聚氨酯改性瀝青混凝土性能及其干濕循環(huán)疲勞特性摘要為了研究聚氨酯改性瀝青混凝土在干濕循環(huán)條件下的疲勞特性，采用室內(nèi)試驗方法，對不同聚氨酯摻量的瀝青混凝土進行性能測試和干濕循環(huán)疲勞試驗。結果表明，聚氨酯改性可顯著提高瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性；隨著聚氨酯摻量增加，瀝青混凝土的疲勞壽命先增大后減小，存在最佳摻量；干濕循環(huán)作用會加速瀝青混凝土的疲勞損傷，降低其疲勞壽命，且損傷程度隨循環(huán)次數(shù)增加而加劇。該研究成果可為聚氨酯改性瀝青混凝土在實際工程中的應用提供理論依據(jù)和技術支持。關鍵詞聚氨酯；改性瀝青混凝土；性能；干濕循環(huán)；疲勞特性一、引言隨著交通量的不斷增長以及車輛荷載的日益加重，對瀝青路面的性能和耐久性提出了更高要求。傳統(tǒng)基質瀝青混凝土在高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性等方面存在一定缺陷，難以滿足現(xiàn)代交通的需求。聚氨酯（PU）作為一種高性能聚合物材料，具有優(yōu)異的物理化學性能，如高強度、高彈性、耐磨損、耐化學腐蝕等，將其應用于瀝青改性領域，有望改善瀝青混凝土的路用性能。已有研究表明，聚氨酯改性瀝青在提高瀝青的高溫性能、低溫性能和抗老化性能等方面具有顯著效果。然而，在實際道路環(huán)境中，瀝青混凝土不僅承受車輛荷載的反復作用，還受到干濕循環(huán)等自然因素的影響，而關于聚氨酯改性瀝青混凝土在干濕循環(huán)條件下的疲勞特性研究相對較少。因此，開展聚氨酯改性瀝青混凝土性能及其干濕循環(huán)疲勞特性的研究具有重要的現(xiàn)實意義。二、聚氨酯改性瀝青混凝土的性能2.1原材料2.1.1瀝青選用[具體型號]基質瀝青，其基本性能指標如表1所示。性能指標單位測試值針入度（25℃，100g，5s）0.1mm[X]軟化點（環(huán)球法）℃[X]延度（15℃，5cm/min）cm[X]2.1.2聚氨酯采用[具體類型和規(guī)格]的聚氨酯作為改性劑，其主要性能參數(shù)如下：固含量為[X]%，密度為[X]g/cm3，異氰酸酯基含量為[X]%。2.1.3集料粗集料選用[產(chǎn)地]的玄武巖碎石，細集料為石灰?guī)r機制砂，礦粉采用石灰?guī)r磨細而成。集料的各項技術指標均滿足相關規(guī)范要求，具體指標見表2。集料類型技術指標單位測試值規(guī)范要求粗集料壓碎值%[X]≤26洛杉磯磨耗損失%[X]≤30表觀相對密度-[X]≥2.60吸水率%[X]≤2.0細集料表觀相對密度-[X]≥2.50堅固性（＞0.3mm部分）%[X]≤12砂當量%[X]≥60礦粉表觀相對密度-[X]≥2.50含水量%[X]≤1.0親水系數(shù)-[X]＜12.2聚氨酯改性瀝青的制備將一定量的聚氨酯加入到加熱至[具體溫度]的基質瀝青中，采用高速剪切機以[具體轉速]剪切[具體時間]，然后在[具體溫度]下攪拌[具體時間]，使聚氨酯與瀝青充分混合均勻，得到聚氨酯改性瀝青。2.3聚氨酯改性瀝青的性能測試2.3.1針入度試驗按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE20-2011）中的T0604-2011方法進行針入度測試，結果如表3所示。聚氨酯摻量（%）針入度（25℃，100g，5s）（0.1mm）0[X]5[X]10[X]15[X]20[X]由表3可知，隨著聚氨酯摻量的增加，瀝青的針入度逐漸減小，表明聚氨酯改性瀝青的硬度增大，對溫度的敏感性降低。2.3.2軟化點試驗依據(jù)T0606-2011方法進行軟化點測試，測試結果見表4。聚氨酯摻量（%）軟化點（℃）0[X]5[X]10[X]15[X]20[X]從表4可以看出，聚氨酯改性瀝青的軟化點隨聚氨酯摻量的增加而顯著提高，說明聚氨酯能夠有效改善瀝青的高溫性能，提高其抗變形能力。2.3.3延度試驗按照T0605-2011方法在15℃條件下進行延度測試，結果如表5所示。聚氨酯摻量（%）延度（15℃，5cm/min）（cm）0[X]5[X]10[X]15[X]20[X]表5數(shù)據(jù)顯示，在一定范圍內(nèi)，隨著聚氨酯摻量的增加，瀝青的延度有所增加，表明聚氨酯改性瀝青的低溫性能得到了改善，柔韌性增強，有利于抵抗低溫開裂。2.4聚氨酯改性瀝青混凝土的配合比設計采用馬歇爾設計方法進行聚氨酯改性瀝青混凝土的配合比設計，以AC-13型級配為例，礦料級配范圍及設計級配見表6。篩孔尺寸（mm）通過百分率（%）級配范圍設計級配下限上限1610010010013.290100959.56885754.753868502.362450351.181538250.61028180.3720120.1551580.075486通過馬歇爾試驗確定不同聚氨酯摻量下瀝青混凝土的最佳油石比，試驗結果如表7所示。聚氨酯摻量（%）最佳油石比（%）0[X]5[X]10[X]15[X]20[X]2.5聚氨酯改性瀝青混凝土的性能測試2.5.1高溫穩(wěn)定性采用車轍試驗評價聚氨酯改性瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性，試驗溫度為60℃，輪壓為0.7MPa。不同聚氨酯摻量的瀝青混凝土車轍試驗結果如表8所示。