瀝青面層聚氨酯修復材料與修復實驗研究

趙光海

（西安長安大學工程設計研究院有限公司，陜西 西安 710064）

截止2022 年底，我國交通運輸網絡總里程達到600 萬km，其中公路通車里程達到535 萬km，比2021 年增加了6.93 萬km，公路密度達到55.73km/100km2[1，2]。2022 年，我國公路養護里程數達到535.01 萬km，達到公路里程數的100%以上，在路面方面，瀝青混凝土路面占比超過九成[3，4]。因此，瀝青混凝土路面的病害、養護和修復等是公路研究的重點之一，路面裂縫屬于我國公路路面常見的早期病害，目前，多采用高分子材料進行路面裂縫修復[5-7]，在此方面，學者們也開展了大量的研究工作，羅京[8]綜合考慮黏結性和抗滑性能提出了一種高分子路面修復材料，并開展了路用性能測試，確定了材料的最終配比；顏魯春等[9]提出了在甲醛/尿素等材料中加入碳納米管制備膠囊材料，可以有效進行瀝青混凝土路面微小病害的自修復；郝肖雨等[10]制備了水性環氧樹脂、乳化瀝青和水泥基膠凝材料相結合的瀝青混凝土路面修復材料，并通過化學成分分析、礦物成分分析等微觀手段測試了材料的路用性能；李夢杰[11]制備了適用于瀝青混凝土路面修復的聚合物膠凝材料，并開展了抗壓強度、抗拉強度等宏觀力學性能測試?；谇叭说难芯砍晒?，本文制備了適用于瀝青面層修復的聚氨酯修復材料，并開展了其抗壓強度、耐老化性、水穩定性以及低溫性能測試，旨在確定瀝青面層修復材料的最佳聚氨酯摻量，為瀝青混凝土面層修復材料的工程使用提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗原材料

（1）聚氨酯（西安市雁塔聚氨酯廠），主要性能指標見表1。

表1 聚氨酯的主要性能指標Tab.1 Main performance index of polyurethane

（2）環氧丙烯聚酯（西安友基復合材料有限公司），主要性能指標見表2。

表2 環氧丙烯聚酯的主要性能指標Tab.2 The main performance index of epoxy acrylic polyester

（3）促進劑（2，4-二甲基苯胺AR 西安鑫圣工貿有限責任公司）。

（4）交聯劑（1，4-丁二醇AR 中國石化長城能源化工有限公司）。

（5）引發劑（過氧化苯甲酰AR 中國石化長城能源化工有限公司）。

1.2 實驗材料制備

本文瀝青面層聚氨酯修復材料各成分配備比例見表3。當無聚氨酯摻加時，不加入交聯劑；有聚氨酯摻入時，加入一定比例的交聯劑。環氧丙烯聚酯材料強度高，但韌性不足，聚氨酯的摻入旨在改善瀝青面層修復材料的韌性。其制備方法是向定量稀釋后的環氧丙烯酸酯溶液中依次加入相應比例（如表3）的聚氨酯、交聯劑、促進劑以及引發劑，然后再使用機械進行充分攪拌。

表3 實驗材料配備比例表（%）Tab.3 Proportion table of test materials（%）

1.3 實驗內容及儀器

1.3.1 聚氨酯修復材料抗壓及耐老化性能測試 參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，采用TG09/GM/101-3EBN 型恒溫烘箱（東方化?？萍加邢薰荆┖蚐HK-A105 型萬能材料試驗機（蘇州檢卓儀器科技有限公司）對聚氨酯修復材料進行常溫抗壓強度及高溫抗拉強度測試。

1.3.2 修復后瀝青面層水穩定性及低溫性能測試首先對標準瀝青混合料馬歇爾試件和棱柱體小梁試件進行切割，模擬瀝青面層裂縫，然后采用聚氨酯修復材料對切割后的馬歇爾試件和棱柱體小梁試件進行修復，修復后分別采用LWD-3 型馬歇爾穩定度測定儀（河北科標試驗儀器有限公司）和SHK-A105型萬能材料試驗機（蘇州檢卓儀器科技有限公司）對其進行馬歇爾穩定度和三點彎曲測試。

2 結果與討論

2.1 力學性能分析

2.1.1 抗壓性能 瀝青面層聚氨酯修復材料抗壓強度隨聚氨酯摻比的變化見圖1。

圖1 聚氨酯摻比量對瀝青面層聚氨酯修復材料抗壓強度的影響Fig.1 Effect of polyurethane content on the compressive strength of polyurethane repairing materials for asphalt surface layer

由圖1 可見，不摻聚氨酯材料時，純環氧丙烯酸酯修復材料的抗壓強度為50.6MPa；而摻入8%、16%、24%、32%和40%的聚氨酯后，聚氨酯與環氧丙烯酸酯組成的瀝青面層修復材料抗壓強度就變為49.8、48.2、46.4、45.1 和43.5MPa，比不摻聚氨酯時分別減小了1.6%、4.7%、8.3%、10.9%和14.0%?？梢?，隨著聚氨酯摻比的增大，瀝青面層修復材料抗壓強度呈近似線性減小關系：聚氨酯摻比每增加10%，其值就減小約1.8MPa。由于修復材料抗壓強度太高就會與待修復的路面形成明顯剛度差，導致修復后路面存在再次破壞的風險，因此，建議瀝青面層修復材料中聚氨酯摻比不宜小于16%。

