丁世英，陈增蔚，黄超，李文峰、李芸 ( 广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530200)

摘要：文章研究了聚氨酯复合玻璃纤维改性沥青的性能，探讨了不同改性比例对沥青在高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害和疲劳性能等方面的影响。结果表明，聚氨酯和玻璃纤维的复合改性显著提高了沥青的高温抗车辙能力、低温柔性及抗疲劳性能，特别是在玻璃纤维5%掺量和聚氨酯15%掺量的组合下表现最为优异。复合改性沥青在极端气候条件下显著提升了路面的使用寿命，有望为现代道路工程提供更加耐久、安全且经济的解决方案。

关键词：聚氨酯；复合玻璃纤维；改性沥青；高温性能；低温性能；抗老化性；疲劳性能

引言

沥青作为道路建设的主要材料，因其优良的流动性、可操作性和低成本广泛应用于路面铺设^［1-2］。然而，随着交通量的不断增加和极端气候条件的影响，传统沥青在高温下容易出现软化，在低温下容易开裂，抗车辙性差，抗疲劳能力不足，导致沥青路面的使用寿命和安全性受限^［3-4］。为了提高沥青的性能，改性沥青材料逐渐成为研究的热点。聚氨酯( PU)由于其良好的弹性、耐磨性和抗老化性，被广泛应用于沥青的改性中^［5-6］。然而，单一聚氨酯改性沥青在高温稳定性和低温抗裂性方面仍存在一定局限^［7-8］。玻璃纤维(GF)具有较高的强度和良好的分散性，能够增强沥青的抗车辙和抗疲劳性能。将聚氨酯(PU)与玻璃纤维(GF)复合使用，不仅能够充分发挥聚氨酯的弹性和玻璃纤维的增强作用，还能够提升沥青的高温稳定性、低温抗裂性及耐久性，进而提高沥青路面的整体性能^［9-11］。本文旨在通过试验研究聚氨酯复合玻璃纤维(GFPU)改性沥青的性能，分析不同改性比例对沥青的高温性能、低温性能、抗车辙性、抗疲劳性等方面的影响，并探索其应用前景。

1 原材料与试验方法

1. 1 原材料 

本试验使用 70# 佛山壳牌沥青。所用聚氨酯为 MDI ( 异氰酸酯)基聚氨酯，具有较好的热稳定性、弹性和黏结性。玻璃纤维选用短切玻璃纤维，长度为6 mm，直径 为10 μm，具备良好的分散性和增强效果，能够有效提升沥青的抗裂性、抗车辙性和抗疲劳性。试验中还采用了适量的溶剂和分散剂，帮助聚氨酯和玻璃纤维均匀分散在沥青中。

1. 2 改性沥青制备 

改性沥青的制备过程包括将聚氨酯复合玻璃纤维材料与基质沥青进行混合，采用不同的聚氨酯复合掺量，

1. 3 改性沥青混合料制备

根据《公路沥青路面施工技术规范》( JTG F40— 2004) ^［13］，改性沥青混合料的制备过程遵循传统的热拌沥青混合料生产工艺。( 1)按照 AC－13C 级配要求，如图 2 所示，选取合适的粗集料、中集料和细集料，并将其干燥至适宜含水量; ( 2) 将制备好的改性沥青按 5%、10%、15% 掺量聚氨酯复合 5%掺量玻璃纤维与集料进行混合，在 160℃的温度下搅拌均匀，确保改性沥青与集料的良好结合，得到不同的改性沥青混合料。混合料制作完成后，采用马歇尔法和其他试验方法对其进行性能测试。

1. 4 试验方案 

本研究根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规 程》( JTG E20—2011) ，对改性沥青和改性沥青混合料进行系列性能测试。 

1. 4. 1 三大指标测试 

针入度测试：采用针入度仪测量，标准针在25 ℃± 0. 1 ℃的水浴中加载100 g重力，持续5 s后测量针入度。软化点测试: 使用环球法，标准沥青球在5 ℃ /min的升温速率中进行测量。延度测试：在5 cm/min的拉伸速度下，测试沥青样品在25 ℃温度下的延展长度，直至断裂。 

