随着时代的发展，为响应《质量建设强国纲要》^[1]中节能、环保等号召，提升功能性路面的服务要求，郭桂宏^[2]提议使用聚氨酯混合料替代需高温加热的传统沥青混合料。孙铭鑫等^[3]研究了聚氨酯混合料配合比设计的关键因素与最佳聚氨酯用量计算方法。常见聚氨酯混合料分成单组分与双组分两种^[4-6]，实际应用过程中，牟善友等^[7]发现双组分聚氨酯混合料固化时间极快。苗成涛, 孙敏等^[8-9]研究单组分聚氨酯可通过温、湿度控制其固化时长，适用于高速公路建设。陈淼，李昀泽等^[10-11]试验表明单组分聚氨酯混合料固化与力学特性受温湿度影响。张新雨^[12]发现了20~40 ℃下聚氨酯混合料最佳的碾压时机会变化。在中国，路用混合料从拌和站到现场碾压运输时长一般在2 h以内^[13]。彭庚等^[14]研究发现过长的运输时间会导致聚氨酯混合料发生固结，造成混合料无法碾压密实。

综上所述，混合料从拌和站到碾压成型应控制最长允许时间间隔，即混合料可容留时间。但由于可容留时间受路用性能限制，路用性能又受环境温、湿度及运距时长影响^[15]。因此，为研究单组分聚氨酯可容留时间及指标，需对单组分聚氨酯混合料在不同运距时间及不同温、湿度下进行路用性能试验，并研究其变化规律。然后通过路用性能变化规律研究可容留时间，提出可容留时间判断依据及指标。

本研究选用的聚醚型单组分聚氨酯结合料由巴斯夫国际化工提供，其主要技术指标如表 1所示。

本研究粗集料选用玄武岩，细集料及矿粉选用石灰岩，橡胶颗粒由废旧轮胎经机械设备剪切、碾磨而成并等体积替换(2.36~4.75 mm和1.18~2.36 mm)20%的石料，成为路面骨架结构的一部分，其技术指标如表 2所示。

本研究参考排水路面设计级配，首先通过控制目标空隙率、马歇尔稳定度及飞散试验优选出聚氨酯混合料级配，然后通过飞散和析漏试验确定最佳聚氨酯用量并制成混合料；接着重点研究该混合料不同运距时间(0，0.5，1，1.5，2 h)与不同温湿度(20 ℃/50%RH，30 ℃/75%RH，40 ℃/100%RH)下力学性能、温度稳定性及水稳定性变化，最后基于该变化研究混合料可容留时间，提出可容留时间判断依据及指标并分析温湿度与其关系。

混合料拌和前，应优先放入集料与橡胶颗粒，然后搅拌60 s，接着放入聚氨酯搅拌90 s，当放入聚氨酯时即可计时，最后放入矿粉搅拌60 s。拌和结束后，将混合料均匀放入桶内，并在顶部盖上锡纸。放入恒温恒湿箱内，简单模拟车辆在运输过程环境及运距时间。

参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(以下简称《规程》)(JTG E20—2011)^[16]，混合料常温下双面击实50次制成马歇尔试件，然后试件置于对应温湿度养生3 d后脱模。通过体积法计算空隙率后，放入60 ℃的恒温水浴箱中保温40 min，采用50 mm/min加载速率进行马歇尔稳定度试验。

参考《规程》^[16]，将车辙板试件切割成250 mm×30 mm×35 mm的小梁试件，并将试件放入-10 ℃的试验机内保存4 h，采用万能材料试验机进行三点弯曲加载，试验时试件跨径为200 mm，加载速度为50 mm/min进行三点弯曲试验；车辙试验试件采用轮碾法制备，车辙板尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，试验温度60 ℃，单次车轮行走的距离为230 mm，往返车轮行走速度为42次/min进行高温车辙试验。

参考《规程》^[16]，将马歇尔试件分成两组对比试件，一组在60 ℃的恒温水浴箱中保温40 min后，另一组进行浸水马歇尔试验，即在60 ℃的恒温水浴箱中保温48 h后进行马歇尔试验；同上，将试件分成两组对比试件，第1组放在室温下保存备用；将第2组按照标准的饱水试验方法进行真空饱水，在真空度为97.3~98.7 kPa条件下保持15 min，然后将试件放入恒温冰箱中，冷冻温度为-18 ℃并保持16 h，最后将试件放入60 ℃恒温水槽中保温24 h，采用50 mm/min的加载速率进行劈裂试验。

