1. 引言
在沥青路面在长期服役过程中，不可避免地受到复杂多变的自然环境因素[1]-[4]，如高温、低温、降水等，以及繁重交通荷载的双重作用。在高温条件下，沥青路面容易出现车辙、拥包等病害，影响行车安全与舒适性；在低温环境中，有可能产生收缩裂缝，降低路面结构的整体性和耐久性；而在水分的长期侵蚀下，还会引发水损害，导致沥青与骨料的粘结力下降，进而出现松散、坑洼等问题。这些病害不仅缩短了路面的使用寿命，增加了养护成本，还对交通安全构成潜在威胁。
为有效提升沥青路面的性能，满足日益增长的交通需求，众多聚合物材料被引入沥青改性研究中。聚氨酯作为一种具有独特化学结构和优异性能的高分子材料[5]-[15]，近年来在沥青改性领域受到广泛关注。聚氨酯具有良好的弹性、粘结性和耐磨性，将其用于沥青改性，有望通过物理或化学作用，改变沥青的微观结构和宏观性能，从而有效解决沥青路面存在的上述问题。
尽管国内外学者针对聚氨酯改性沥青已开展了大量研究，并取得了一定成果，但目前仍存在诸多有待深入探究的方面。一方面，不同聚氨酯掺量对沥青性能的影响尚未得到全面、系统的揭示，尤其是高掺量情况下的性能变化规律尚不明确；另一方面，制备工艺对聚氨酯改性沥青性能的影响机制复杂，缺乏精准的量化分析；此外，在复杂环境条件下，聚氨酯改性沥青的长期性能演变规律也有待进一步明确。
基于此，本研究旨在全面、深入地剖析聚氨酯改性沥青的性能，系统研究不同聚氨酯掺量对沥青各项性能的影响规律，对比不同制备工艺下改性沥青的性能差异，并对其在复杂环境中的长期性能变化进行探究。通过本研究，期望为聚氨酯改性沥青在道路工程中的合理应用提供坚实的理论基础和可靠的数据支持，推动高性能道路材料的创新与发展，提升道路工程的质量和可持续性。
2. 实验材料及方法
2.1. 实验材料
本研究选用70#基质沥青作为实验材料。该沥青的主要性能指标如下：在25℃时，针入度为69 (0.1 mm)；在10℃时，延度为30 cm；软化点为47.5℃。这些性能指标均符合道路工程中常用沥青的标准要求，为后续实验提供了稳定可靠的基础材料。
实验采用特定型号的聚氨酯改性剂，在25℃的环境下，其粘度为1160 mPa·s，密度为1.10 g/cm3，拉伸强度达到20.4 MPa，断裂伸长率为330%。同时，搭配多元醇固化剂(CA-1)使用，以确保聚氨酯与沥青能够充分反应，实现对沥青性能的优化。
骨料选用玄武岩，不同粒径的玄武岩骨料具有不同的性能参数，具体如表1所示。玄武岩骨料良好的力学性能和表面特性，能够有效模拟实际工程应用场景，为研究聚氨酯改性沥青混合料的性能提供了可靠的骨料材料。
Table 1. Basalt main index
表1. 玄武岩主要指标
骨料粒径 |
表观相对密度 |
毛体积相对密度 |
吸水率(%) |
有效相对密度(g/cm3) |
10~15 mm |
2.858 |
2.800 |
0.72 |
2.820 |
5~10 mm |
2.862 |
2.827 |
0.43 |
2.839 |
0~3 mm (矿粉) |
3.008 |
2.636 |
1.17 |
2.940 |
2.2. 试验方法
2.2.1. 聚氨酯改性沥青的制备
分别制备聚氨酯掺量为40%、50%、60%的热固性聚氨酯改性沥青，依次标记为PUA-40、PUA-50、PUA-60。具体制备过程如下：首先，将基质沥青和聚氨酯分别预热至120℃，使其具有良好的流动性；然后，按照设定的比例将聚氨酯加入到基质沥青中，在120℃的温度条件下，以4000 rpm的转速进行高速剪切10 min，确保聚氨酯能够均匀地分散在沥青中；接着，加入质量分数分别为12%的CA-1和6%的CA-2固化剂，继续进行10 min的剪切操作，从而使聚氨酯与沥青充分反应，完成聚氨酯改性沥青的制备。
2.2.2. 聚氨酯改性沥青混合料的制备
参考SAC和SMA两种在工程实践中性能表现优异的级配类型，制备多碎石聚氨酯沥青混凝土(SPC-13)和骨架密实型聚氨酯沥青混合料(SMP-13)。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0716方法的要求制备马歇尔试件，通过测定沥青混合料的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率和饱和度等参数，确定不同沥青类型对应的最佳油石比。
在制备过程中，对比内混法和外混法两种不同的工艺。内混法是指在聚氨酯沥青制备过程中，将固化剂按比例直接加入到聚氨酯和沥青的混合物中；外混法是指在聚氨酯沥青混合料制备过程中，将固化剂喷洒加入。具体的混合料组成和制备工艺参数见表2。