1. 4. 2 荧光显微观察 

将沥青样品通过切割机制成光滑的小块，使用荧光显微镜在 400 倍放大倍数下观察其内部结构，记录聚氨酯和玻璃纤维的分布状态及界面结合情况。

1. 4. 3 动态剪切流变( DSＲ) 测试 

改性沥青取直径为25 mm、厚度为1 mm的圆形薄片试件，在64 ℃的温度下，加载频率为10 rad/s，记录复数模量( G* ) 和相位角( δ)，以评估沥青的高温流变特性。

1. 4. 4 低温劈裂试验 

制备直径为150 mm、高度为50 mm的圆柱试件，在－10 ℃的温度条件下养生4 h，以确保内部温度均匀。通过万能材料试验机施加拉伸应力直至试件劈裂破坏，加载速率为50 mm/min，记录最大劈裂力以评估低温抗裂性能。

1. 4. 5 浸水马歇尔试验 

试件尺寸与标准马歇尔试件相同，直径为101. 6 mm、高度为63. 5 mm。将成型的马歇尔试件在60 ℃的水浴中浸泡48 h后取出，立即进行马歇尔稳定度试验，测定浸水后的马歇尔稳定度。加载速率为50 mm/min，马歇尔仪进行加载直至试件破坏，测量浸水前后稳定度差异，评估水稳定性。

1. 4. 6 无侧限抗压强度试验 

采用标准马歇尔试件，直径为101. 6 mm、高度为 63. 5 mm。试验采用无侧限压缩方式，通过万能材料试验机在标准 加载速率下进行加载，加载速率为 50 mm/min，直至试件破坏。试验温度为25 ℃，用于评估混合料的抗压能力。

1. 4. 7 劈裂疲劳试验 

采用直径为150 mm、高度为50 mm的圆柱试件，在 20 ℃恒温环境下进行，以恒定的重复应力模式加载。加载频率为6 Hz，最大加载应力为 0. 5 倍劈裂强度，循环加载直至试件发生劈裂破坏，记录疲劳寿命(循环次数)，用于评估混合料的抗疲劳性能。

2 实验结果与分析

2. 1 三大指标试验 

聚氨酯的加入显著提升了沥青的软化点，降低了针入度和延度，如图 3 所示。

图3 试验结果表明，改性沥青的针入度随聚氨酯掺量的增加显著降低，这反映了沥青的硬度和高温稳定性显著提高。软化点的升高趋势表明，随着聚氨酯的交联结构与玻璃纤维的增强作用逐步增加，改性沥青在高温下的耐流动性能得到改善。单一聚氨酯改性组的延度随掺量增加逐渐下降，表明其柔性受到一定影响，而复合改性组中玻璃纤维的加入有效减缓了这一趋势，其延度表现优于单一改性组。这可能是由于玻璃纤维在沥青中形成了骨架网络结构，对沥青分子提供了约束和支撑，减少了裂纹扩展的可能性，从而提高了沥青的整体柔性和抗裂能力。

2. 2 荧光显微试验分析 

对制备好的玻璃纤维聚氨酯改性沥青进行取样，观测其分散情况，结果如图 4 所示。

观察图4 可知，玻璃纤维在沥青中均匀分布，且与聚氨酯形成协同增强作用的网络结构。如图 4( d) 所示，纤维网络更加密集，表明其对沥青骨架的支撑作用显著增强。

2. 3 动态剪切流变( DSＲ) 分析 

采用动态剪切流变仪测定不同试样在64 ℃温度下的复数模量( G* )和相位角( δ) ，计算其车辙因子( G* /sinδ) ，结果如表 1 所示。

试验结果显示，基质沥青在高温下的相位角较大，表明其主要以黏性为主，流动性较高，抗车辙能力较弱。单一聚氨酯改性后，相位角逐渐减小，而复数模量显著提高，说明聚氨酯通过交联作用改善了沥青的弹性，增强了抗流变性能。复合改性组中，随着玻璃纤维的加入，相位角进一步降低，而 G* /sin δ 值显著提升，尤其是在 15% PU+5%GF 组中，车辙因子达到5. 9 kPa，高于单一 15% 聚氨酯组的5. 1 kPa。这表明玻璃纤维的增强作用与聚氨酯的交联作用形成了协同效应，共同提高了沥青的高温抗车辙能力，同时优化了其黏弹性。

