梁松林

(1.广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001；2.南宁市筑路技术与筑路材料工程技术研究中心，广西 南宁 530001)

0 引言

目前，我国高速公路通车里程已达到15.5万km，95%以上沥青路面为半刚性基层，尽管半刚性基层具备抗压强度高、稳定性好、成本低廉等优势，但半刚性基层产生的温缩和干缩裂缝会引起面层的反射裂缝，也是沥青路面建设初期最常见的病害之一，并随路面运营时间的延长，衍生出其他病害，导致路面性能下降，因此，研究开发针对沥青路面裂缝修复的材料、工艺技术等具有重要意义。随着科学技术的不断发展和创新，以化学热固型裂缝修补材料逐渐替代传统乳化沥青、SBS改性沥青等，例如环氧树脂类、有机硅树脂类等。夏慧云等利用聚氧化丙烯二醇和二苯甲烷二异氰酸酯制备了聚氨酯类材料，研究了灌缝材料的最佳合成时间、力学性能和热稳定性能等[1]。张文利等研究了无砟轨道灌缝胶老化后的力学性能与微观DMT模量特性，指出聚氨酯灌缝胶硬段是影响粘附性的关键部位，老化越严重其越显著[2-3]。谭忆秋等分析了聚氨酯灌缝胶在剪切荷载下粘附性能的变化，利用低温拉伸试验研究异氰酸酯指数R与粘附强度的关系，提出灌缝胶R宜在1.7～2.5之间[4-5]。

综上所述，研究利用沥青混合料路用性能试验分析聚氨酯灌缝材料中聚氨酯含量对其性能影响的规律，并结合实际应用情况，提出合理的聚氨酯用量范围，对聚氨酯灌缝材料在实体工程中的应用具有良好的技术指导作用。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

聚氨酯灌缝材料主要成分为聚氨酯和环氧丙烯酸脂，均由无锡欣叶豪有限公司生产，技术指标均满足规范要求。粗集料选择辉绿岩，细集料选择机制砂，矿粉为石灰岩磨制，均由南宁市武鸣区石多多建材有限公司提供。改性沥青为SBS I-D，由广西金天地改性沥青有限公司提供，相关试验结果见表1～3。

表1 粗集料试验结果表

表2 细集料试验结果表

表3 SBS改性沥青试验结果表

1.2 试验方案

1.2.1 聚氨酯灌缝材料制备

研究选择聚氨酯、环氧丙烯酸酯和其他辅助添加剂材料，通过改变聚氨酯与环氧丙烯酸酯的比例，调配出性质不同的产品，其中辅助添加剂材料用量不变。聚氨酯占环氧丙烯酸酯的质量分别为20%、30%、40%、50%、60%。

1.2.2 沥青混合料级配设计

聚氨酯灌缝材料一般应用于沥青路面上面层，修复路面裂缝，研究选择AC-13C级配进行配合比设计，合成级配见图1。

1.2.3 沥青混合料性能试验

车辆行驶作用下，沥青路面裂缝修复处主要受压应力和拉应力作用，随时间延长，路面修复区域是否能够良好抵抗低温裂缝和水损害剥离值得研究分析。文中选择低温劈裂试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验进行路用性能分析[6]。

研究选择马歇尔试件(101.6×63.5) mm和小梁试件(250×30×35) mm进行相关试验，通过对马歇尔试件和小梁试件分别进行居中切割，对切割面进行拉毛处理，模拟路面裂缝状态，灌缝宽度为3 mm，灌缝后试件在室温状态下养护24 h，随后开展各项性能试验。

2 低温抗裂性能分析

沥青混合料属粘弹性体，受力过程中分为弹性、粘弹性及粘塑性阶段，采用低温劈裂试验能够评价混合料的低温力学性能。选择标准马歇尔试件为载体，仪器采用UTM-100，试验温度为-10 ℃，加载速率为1 mm/min，试验结果如表4所示。

由表4可知：

(1)聚氨酯含量变化对修复试件的低温抗裂性能存在显著影响，随聚氨酯含量的增加，试件的劈裂抗拉强度也呈增加趋势，破坏拉伸应变呈下降趋势，破坏劲度模量呈增加趋势，但与正常试件相比，修复试件的低温抗裂性能仍未达到原状态。例如，针对上述不同聚氨酯含量灌缝材料，修复试件的劈裂抗拉强度值分别下降22.4%、17.0%、15.2%、10.4%、8.3%(与正常试件相比)，破坏劲度模量值分别下降28.1%、28.1%、26.5%、10.4%、6.9%。这说明聚氨酯含量提高可以有效改善材料的低温粘结性，提高沥青混合料低温抗裂性能。此外，在聚氨酯含量>40%时，其劈裂抗拉强度和破坏劲度模量值改善幅度显著，掺量为50%时的低温抗裂性能恢复率在90%左右(与正常试件相比)。

表4 不同聚氨酯含量灌缝材料修复后试件低温劈裂试验结果表

(2)聚氨酯含量变化对破坏拉伸应变影响幅度最大，其增加幅度分别为31.2%、20.4%、16.5%、3.8%、7.5%(与正常试件相比)，当聚氨酯含量在50%～60%时，破坏拉伸应变的变化幅度较小，这与劈裂抗拉强度值指标变化相一致。这是因为随聚氨酯含量的增加，灌缝材料性能也存在相应的变化，如粘附性能显著提高导致试件破坏时的抗拉强度值增加，材料固化后柔韧度下降，材质变硬，试件在垂直方向、水平方向相对应的变形也会下降。