Table 2. Composition of the mixture and preparation process parameters
表2. 混合料组成和制备工艺参数
混合料类型 |
结合料类型 |
级配类型 |
固化剂混合方式 |
最佳油石比 |
SMP-N |
聚氨酯改性沥青 |
SMP-13 |
内混法3.5% |
5.8% |
SMP-W |
聚氨酯改性沥青 |
SMP-13 |
内混法3.5% + 外混法3.5% |
- |
SPC-N |
聚氨酯改性沥青 |
SPC-13 |
内混法3.5% |
5.5% |
SPC-W |
聚氨酯改性沥青 |
SPC-13 |
内混法3.5% + 外混法3.5% |
- |
SAC |
SBS改性沥青 |
SAC-13 |
- |
5.8% |
2.2.3. 性能测试方法
(1) 高温性能测试：采用车辙试验评估沥青混合料的高温稳定性。车辙试验试件尺寸为300 mm × 300 mm × 50 mm，按照JTG E20-2011《公路工程沥青基沥青混合料试验规程》T0719方法进行试验。试验轮为直径200 mm、宽度50 mm的实心橡胶轮胎，轮压设定为0.7 MPa，试验温度控制在60℃，加载轮的运行速度为42次/min。通过测量试件在反复高温荷载作用下的动态稳定性和车辙深度，来评价沥青混合料的高温稳定性。同时，使用动态剪切流变仪(DSR)，在不同温度和频率条件下测试复数剪切模量(G*)和相位角(δ)，以此分析沥青的高温流变性能。
(2) 低温性能测试：通过低温小梁弯曲试验来评估沥青混合料的低温抗裂性。试验采用尺寸为250 mm × 30 mm × 35 mm的小梁试件，按照JTG E20-2011《公路工程沥青基沥青混合料试验规程》T0715方法进行，加载速率设定为50 mm/min。通过测量低温加载下梁试件的抗弯拉强度、最大弯拉应变和弯曲模量，来评价沥青混合料的低温抗裂性能。利用弯曲梁流变仪(BBR)，在低温环境下测量蠕变劲度模量(S)和蠕变速率(m)，分析沥青的低温流变性能。
(3) 力学性能测试：进行拉伸试验，将沥青制成哑铃形试件，在万能材料试验机上进行拉伸测试，测量拉伸强度和伸长率，以评估沥青的拉伸性能。按照JTG E20-2011《公路工程沥青基沥青混合料试验规程》T0709方法进行马歇尔试验，制备试件并测量稳定度和流值，从而评估沥青混合料的抗压性能。采用直接剪切试验，使用特制模具装样，在剪切试验机上加载，测量剪切强度，以此评估沥青的剪切性能。
(4) 耐久性能测试：采用薄膜烘箱试验(TFOT)和压力老化试验(PAV)模拟沥青的老化过程，对比老化前后沥青的性能变化，评估其耐老化性能。按照JTG E20-2011《公路工程沥青基沥青混合料试验规程》T0729方法进行冻融劈裂试验，测量冻融劈裂强度比，以此评估沥青混合料的耐水性能。将试件浸泡在酸、碱、盐溶液中，定期测量试件的性能变化，评估沥青的耐化学侵蚀性能。
3. 结果及分析
3.1. 高温性能
3.1.1. 高温稳定性
车辙试验结果(图1)显示，聚氨酯改性沥青混合料的动稳定度远远高于SBS改性沥青混合料。以PUA-50改性的SMP-N混合料为例，其动稳定度达到23,000次/mm以上，约为SBS改性SAC混合料动稳定度的4.5倍，同时车辙深度显著降低。这主要是因为聚氨酯与沥青发生反应后，形成了交联网络结构。这种结构增强了沥青胶浆对骨料的粘结力，使得骨料在高温荷载作用下的位移受到有效限制，从而提高了沥青混合料抵抗高温变形的能力，显著提升了高温稳定性。
Figure 1. High temperature stability of different types of asphalt mixtures
图1. 不同类型沥青混合料的高温稳定性
3.1.2. 高温流变性能
DSR测试结果如图2所示，随着聚氨酯掺量的增加，复数剪切模量G逐渐增大，相位角δ逐渐减小。在60℃、10 rad/s的测试条件下，PUA-60的G比基质沥青提高了约3倍，δ降低了约20˚。复数剪切模量G反映了材料在交变应力作用下抵抗变形的能力，其值越大，材料的抗变形能力越强；相位角δ则表示材料在变形过程中弹性和粘性的比例关系，δ越小，材料的弹性成分越高，粘性成分越低。因此，上述测试结果意味着聚氨酯改性沥青在高温下的弹性增强，粘性减小，能够更好地承受交通荷载的作用，有效减少车辙病害的发生。