2.1.2 耐老化性能 老化溫度為48℃時，不同老化處理時間下瀝青面層聚氨酯修復材料抗拉強度隨聚氨酯摻比變化見圖2。

圖2 聚氨酯摻比量對瀝青面層聚氨酯修復材料抗拉強度的影響Fig.2 Effect of polyurethane content on the tensile strength of polyurethane repairing materials for asphalt surface layer

由圖2 可見，無老化條件下，聚氨酯摻比為0、8%、16%、24%、32%和40%時，聚氨酯與環氧丙烯酸酯組成的瀝青面層修復材料抗拉強度分別為37.9、37.2、35.8、34.6、32.7 和27.7MPa。老化處理時間為7d 條件下，聚氨酯摻比為0、8%、16%、24%、32%和40%時，瀝青面層修復材料抗拉強度分別為34.5、34.2、33.3、32.5、30.8 和26.3MPa；比無老化條件下分別降低了9.0%、8.1%、7.0%、6.1%、5.9%和5.1%。老化處理時間為28d 條件下，聚氨酯摻比為0、8%、16%、24%、32%和40%時，瀝青面層修復材料抗拉強度分別為24.8、24.5、24、23.2、22.7 和20.2MPa；比無老化條件下分別降低了34.6%、34.1%、33.0%、32.9%、30.6%和27.1%?？梢?，同一老化處理時間下，雖然隨著聚氨酯摻比的增大，瀝青面層修復材料抗拉強度整體上仍呈現逐漸減小的趨勢；但老化時間越長，聚氨酯摻比越大的瀝青面層修復材料的抗拉強度降低幅度就越小。因此，在環氧丙烯酸酯摻入一定比例的聚氨酯能夠提高瀝青面層修復材料的抗老化性能。

2.2 瀝青面層聚氨酯修復材料修復效果分析

2.2.1 水穩定性 采用聚氨酯與環氧丙烯酸酯組成的修復材料對瀝青面層進行修復后，浸水前后修復面層馬歇爾穩定度隨聚氨酯摻比的變化見圖3、4。

圖3 聚氨酯摻比量對瀝青修復面層馬歇爾穩定度的影響Fig.3 Effect of polyurethane content on Marshall stability of asphalt repairing surface layer

由圖3 可見，聚氨酯摻比為0、8%、16%、24%、32%和40%時，采用修復材料進行修復后的瀝青面層馬歇爾穩定度在浸水前分別為6.7、7.8、8.6、9.1、9.4 和9.5kN，在浸水后則變為5.2、6.2、7.3、8.0、8.1和7.9kN?？梢?，隨著聚氨酯摻比的增大，由聚氨酯與環氧丙烯酸酯組成的修復材料對瀝青面層浸水前馬歇爾穩定度修復效果呈現逐漸上升的變化趨勢，而對瀝青面層浸水后馬歇爾穩定度修復效果則呈現先升后減的變化趨勢。結合圖4 可知，當聚氨酯摻比為24%時，采用修復材料進行修復后的瀝青面層殘留穩定度最高，為87.9%，比不摻聚氨酯條件下提高了10%，說明在環氧丙烯酸酯摻入聚氨酯材料能夠明顯提高修復面層的耐水損壞性能。

圖4 聚氨酯摻比量對瀝青修復面層浸水殘留穩定度的影響Fig.4 Effect of polyurethane content on the residual stability of asphalt repairing surface after immersion in water

2.2.2 低溫性能 采用聚氨酯與環氧丙烯酸酯組成的修復材料對瀝青面層進行修復后，修復面層低溫抗彎拉強度和破壞勁度模量的變化見圖5、6。

圖5 聚氨酯摻比量對瀝青修復面層抗彎拉強度的影響Fig.5 Effect of polyurethane content on flexural tensile strength of asphalt repairing surface layer

圖6 聚氨酯摻比量對瀝青修復面層破壞勁度模量的影響Fig.6 Effect of polyurethane content on the failure stiffness modulus of asphalt repairing surface

由圖5、6 可見，聚氨酯摻比為0、8%、16%、24%、32%和40%時，采用修復材料進行修復后的瀝青面層低溫（-10℃）抗彎拉強度分別為4.5、5.6、6.4、6.6、6.7 和6.8MPa；而破壞勁度模量則分別為1.078、1.330、1.580、1.765、1.881 和1.952GPa?？梢?，聚氨酯摻比越大，由聚氨酯與環氧丙烯酸酯組成的修復材料對瀝青面層低溫抗裂性能和變形協調性能的修復效果就越好，但當聚氨酯摻比超過24%后，這種修復效果提升就不十分明顯。

3 結論

（1）聚氨酯摻比每增加10%，瀝青面層修復材料抗壓強度減小約1.8MPa。

（2）老化時間越長，聚氨酯摻比越大的瀝青面層修復材料的抗拉強度降低幅度就越小。

（3）當聚氨酯摻比為24%時，采用修復材料進行修復后的瀝青面層殘留穩定度最高，為87.9%。

（4）聚氨酯摻比越大，修復材料對瀝青面層低溫抗裂性能和變形協調性能的修復效果就越好，但從性價比角度考慮，建議聚氨酯摻比不宜超過24%。