参考排水路面级配，以空隙率20%为目标空隙率。选用表 3中3种排水路面级配并通过式(1)，式(2)计算聚氨酯初始用量并制成马歇尔试件，分别进行空隙率、稳定度、飞散试验，试验结果如图 1所示。

(1)

(2)

图 1 级配性能试验 Fig. 1 Gradation performance test

图选项

式中，h为根据调研所示聚氨酯膜厚度约为40 μm；A为集料的总表面积；PU为聚氨酯用量；a, b, c, d, e, f, g分别为4.75~0.075 mm筛孔的通过率。

由图 1可知，级配2中飞散损失率较低，马歇尔稳定度较高，空隙率较为接近20%，说明级配2更接近目标空隙率，混合料力学强度与黏结力较高，可推荐级配2作为单组分聚氨酯混合料级配，其原因是由于级配2适宜减少13.2~9.5 mm粒径骨料，增加了9.5~4.75 mm粒径集料，使混合料骨料间嵌合更密实，降低了空隙率，提高了力学强度与内部黏聚力。

选用级配2，根据3.1节中计算出聚氨酯初始用量为4.4%制成马歇尔试件。为确定最佳聚氨酯用量，分别选取聚氨酯用量3.4%，3.9%，4.9%，5.4%作为对照组，进行肯特堡飞散试验、谢伦堡析漏试验，试验结果如图 2所示。

图 2 最佳聚氨酯用量 Fig. 2 Optimal polyurethane dosages

图选项

从图 2可看出，聚氨酯用量增多时，飞散损失率降低，析漏损失率上升。当用量大于4.4%时，析漏损失率变化幅度较其余上升更快；当用量小于3.9%时，飞散损失率下降变化幅度较其余更快。说明聚氨酯最佳用量可取在两拐点平行交线最大值处^[17]。分析原因认为聚氨酯用量过多时，混合料表面过度泛油，引起析漏损失率急速上升；用量过少时，骨料间黏结力不足导致飞散损失率急速下降。故可取两拐点平行交线处最大值为聚氨酯用量，即4.22%。

用第2.2.2节力学性能试验方法测试不同运距时间，不同温、湿度下单组分聚氨酯混合料，数据如表 4所示。

由表 4可以看出，随着温、湿度越高或运距时间延长，空隙率会逐渐增大，马歇尔稳定度会逐步下降。直到2 h运距时间结束，20 ℃/50%RH下的马歇尔稳定度分别是30 ℃/75%RH，40 ℃/100%RH的1.35倍和2.17倍。说明力学性能随温、湿度上升及运距时间延长而下降，温湿度越高或运距时间越久则下降越快。分析原因认为聚氨酯常温下会与空气中的水分子发生湿固化反应并析出气态二氧化碳，越高的温湿度会加剧该气体的析出，而随着气态二氧化碳析出会造成混合料制备时骨料间隙增大，导致混合料骨料间结合不够密实，造成空隙率上升，引起强度下降；另一方面运距时间延长会导致聚氨酯胶黏剂缓慢固化，黏聚力下降，骨料间难以嵌合。故所得力学性能下降。

用第2.2.3节试验方法对不同温、湿度下混合料开展2 h运距时间内高温车辙试验和低温小梁弯曲试验，试验结果如图 3，图 4所示。

图 3 高温车辙试验 Fig. 3 High temperature rutting test

图选项

图 4 低温小梁弯曲试验 Fig. 4 Low temperature trabecular bending test

图选项

从图 3与图 4看出，混合料动稳定度、弯拉最大应变会随温、湿度升高及运距时间延长而降低，而弯曲劲度模量随着温湿度升高与运距时间延长而升高, 说明随着温湿度上升或容留时间延长，混合料温度稳定呈现下降趋势。分析原因认为聚氨酯结合料湿固化形成了三维的胶结网状结构，当温、湿度升高时，聚氨酯内部更易产生较多不稳定的氨基甲酸，不稳定的氨基甲酸易自然分解，从而破坏了胶结网状结构；另一方面聚氨酯加入时，胶粘剂与骨料间已缓慢形成强度，随着运距时间延长，越不利于车辙板碾压成型。