Figure 2. High temperature rheological properties of asphalt modified with different polyurethane contents
图2. 不同聚氨酯掺量改性沥青高温流变性能
3.1.3. 高温抗车辙性能
为深入探究聚氨酯改性沥青在实际应用中的高温抗车辙性能，开展车辙实验。在实验中，专门制备了两组车辙试件，一组采用PUA-50改性沥青，另一组采用SBS改性沥青。模拟实际道路的高温重载环境，设定试验温度为60℃，轮压0.7 MPa，加载轮运行速度42次/min，持续对试件进行加载，同时密切监测车辙深度的变化。
Figure 3. Rutting test results of different modified asphalt mixtures
图3. 不同改性沥青混合料车辙实验结果
实验结果如图3显示，随着加载次数的增加，两组试件的车辙深度均呈现增长趋势。然而，PUA-50 改性沥青试件的车辙深度增长速度明显低于SBS改性沥青试件。当加载次数达到20,000次时，采用PUA-50改性沥青的试件，车辙深度仅为5 mm；而采用SBS改性沥青的试件，车辙深度却达到了12 mm。这一数据对比，清晰直观地展现出PUA-50改性沥青在抵抗车辙变形方面具有显著优势。
3.2. 低温性能
3.2.1. 低温抗裂性
低温小梁弯曲试验结果(图4)显示，聚氨酯改性沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变明显高于SBS改性沥青混合料。以PUA-40改性的SPC-N混合料为例，其抗弯拉强度达到12 MPa以上，最大弯拉应变超过10,000 με，分别为SBS改性SMA混合料的1.6倍和3.5倍。这表明聚氨酯改性沥青在低温环境下，能够承受更大的拉伸应力和变形，不易发生开裂现象。这主要是由于聚氨酯中的柔性链段和交联结构在低温时能够有效缓解沥青的收缩应力，提高了沥青的柔韧性和抗裂性能。
Figure 4. Low temperature trabecular bending test results of different modified asphalt mixtures
图4. 不同改性沥青混合料低温小梁弯曲试验结果
3.2.2. 低温流变性能
弯曲梁流变仪测试结果如图5显示，聚氨酯改性沥青的蠕变劲度模量S随着聚氨酯掺量的增加而降低，蠕变速率m则增大。在−12℃时，PUA-50的S比基质沥青降低了约40%，m提高了约50%。蠕变劲度模量S反映了材料在低温下抵抗变形的能力，S值越小，材料在低温下的变形能力越强；蠕变速率m则表示材料在低温下变形的速度，m值越大，材料在低温下恢复变形的能力越强。因此，上述结果说明聚氨酯改性沥青在低温下的变形能力得到增强，能够更快地恢复变形，从而减少低温裂缝的产生。
3.3. 力学性能
3.3.1. 拉伸性能
拉伸试验结果如图6所示，聚氨酯改性沥青的拉伸强度和伸长率均显著提高。可以看出PUA-50拉伸强度达到8 MPa以上，伸长率超过400%，分别为基质沥青的2.5倍和3倍。这主要是由于聚氨酯与沥青发生化学反应，形成了化学键和交联结构，增强了分子间的作用力。在拉伸过程中，这些化学键和交联结构能够有效抵抗外力，使得沥青在受力时能够更好地承受拉伸变形，从而提高了拉伸性能。
Figure 5. Rheological test results of modified asphalt bending beams with different polyurethane contents
图5. 不同聚氨酯掺量改性沥青弯曲梁流变测试结果
Figure 6. Tensile test results of modified asphalt with different polyurethane contents
图6. 不同聚氨酯掺量改性沥青拉伸实验结果
3.3.2. 抗压性能
马歇尔试验是评估沥青混合料性能的重要手段之一，其结果(图7)清晰地展示出聚氨酯改性沥青混合料在性能上的显著提升，尤其是稳定度方面表现突出。在本次试验中，采用标准的马歇尔试验方法，严格按照相关规范制备试件并进行测试。以PUA-40改性的SMP-W混合料为例，其稳定度经测定达到12 kN以上。与之对比，SBS改性SAC混合料的稳定度相对较低，PUA-40改性的SMP-W混合料稳定度比SBS改性SAC混合料高出约30%。
3.3.3. 剪切性能