2. 4 混合料性能测试 

2. 4. 1 低温性能试验 

低温劈裂试验结果如图 5 所示。由图 5 可知，随着聚氨酯掺量的增加，劈裂强度逐渐提高，这是由于聚氨酯在低温下增强了沥青的韧性和抗裂性。相比单一聚氨酯改性组，复合改性组的劈裂强度更高，尤其是 15%PU+ 5%GF 组达到3. 38 MPa，较 15%PU 改性沥青提升了 23. 8%。玻璃纤维的加入通过分散低温应力并阻止裂纹的扩展，提高了混合料在低温下的抗裂能力。这一结果表明，复合改性混合料在增强混合料低温性能方面具有显著优势。

2. 4. 2 浸水马歇尔试验 

浸水马歇尔试验结果如图 6 所示。由图 6 可知，单一聚氨酯改性组的残留稳定度随着掺量的增加逐步提高，15%PU 组达到 90%。复合改性组的残留稳定度更高，尤其是 15%PU+5%GF 组达到 93%，显示出优异的抗水损伤能力。玻璃纤维通过其分散性和高强度构建了更加稳定的骨架结构，同时增强了混合料的抗水损能力。聚氨酯的交联作用则提高了沥青基质与骨料之间的黏结力，两者协同作用显著提高了混合料的水稳性。

2. 4. 3 无侧限抗压强度试验 

无侧限抗压强度试验结果如图 7 所示。由图 7 可 知，基质沥青的抗压强度为4. 2 MPa，随着聚氨酯掺量的增加，抗压强度逐渐提高。单一聚氨酯改性组中，15% PU 的抗压强度达到5. 6 MPa，表明聚氨酯的交联作用有效增强了沥青的抗压能力。复合改性组的抗压强度进一步提高，尤其是15% PU + 5% GF 组，抗压强度达到 6. 2 MPa，较基质沥青提高了 47. 6%。这是由于玻璃纤维在沥青中形成了骨架支撑结构，能够有效承受和分散压缩应力，从而显著提高了混合料的抗压性能。聚氨酯与玻璃纤维的协同作用进一步优化了沥青的力学性能。

2. 4. 4 劈裂疲劳试验 

从图 8 试验结果可以看出，基质沥青的疲劳寿命为 2 437次，说明其抗疲劳能力有限; 在聚氨酯改性组中，随 着聚氨酯掺量的增加，疲劳寿命逐渐提升，这表明聚氨酯 通过其化学交联增强了沥青的弹性和耐久性。在 15% PU 改性组中，疲劳寿命达到了4 718次，表现出显著的 抗疲劳性能提升。

在复合改性组中，疲劳寿命整体高于单一聚氨酯改性组，尤其是在 15%PU+5%GF 组中，疲劳寿命达到了 6 073次，比基质沥青提升了约 2. 5 倍。这种提升效果得益于玻璃纤维在混合料中的骨架增强作用，有效地抑制了裂纹的萌生和扩展。此外，聚氨酯的柔性和弹性特性与玻璃纤维的高强度协同作用，使材料在重复荷载作用下保持了良好的完整性和耐久性。 

总体来看，复合改性组中的疲劳寿命具有一定的波动性，反映了试验中材料微观结构和纤维分布的不均匀性。这种随机性在实际路面应用中也是不可避免的，但无论是在抗裂性还是耐久性方面，复合改性组均表现出更优的综合性能，尤其是在高掺量的情况下效果最为显著。

3 结论

1) 通过本文研究表明，聚氨酯和玻璃纤维的复合改性显著增强了沥青的高温稳定性，软化点提升明显，复合改性组中的高温抗流变性能优于单一聚氨酯改性组，体现出更强的抗车辙能力。这一改性方式为高温气候条件下的道路建设提供了有效的技术支持。

2) 复合改性沥青的低温劈裂强度和疲劳寿命均显著提高。尤其是玻璃纤维和聚氨酯比例分别为 5%和 15%时，材料在低温条件下表现出优异的柔性和抗裂能力，同时疲劳寿命较基质沥青提升约2. 5 倍，说明复合改性对提高沥青混合料的低温抗裂性和耐久性效果显著。

3) 玻璃纤维通过物理增强作用改善了沥青的强度和韧性，而聚氨酯通过化学交联提供了更好的黏弹性，两者的协同作用使得改性沥青在高低温、耐疲劳和抗水损方面展现了优异的综合性能。因此，聚氨酯复合玻璃纤维改性是一种有效且可行的沥青改性方式，适用于多种严苛的气候和交通条件。

来源：《西部交通科技》2025年3月