PU/芳烴油復合改性瀝青性能影響研究

【摘要：】為探究聚氨酯（PU）/芳烴油復合改性瀝青的最佳制備工藝及性能影響規律，文章基于復合改性瀝青的制備工藝參數、PU/芳烴油相對比例對復合改性瀝青性能的影響結果，確定了最佳制備工藝。研究結果表明：PU摻量增加或芳烴油摻量降低時，復合改性瀝青的針入度、軟化點、車轍因子和蠕變勁度均提高，但延度降低，復合瀝青高溫性能提高、低溫性能降低;PU與芳烴油的摻量分別在10%和3%時，復合改性瀝青與基質瀝青常規性能及高低溫性能實驗結果均接近。

【關鍵詞：】聚氨酯;芳烴油;復合改性;性能

U416.03A050144

0 引言

近年來，我國經濟飛速發展，交通量隨之日益增大，渠化交通下路面車轍、裂縫等病害越來越嚴重。為提升路面服役質量，延長其使用壽命，新型高性能路面材料的研發勢在必行。隨著研究的不斷深入，路用高分子材料的探討熱度不斷提高，其中聚氨酯由于其優異的耐高溫性、耐老化、耐磨、低溫柔韌性及高強度等特性而受到廣泛青睞。

聚氨酯（PU），學名聚氨基甲酸酯，是一種無機高分子化合物，高溫下會與瀝青發生反應，對于PU改性瀝青國內外已有一定研究。孫敏等[1]采用紅外光譜及掃描電鏡試驗檢測PU改性瀝青，發現其與基質瀝青共混改性后產生了大量聚集固化物，認為該固化物為異氰酸酯與瀝青中芳香酚反應后的產物。班孝義[2]研究表明PU改性瀝青的性能與預聚體種類有較大關聯，聚酯型PU對瀝青高溫性能提升作用最明顯。張爭奇等[3-4]研究了SBS/PU復合改性瀝青性能，結果表明純PU改性瀝青高低溫性能均較差，SBS/PU復合改性可顯著改善瀝青及其混合料的高低溫、水穩、抗疲勞等性能。Xu等[5]考察了水性丙烯酸酯和PU對SBR/SBS改性瀝青乳液性能的提升作用。Zhang等[6]研究表明PU和環氧樹脂（EP）復合改性瀝青具有良好的機械強度、柔韌性和貯存穩定性，二者相互嵌套增強了EP的三維網絡結構，改善了復合改性瀝青的柔韌性和耐熱性。Yusoff等[7]向高模量瀝青中摻入PU改性劑和Cecabase添加劑，研究其常規性能及熱穩定性，結果表明，瀝青針入度、黏性和低溫性能得到增強。高源[8]對PU/SBS復合改性瀝青防水卷材的制備及工藝進行研究，結果表明，芳烴油可以增強PU/SBS改性瀝青防水卷材的耐熱性和低溫柔韌性。

綜上所述，PU改性瀝青將消耗瀝青中輕質組分，對瀝青高溫性能有一定提升作用，其中聚酯型（MDI）PU增強作用最為明顯，但純PU改性瀝青性能仍存在一定不足;芳烴油富含輕質油分，可補充PU改性瀝青中損失的輕質組分，從而提高其綜合性能，但目前國內外鮮有相關研究。因此本文對PU/芳烴油復合改性瀝青制備工藝及性能的影響規律進行探索性研究，為新型高性能路用材料研發與應用做出初步探索。

1 原材料

基質瀝青：泰普克AH-70#基質瀝青，其主要技術指標見表1。PU：MDI型PU，由徐州熠輝揚新材料有限公司生產，其主要技術指標見表2。擴鏈劑：MOCA擴鏈劑（ 3二氯4，4二氨基二苯基甲烷）。芳烴油：芳烴含量為82%。SBS：1303-1（YH-791H）SBS改性劑，由岳陽市巴陵佳云石化有限公司生產。

2 制備工藝影響研究

PU/芳烴油復合改性瀝青性能影響研究/黃顯全

擴鏈劑可與異氰酸酯基發生化學反應，使預聚體分子鏈交聯，摻量為PU預聚體質量的15.2%，其摻量計算公式為：

m擴鏈劑=m預聚體×mn擴鏈劑84×NCO%×f（1）

式中：m擴鏈劑——擴鏈劑用量;

m預聚體——PU預聚體質量;

mn擴鏈劑——擴鏈劑的相對分子質量，為367;

NCO%——PU預聚體中異氰酸酯基含量，為5.1%;

f——擴鏈系數，取1.466;