图8显示了直接剪切试验结果，可以看出聚氨酯改性沥青的剪切强度大幅提升。PUA-60的剪切强度比基质沥青提高了约2倍。聚氨酯形成的交联网络结构增强了沥青内部结构的整体性，使得沥青在受到剪切力作用时，能够更好地抵抗剪切变形。这种交联网络就像一张紧密的“网”，将沥青分子紧紧连接在一起，提高了沥青的抗剪切能力，保证了路面在车辆水平荷载作用下的稳定性。
Figure 7. Marshall test number of different types of asphalt mixtures
图7. 不同类型沥青混合料马歇尔试验
Figure 8. Direct shear test data of modified asphalt with different polyurethane contents
图8. 不同聚氨酯掺量改性沥青直接剪切试验数据
3.4. 耐久性能
3.4.1. 耐老化性能
经过TFOT和PAV试验后(图9)，聚氨酯改性沥青的性能变化较小。老化后，PUA-50的针入度比基质沥青高10%以上，软化点变化幅度也较小。这是因为聚氨酯分子中的化学键和结构能够有效抵抗氧化和热降解。在老化过程中，聚氨酯的结构可以抑制沥青分子的氧化反应和交联反应，减少沥青性能的劣化，从而延长了路面的使用寿命。
Figure 9. Experimental results of injection degree and softening point of modified asphalt with different polyurethane contents
图9. 不同聚氨酯掺量改性沥青针入度和软化点试验结果
3.4.2. 耐水性能
冻融劈裂强度试验结果(图10)表明，聚氨酯改性沥青混合料的冻融劈裂强度比在与SBS改性沥青混合料的对比中占据优势。具体来看，PUA-40改性的SPC-W混合料表现尤为突出，其冻融劈裂强度比超过80%。相比之下，SBS改性SMA混合料的这一指标则相对较低，PUA-40改性的SPC-W混合料比它高出约15%。
Figure 10. Results of freeze-thaw splitting test of different types of asphalt mixture
图10. 不同类型沥青混合料冻融劈裂试验结果
3.4.3. 耐化学侵蚀性能
浸泡试验表明(图11)，聚氨酯改性沥青在酸、碱、盐溶液中性能稳定。在5%盐酸溶液浸泡30天后，PUA-60的质量损失率比基质沥青低30%以上。聚氨酯的化学结构使其具有良好的抗化学侵蚀性，它能够在沥青表面形成一层保护膜，阻挡化学物质对沥青的侵蚀。同时，聚氨酯与沥青形成的交联结构也起到了物理屏障的作用，减少化学物质向沥青内部的渗透，从而保护沥青的性能。
Figure 11. Experimental results of soaking modified asphalt with different polyurethane contents
图11. 不同聚氨酯掺量改性沥青浸泡实验结果
4. 结语
本研究对聚氨酯改性沥青性能展开了全面且深入的探究，通过系统的实验研究与数据分析，揭示了聚氨酯改性沥青在不同条件下的性能表现，可得出以下结论：
(1) 高温性能：聚氨酯与沥青形成交联网络，增强粘结力，显著提升改性沥青混合料高温稳定性。车辙试验中，PUA-50改性的SMP-N混合料动稳定度远超SBS改性SAC；DSR测试表明，PUA-60在60℃、10 rad/s时，复数剪切模量G*大幅提高，相位角δ显著降低；车辙实验显示，加载20,000次，PUA-50试件车辙深度远低于SBS试件。
(2) 低温性能：聚氨酯的柔性链段和交联结构缓解沥青低温收缩应力。低温小梁弯曲试验中，PUA-40改性的SPC-N混合料抗弯拉强度和最大弯拉应变大幅优于SBS改性SMA；BBR测试显示，PUA-50在−12℃时，蠕变劲度模量S降低，蠕变速率m提高，低温变形能力增强。
(3) 力学性能：聚氨酯与沥青形成化学键和交联结构，增强分子间力与结构整体性。拉伸试验中，PUA-50拉伸强度和伸长率显著高于基质沥青；马歇尔试验中，PUA-40改性的SMP-W混合料稳定度远超SBS改性SAC；直接剪切试验中，PUA-60剪切强度大幅高于基质沥青。
(4) 耐久性能：聚氨酯结构抵抗氧化、热降解、水及化学侵蚀。TFOT和PAV后，PUA-50老化后性能优于基质沥青；冻融劈裂试验中，PUA-40改性的SPC-W混合料冻融劈裂强度比高于SBS改性SMA；浸泡试验显示，PUA-60在5%盐酸溶液中质量损失率低于基质沥青。