但8%CR 與4%聚氨酯復配的改性瀝青軟化點最高，達到81.2 ℃，較8CR 提升9.0 ℃。高軟化點意味著瀝青可以在更高的溫度下保持其黏彈性，因此相較其它試樣，由8CR4P 瀝青制備的瀝青混合料表現出更好的耐高溫性能，可提升對應路面抗永久變形能力。

2.2 黏度

各瀝青試樣在135 ℃和165 ℃黏度試驗結果見圖2。

圖2 各瀝青試樣不同溫度黏度試驗結果

由圖2 可知，在兩個試驗溫度下，黏度值隨著改性劑的摻入而顯著增加，其中8CR4P 瀝青的黏度最大。 相較基質瀝青，各改性瀝青黏度提升倍數范圍分別為2.1～8.1 倍(135 ℃)、1.2 ～2.1 倍(165 ℃)。其中，8CR4P 瀝青相較CR 瀝青在兩個溫度下的黏度分別提升78%與86%。

在施工方面，根據我國及美國戰略公路研究計劃(SHRP)等規范要求，瀝青在135 ℃高溫黏度應小于3 Pa·s，而目前符合路用性能要求的橡膠瀝青黏度遠高于規范要求，這也是限制橡膠瀝青廣泛推廣的原因之一。 本試驗中8CR4P 瀝青的135 ℃黏度為2 390 mPa·s，符合上述技術要求，具有較好的應用基礎。

2.3 儲存穩定性

將試樣在180 ℃條件下保溫72 h，分別取頂部和底部試樣進行軟化點試驗，所得數據見表3。

表3 儲存穩定性試驗結果

由表3 可知，與SBS 改性瀝青不同，CR 改性瀝青底部試樣軟化點大于頂部試樣。 這是由于瀝青與改性劑在密度以及溶解度參數方面的差異，高溫條件下二者將出現相分離。 SBS 密度在0.92 ～0.95 g/cm3范圍，小于基質瀝青密度，而橡膠較瀝青密度小，因此低密度的SBS 上浮，而橡膠粉則逐漸下沉，進而引起上述試驗現象。

加入聚氨酯預聚體并固化后，橡膠粉瀝青軟化點差值顯著減小，軟化點差值減小4.2 ℃，且小于SBS 改性瀝青。 上述結果表明，8CR4P 瀝青中的氨酯鍵明顯提高了橡膠粉瀝青抵抗相分離性能。

2.4 DSR 試驗

試樣在46～82 ℃范圍溫度掃描試驗(以6 ℃為間隔)車轍因子(G*/sinδ)結果見圖3。

圖3 各瀝青試樣G*/sinδ 值隨溫度變化試驗結果

由圖3 可知，摻入改性劑后，瀝青車轍因子顯著提升，8CR 瀝青G*/sinδ值略高于3SBS，但低于4SBS。 在8% CR 的基礎上加入4% PU 后車轍因子顯著提高，8CR4P 瀝青在各溫度下車轍因子最高。以G*/sinδ為1 kPa 時確定瀝青試樣性能分級(PG)高溫等級，8CR、8CR4P、3SBS 和4SBS 在溫度分別為75.0、80.1、70.9 和76.2 ℃時G*/sinδ值達到1 kPa，表明摻入聚氨酯后復合改性瀝青相較高摻量(4%)傳統SBS 改性瀝青仍有較優的耐高溫性能。

8CR4P 瀝青與其他瀝青車轍因子的比較見圖4。

圖4 8CR4P 瀝青與其他瀝青車轍因子的比值隨溫度的變化

由圖4 可知，隨著溫度升高，各車轍因子比值呈現顯著增大趨勢，表明8CR4P 瀝青在更高溫度條件下，呈現更好的抗高溫穩定性能。 8CR4P/3SBS 的車轍因子比值隨溫度升高增長最快，其次是8CR4P/8CR，最后是8CR4P/4SBS。 這是由于聚氨酯固化產生交聯，得到的復合材料在相對高溫條件下其性能更加穩定。

2.5 BBR 試驗

按照AASHTO T313 標準，對各試樣進行RTFOT和PAV 老化處理，并進行BBR 測試，結果見表4。

表4 RTFOT + PAV 老化后瀝青的BBR 測試結果

根據測試結果，在最低溫度-24 ℃時，所有瀝青的蠕變剛度(St)值仍低于300 MPa。 -12 ℃時，瀝青的m值均高于0.300。 8CR4P 瀝青在老化后的所有溫度下的剛度值都最低，表明8CR4P 瀝青受老化影響最小，在所有溫度下均具有最高的抗變形性能。

St/m比值可表示瀝青低溫抗變形綜合性能，其隨溫度的變化見圖5。

圖5 St/m 比值隨溫度的變化

由圖5 可知，隨著溫度的降低，剛度的差異增大。 特別是基質瀝青不能抵抗溫度下降引起的瀝青硬化。 在純瀝青中添加CR 可以提高瀝青在低溫下的柔韌性，且該性能較3%SBS 和4%SBS 改性瀝青好。 同時，復合使用PU 可以進一步提升瀝青的低溫抗變形能力。

3 結論

(1)摻入4%聚氨酯預聚體后的復合改性瀝青相較橡膠瀝青軟化點提升9 ℃，在135 ℃和165 ℃的高溫黏度分別提升78%和86%，離析軟化點差值減小4.2 ℃。 且復合改性瀝青135 ℃高溫黏度符合3 Pa·s 最大限制要求，表明具有較好的施工和易性。

(2)摻入質量分數4%的聚氨酯預聚體，可使橡膠改性瀝青的PG 分級高溫等級提升一個級別(由70 ℃提高至76 ℃，與4%SBS 一個級別)，具有更好的低溫抗變形性能。

(3)相較于含質量分數3%、4%SBS 的改性瀝青，同時含質量分數4%聚氨酯與8%橡膠粉的復合改性瀝青的耐高溫、低溫等綜合性能更優，具有較好的應用前景。