84——2個異氰酸酯基的相對分子質量。

劉穎等[9]認為1 000～1 400 r/min的圓盤鋸齒攪拌有利于PU預聚體與瀝青間的化學反應。孫敏[1]采用圓盤鋸齒攪拌30 min制備PU改性瀝青。曾俐豪等采用高速剪切的方式制備熱固性PU改性瀝青，結果表明剪切溫度是主導工藝因素之一，剪切時間和剪切速率宜控制在10～40 min、1 500～3 000 r/min。綜上所述，改性瀝青制備工藝為：（1）加熱500 g泰普克AH-70#瀝青至165 ℃，加入MOCA擴鏈劑與芳烴油，于160 ℃～165 ℃、3 000 r/min剪切30 min;（2）冷卻至攪拌溫度;（3）加入PU，采用圓盤鋸齒攪拌器攪拌一定時間;（4）100 ℃烘箱保溫養護1 h，取出備用。初定PU預聚體摻量為10%，芳烴油摻量為3%，以改性瀝青軟化點為設計目標，采用三因素三水平L9（33）正交實驗設計，對PU改性瀝青最佳工藝進行研究，結果見表3。

由表3可知，各因素對復合改性瀝青軟化點的影響程度排序為攪拌溫度（σ=3.3）>攪拌時間（σ=0.6）>攪拌速率（σ=1.3）。其原因可能是，溫度的改變直接影響了PU改性瀝青與瀝青間的反應速率，即影響了單位時間內參與反應分子的多少，因此溫度是軟化點的主要影響因素，而攪拌時間影響化學反應的總程度，故對軟化點也有較大影響。軟化點最高值為52.0 ℃，因此以軟化點為目標的最佳制備工藝組合為：攪拌溫度120 ℃、攪拌速率3 000 r/min、攪拌時間20 min。

為進一步分析各因素對PU改性瀝青軟化點的影響，將表3中各因素不同水平均值繪制成圖，見圖1。

由圖1可知：

（1）隨攪拌溫度的升高，PU改性瀝青軟化點及其增率均提高。圖1中，攪拌溫度從100 ℃提高到110 ℃，再提高到120 ℃的過程中，軟化點分別提高了1.9 ℃和6.0 ℃，軟化點隨溫度的升高而升高，且增長速率明顯增高。PU與瀝青間存在兩種反應：①PU的固化反應;②PU與瀝青某些活性官能團之間的反應。而攪拌溫度的升高，促使這兩種反應加劇，軟化點增長速率提高。E478299F-2AA7-47A9-AF52-9D63ECEA0766

（2）隨攪拌速率的提高，PU改性瀝青軟化點小幅度升高。圖1中，軟化點隨攪拌速率的提高基本呈線性提高的趨勢，增長幅度較小，攪拌速率從1 000 r/min增至3 000 r/min時，軟化點僅提高了1.3 ℃，說明攪拌速率對軟化點的影響較小。

（3）隨攪拌時間的延長，PU改性瀝青軟化點提高，軟化點增長速率降低。圖1中，攪拌時間從10 min延長至20 min，再延長至30 min的過程中，軟化點分別提高了1.9 ℃和1.3 ℃，軟化點隨攪拌時間的延長而提高，但攪拌時間超過20 min時，軟化點趨于穩定，這說明延長攪拌時間對PU瀝青改性反應有一定的促進作用，且至少攪拌20 min才能達到較好的改性效果。

3 性能影響研究

本試驗中，利用富含輕質油分的芳烴油來補充PU瀝青中由于化學反應消耗的輕質組分，探究PU/芳烴油復合改性瀝青性能隨摻量的變化規律。采用既定工藝制備PU/芳烴油復合改性瀝青，工藝參數為：攪拌溫度120 ℃、攪拌速率3 000 r/min、攪拌時間20 min，基于瀝青三大指標試驗、動態剪切試驗、低溫彎曲蠕變試驗，研究復合改性瀝青性能。

3.1 三大指標試驗

幾種不同PU摻量下瀝青的三大指標測定結果見圖2，圖中標識“A1-PU10”代表芳烴油摻量為1%、PU摻量為10%的復合改性瀝青，其余依此類推，下文亦同。A1-PU10和A1-PU15滿足《公路瀝青路面施工技術規范》中聚合物改性瀝青Ⅲ類Ⅲ-B的要求，A3-PU10和A3-PU15滿足聚合物改性瀝青Ⅲ類Ⅲ-C的要求。

由圖2可知：

（1）相同芳烴油摻量下，10%PU摻量的改性瀝青針入度與延度比15%摻量的高，而軟化點較低;然而，相同PU摻量下，1%芳烴油摻量的改性瀝青針入度與延度較3%摻量的低，而軟化點較高。因此推斷，隨PU摻量的增加或芳烴油摻量的降低，PU瀝青的針入度、延度均減小，軟化點提高。PU中活性官能團與瀝青中芳香族化合物反應形成固化物[1]，同時，PU自身加成反應形成的交聯結構使改性瀝青整體進一步硬化，造成針入度與延度的降低及軟化點的升高，使得高溫性能提高、低溫性能降低。而芳烴油富含輕質油分[10]，其摻量增加可使瀝青針入度與延度增大、軟化點降低。