用第2.2.4节试验方法对不同温、湿度下混合料开展2 h运距时间内浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，试验结果如表 5所示。

从表 5可知，直至2 h运距时间，残留稳定度和冻融劈裂强度比随着温湿度的上升而下降；残留稳定度和冻融劈裂强度比随运距时间延长而下降。表明混合料水稳定性随着温湿度上升而下降，温度越高，下降越明显；随着运距时间延长，混合料水稳定性也逐步下降。分析原因认为聚氨酯混合料常温下能与空气中的小分子相结合，发生湿固化反应，越高的温、湿度会加剧该反应，从而造成骨料间发生结团现象；而运距时间越长，混合料固化反应时长越久，部分混合料已固结，马歇尔时间难以击实，从而造成混合料水稳性下降。

基于第4节可知，混合料力学性能、温度稳定性及水稳定性会随温、湿度上升及运距时间延长而降低，因此，需严格控制不同温、湿度下混合料从拌和站制备到路面碾压时的最长允许运输时间间隔，即混合料可容留时间。为研究混合料可容留时间需提出判定依据。参考《排水沥青路面设计与施工技术规范》(JTG/T 3350-03—2020)^[18]技术指标，发现水稳定性在2 h运距时间会小于技术指标，为满足混合料实际工程建设要求。对水稳定性与运距时间数据进行多项式回归分析，如图 5~6所示。

图 5 浸水马歇尔稳定度试验 Fig. 5 Immersion Marshall stability test

图选项

图 6 冻融劈裂强度试验 Fig. 6 Freeze-thaw splitting strength test

图选项

从图 5及图 6可知，不同温湿度下，多项式回归拟合曲线的决定系数R²均大于0.95。若以最低残留稳定度及冻融劈裂强度比技术指标的最短运距时间为可容留时间。可计算出20 ℃/50%RH，30 ℃/75%RH，40 ℃/100%可容留时间分别小于1.53，1.00，0.42 h。这说明混合料水稳定性弱且与可容留时间相关性强，可推荐将水稳定性作为可容留时间判断依据，同时当环境温、湿度每上升10 ℃/25%RH，可容留时间会缩短约0.5 h。

从5.1节可知，可容留时间提出的判定依据试验时间较长，不利于现场施工应用。为考虑施工过程中便利性与及时性，提出一个较为便利且系统化的混合料可容留时间指标。本研究选用可容留时间判断依据与空隙率数据进行多项式回归拟合，并基于该拟合方程计算出混合料在不同容留环境下达到判定依据阈值下的空隙率，如图 7~8所示。

图 7 SPM空隙率-TSR拟合曲线 Fig. 7 Fitting curve of SPM porosity vs. TSR

图选项

图 8 SPM空隙率-MS0拟合曲线 Fig. 8 Fitting curve of SPM porosity vs. MS0

图选项

结合图 7~8可知，空隙率与水稳定性拟合曲线决定系数均在0.98以上，说明空隙率与残留稳定度和冻融劈裂强度比相关性强，可通过空隙率表征水稳定性。以此指标为准，在20 ℃/50%RH，30 ℃/75%RH，40 ℃/100%RH计算出可容留时间指标分别为空隙率不高于25.7%，24.5%，23.1%，每上升约10 ℃/25%RH环境温湿度，空隙率约会下降1.3%。

(1) 单组分聚氨酯混合料会随着温湿度上升或运距时间延长造成力学性能、高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性下降；越高的温湿度下降越明显，越久运距时间下降越明显。这说明单组分聚氨酯混合料施工中应在常温下现拌现铺碾压施工最佳。

(2) 单组分聚氨酯混合料应以水稳定性为可容留时间判断依据；空隙率与水稳定性呈现较高的相关性，可用空隙率表征水稳定性并以此为容留指标。

(3) 在本研究试验环境中，当环境温、湿度每上升10 ℃/25%RH，可容留时间会缩短约0.5 h，可容留指标空隙率应降低约1.3%。