3 低温拉伸性能分析

低温弯曲破坏试验主要用来评价沥青混合料在低温状态下的抗变形能力。研究分析不同性质的聚氨酯灌缝材料修复后路面的低温抗变形能力，试件尺寸为(250×30×35) mm，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min(见图2)。根据梁体的跨中挠度可推出弯拉应力、最大弯拉破坏应变及劲度模量，试验结果见图2～4。

图2 抗弯拉强度试验结果柱状图

图3 弯曲劲度模量试验结果柱状图

图4 最大弯拉应变试验结果柱状图

由图2～4可以看出：

(1)聚氨酯含量变化对沥青混合料低温弯曲拉伸性能也存在较大影响，对弯拉强度影响幅度最大，对弯拉应变、弯曲劲度模量影响相接近。随聚氨酯含量的增加，修复沥青混合料试件抗弯拉强度、最大弯拉应变及弯曲劲度模量值均呈增加趋势。这说明聚氨酯含量越多，对修复沥青混合料试件的弯曲拉伸性能越有利，即沥青混合料在低温环境下越柔韧，抵抗断裂的能力越强。例如，针对上述不同聚氨酯含量灌缝材料，修复试件的抗弯拉强度值分别下降35.2%、28.8%、19.2%、15.2%、5.5%(与正常试件相比)，最大弯拉应变值分别下降28.1%、24.4%、11.1%、9.3%、3.7%。

(2)当聚氨酯含量>40%时，修复沥青混合料试件的抗弯拉强度恢复率在80%以上，聚氨酯含量在50%、60%时的最大弯拉应变恢复率分别为91.7%和96.3%。随聚氨酯含量的增加，对沥青混合料修复的效果逐渐下降。这说明聚氨酯灌缝材料在沥青路面裂缝修复过程中具备相应的合理添加范围，且需结合其他性能指标进一步分析。

4 水稳定性能分析

选择浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价聚氨酯修复沥青混合料的抗水损害能力，均按照(JTG E20-2011)[7]公路工程沥青及沥青混合料试验规程中的相关要求进行试验分析，试验结果见下页图5～8。

图5 残留稳定度试验结果柱状图

图6 浸水48 h稳定度试验结果曲线图

由图5～6可知：

(1)经过修复，沥青混合料试件残留稳定度值随聚氨酯含量的增加而提高，聚氨酯含量的增加对沥青混合料抗水损害剥离能力有显著改善效果。聚氨酯含量为20%时的残留稳定度值不满足规范要求(≥80%)，当含量>40%后，其改善效果下降，残留稳定度值处于85%左右。如针对上述不同聚氨酯含量灌缝材料，修复试件的残留稳定度值分别下降17.5%、9.0%、4.4%、2.0%、2.9%(与正常试件相比)。

(2)为进一步分析修复沥青混合料试件力学性能，分析浸水48 h后的稳定值变化规律。随聚氨酯含量的增加，其稳定度值显著增加，当聚氨酯含量分别为50%、60%时的稳定度值均为9.1 kN，说明聚氨酯含量>50%时对修复沥青混合料的稳定度值改善效果一般，这与残留稳定度值变化规律相一致。

为进一步分析验证上述沥青混合料水稳定性变化规律，开展了冻融劈裂试验，由图7～8可知：

图7 冻融劈裂强度比试验结果柱状图

图8 冻融后劈裂抗拉强度试验结果曲线图

(1)聚氨酯含量变化对冻融劈裂强度比的影响规律与残留稳定度变化相一致，但对其影响程度大于残留稳定度。冻融劈裂试验描述了沥青混合料试样在饱水条件下经过冻融循环后的抗剥离能力，而浸水马歇尔试验描述高温浸水后的抗剥离能力，二者模拟环境条件不同，说明聚氨酯灌缝材料对冻融环境条件更为敏感，如不同聚氨酯含量灌缝材料，修复试件的冻融劈裂强度比分别下降21.3%、14.6%、9.8%、9.2%、5.1%(与正常试件相比)。

(2)随聚氨酯含量的增加，冻融劈裂强度也逐渐增加，当含量>40%时，增加幅度显著降低，这与残留稳定度影响规律相接近，聚氨酯含量在40%、50%、60%时的冻融劈裂强度分别提高了16.1%、16.5%、21.2%(与聚氨酯含量20%相比)。

5 结语

(1)聚氨酯灌缝材料对沥青路面裂缝修复具有显著作用，随聚氨酯含量的增加，其低温抗裂性能、低温拉伸性能和水稳定性能均具有良好的改善效果，但对不同路用性能改善幅度存在一定的差异，对残留稳定度的改善效果最佳、最大弯拉应变居中、劈裂抗拉强度最差。

(2)依据沥青混合料性能改善效果，聚氨酯用量存在相应合理范围，当聚氨酯含量为20%时，修复沥青混合料水稳定性能不满足规范要求，聚氨酯含量>40%时，其劈裂抗拉强度、最大弯拉应变、残留稳定度和冻融劈裂强度比恢复率分别达到85%、90%、95%和90%以上。

(3)通过对修复沥青混合料试件路用性能的分析，聚氨酯灌缝材料中聚氨酯含量适宜范围在40%～50%，对沥青混合料性能改善效果均高于规范要求。