（2）四種復合改性瀝青的軟化點排序為A3-PU10

（3）PU與芳烴油的比例在3∶10時，復合改性瀝青與基質瀝青三大指標接近。在圖2中，幾組復合改性瀝青的三大指標基本介于基質瀝青與SBS瀝青之間，其中A3-PU10瀝青的針入度、軟化點、延度值分別為65.3（0.1 mm）、52.0 ℃、19.5 cm，基質瀝青對應指標值分別66.5（0.1 mm）、45.4 ℃、18.1 cm，二者針入度與延度十分接近，軟化點相差6.6 ℃。試驗中，芳烴油摻量為3%時，10%摻量的PU與瀝青反應所消耗的輕質組分被芳烴油所補充，且芳烴油中輕質組分仍有一定冗余，能夠基本消除PU固化造成的性能影響。

3.2 動態剪切流變（DSR）試驗

本試驗中采用DHR-1型流變儀的溫度掃描模式，溫度區間取46 ℃～82 ℃，加載頻率10 rad/s，應變水平12%，平板直徑25 mm，測試間隙1 mm，升溫速率2 ℃/min，測定不同種類瀝青的復數模量及相位角并計算車轍因子，取中段溫度區間48 ℃～80 ℃進行分析，繪制如圖3所示，RAH70#代表AH-70#瀝青在溫度分析區間內的車轍因子極差，其余同理。

由圖3可知：

（1）隨PU摻量的增加或芳烴油含量的減少，復合改性瀝青感溫性能及高溫穩定性顯著提升。圖3中，在掃描溫度區間48 ℃～80 ℃內，不同種類瀝青的車轍因子極差排序為RAH70#

（2）PU摻量為10%、芳烴油摻量為3%時，復合改性瀝青與基質瀝青高溫穩定性十分接近。復合改性瀝青與基質瀝青的車轍因子變化曲線相差極小，說明二者溫度敏感性和高溫性能十分接近，再度印證了上文中PU與瀝青反應程度范圍的推論。

3.3 低溫彎曲蠕變（BBR）試驗

采用-12 ℃低溫彎曲蠕變試驗測定瀝青蠕變勁度S，表征瀝青低溫性能，結果見圖4。

由圖4可知：

（1）隨PU摻量的增加或芳烴油含量的減少，復合改性瀝青低溫性能顯著降低。幾種瀝青的蠕變勁度排序為SA3-PU10

（2）A3-PU10瀝青與基質瀝青的低溫性能相似。3%芳烴油、10%PU摻量條件下，復合改性瀝青的S值為93.6 MPa，基質瀝青的S值為95.7 MPa，二者指標值十分接近，說明二者低溫性能接近。

4 結語

為探究PU與芳烴油復合改性瀝青的制備工藝及性能特征，對復合改性瀝青進行了制備工藝、三大指標及高低溫性能研究，得出的結論如下：

（1）復合改性瀝青軟化點的影響程度排序為攪拌溫度>攪拌時間>攪拌速率，以軟化點為目標的最佳制備工藝組合為：攪拌溫度120 ℃、攪拌速率3 000 r/min、攪拌時間20 min。

（2）PU摻量增加或芳烴油摻量降低時，復合改性瀝青的針入度、軟化點、車轍因子和蠕變勁度均提高，但延度降低，說明隨PU摻量的增加或芳烴油摻量的降低，會使復合瀝青高溫性能提高、低溫性能降低。

（3）PU與芳烴油的摻量分別在10%和3%時，復合改性瀝青與基質瀝青三大指標、溫度掃描及低溫彎曲蠕變實驗結果均較為接近。

參考文獻：

[1]孫 敏，鄭木蓮，畢玉峰，等.聚氨酯改性瀝青改性機理和性能[J].交通運輸工程學報，2019，19（6）：49-58.

[2]班孝義.聚氨酯（PU）改性瀝青的制備與性能研究[D].西安：長安大學，2017.

[3]張爭奇，張英楠，黃碩磊.SBS-PU復合改性瀝青及其混合料路用性能研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2020，39（5）：76-84.

[4]張爭奇，田中男，黃碩磊，等.SBS-PU高黏高彈瀝青材料組成及工藝參數研究[J].建筑材料學報，2020，23（1）：100-107.

[5]XU L，LI X，ZONG Q，et al.Chemical，morphological and rheological investigations of SBR/SBS modified asphalt emulsions with waterborne acrylate and polyurethane[J].Construction and Building Materials，202 272（9）：121 972.

[6]ZHANG Z，SUN J，HUANG Z，et al.A laboratory study of epoxy/polyurethane modified asphalt binders and mixtures suitable for flexible bridge deck pavement[J].Construction and Building Materials，2021（274）：122 084.

[7]YUSOFF N，KHAIRUDDIN F H，RAHMAD S，et al.Engineering and leaching properties of asphalt binders modified with polyurethane and Cecabase additives for warm-mix asphalt application[J].Construction and Building Materials，2020（238）：117 699.

[8]高 源.PU/SBS復合改性瀝青防水卷材的制備及工藝研究[J].新型建筑材料，2019，46（8）：159-162.

[9]劉 穎，辛 星. 道路用聚氨酯改性瀝青的制備工藝研究[J]. 中外公路，2015，35（5）：255-259.

[10]吳佩尊，楊 梅，寧愛民，等.芳烴油中芳香分含量測定方法的考察與對比[J].石油瀝青，2007，21（6）：68-71.E478299F-2AA7-47A9-AF52-9D63ECEA0766