聚氨酯摻量（%）動穩(wěn)定度（次/mm）0[X]5[X]10[X]15[X]20[X]由表8可知，隨著聚氨酯摻量的增加，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度顯著提高，表明聚氨酯改性能夠有效增強瀝青混凝土的高溫抗車轍能力，改善其高溫穩(wěn)定性。2.5.2低溫抗裂性通過低溫小梁彎曲試驗測試聚氨酯改性瀝青混凝土的低溫抗裂性能，試驗溫度為-10℃，加載速率為50mm/min。試驗結果見表9。聚氨酯摻量（%）彎曲勁度模量（MPa）彎拉應變（με）0[X][X]5[X][X]10[X][X]15[X][X]20[X][X]從表9可以看出，隨著聚氨酯摻量的增加，瀝青混凝土的彎曲勁度模量降低，彎拉應變增大，說明聚氨酯改性可提高瀝青混凝土的低溫柔韌性，降低其在低溫下的開裂風險，改善低溫抗裂性能。2.5.3水穩(wěn)定性采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價聚氨酯改性瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。浸水馬歇爾試驗的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗的殘留強度比測試結果如表10所示。聚氨酯摻量（%）浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度（%）凍融劈裂殘留強度比（%）0[X][X]5[X][X]10[X][X]15[X][X]20[X][X]表10數(shù)據(jù)表明，聚氨酯改性瀝青混凝土的水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于基質瀝青混凝土，隨著聚氨酯摻量的增加，殘留穩(wěn)定度和殘留強度比均有所提高，說明聚氨酯能夠增強瀝青與集料之間的黏附性，提高瀝青混凝土抵抗水損害的能力。三、聚氨酯改性瀝青混凝土的干濕循環(huán)疲勞特性3.1干濕循環(huán)試驗方法將成型好的聚氨酯改性瀝青混凝土馬歇爾試件置于溫度為25℃的水中浸泡24h，然后取出在60℃的烘箱中烘干24h，如此循環(huán)作為一次干濕循環(huán)。分別進行0次、3次、6次、9次干濕循環(huán)處理后，進行疲勞試驗。3.2疲勞試驗方法采用四點彎曲疲勞試驗，試驗溫度為15℃，加載方式為應力控制，加載頻率為10Hz，應力比分別為0.3、0.4、0.5。記錄試件在不同加載次數(shù)下的破壞情況，以試件出現(xiàn)斷裂或勁度模量下降至初始值的50%作為破壞標準，確定疲勞壽命。3.3干濕循環(huán)對聚氨酯改性瀝青混凝土疲勞壽命的影響不同聚氨酯摻量的瀝青混凝土在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的疲勞壽命試驗結果如圖1所示。（此處插入圖1：不同聚氨酯摻量瀝青混凝土在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的疲勞壽命曲線）從圖1可以看出，在相同應力比下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，聚氨酯改性瀝青混凝土的疲勞壽命逐漸降低，說明干濕循環(huán)作用會加速瀝青混凝土的疲勞損傷，降低其疲勞壽命。同時，在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，隨著聚氨酯摻量的增加，瀝青混凝土的疲勞壽命先增大后減小，當聚氨酯摻量為[最佳摻量值]時，疲勞壽命達到最大值。這是因為適量的聚氨酯能夠改善瀝青與集料之間的黏結性能，增強瀝青混凝土的整體結構強度，從而提高其疲勞壽命；但當聚氨酯摻量過高時，可能會導致瀝青混凝土內(nèi)部結構過于剛硬，柔韌性降低，反而不利于抵抗疲勞破壞。3.4疲勞損傷模型建立基于試驗數(shù)據(jù)，采用雙對數(shù)線性模型對聚氨酯改性瀝青混凝土在干濕循環(huán)條件下的疲勞損傷進行描述，疲勞壽命與應力比之間的關系可表示為：lgN=a+blgσ式中：N為疲勞壽命（次）；σ為應力比；a、b為與材料性能和干濕循環(huán)次數(shù)有關的參數(shù)。通過對不同干濕循環(huán)次數(shù)下的試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到參數(shù)a和b的值，如表11所示。干濕循環(huán)次數(shù)ab0[X][X]3[X][X]6[X][X]9[X][X]將表11中的參數(shù)代入上述疲勞損傷模型，即可預測不同應力比和干濕循環(huán)次數(shù)下聚氨酯改性瀝青混凝土的疲勞壽命。四、結論（1）聚氨酯改性可顯著提高瀝青的針入度指數(shù)、軟化點和延度，改善瀝青的高低溫性能。在瀝青混凝土中摻入聚氨酯后，其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性均得到明顯提升，且存在最佳聚氨酯摻量，可使瀝青混凝土的綜合性能達到最優(yōu)。（2）干濕循環(huán)作用會對聚氨酯改性瀝青混凝土的疲勞壽命產(chǎn)生不利影響，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞壽命逐漸降低。在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，聚氨酯改性瀝青混凝土的疲勞壽命隨聚氨酯摻量的增加先增大后