不同USP 摻量溫拌瀝青混合料性能對(duì)比研究

李恒達(dá)

[上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市 200433]

0 引言

國(guó)家交通部“十三五”發(fā)展規(guī)劃確定公路建設(shè)將牢固樹(shù)立和貫徹落實(shí)綠色發(fā)展理念，要通過(guò)技術(shù)進(jìn)步推行綠色發(fā)展模式，強(qiáng)化生態(tài)保護(hù)和污染防治[1]。目前，國(guó)家現(xiàn)有的公路路面多數(shù)采用傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料進(jìn)行施工，而傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料在生產(chǎn)與施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量煙氣，同時(shí)消耗更多能源。這在施工過(guò)程中不僅對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員身體健康造成影響，而且對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境也會(huì)帶來(lái)一定的危害[2]。傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料施工過(guò)程中的環(huán)境溫度極易影響攤鋪碾壓溫度，尤其在冬季施工，極低的環(huán)境溫度容易造成高溫的瀝青混合料溫度驟降，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青混合料的相關(guān)指標(biāo)不符合設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)重影響瀝青混合料的路用性能[3]。

基于上述需求，在70# 基質(zhì)瀝青中加入U(xiǎn)SP 低溫添加劑用以降低瀝青混合料施工拌和的溫度。USP 低溫添加劑又稱USP 高分子聚合物瀝青改性劑，以高分子樹(shù)脂、廢舊橡膠、表面活性劑以及催化劑等為原料經(jīng)科學(xué)配方、特殊工藝制備而成。將其加入瀝青后，USP 低溫添加劑中的高分子油分能夠很好地降低瀝青黏度，同時(shí)，通過(guò)物理方式改變?yōu)r青分子間的引力，從而實(shí)現(xiàn)低溫下的拌和以及施工[4]。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料與USP 低溫改性瀝青混合料的各項(xiàng)性能，研究USP 低溫添加劑在降低溫度的同時(shí)對(duì)瀝青混合料路面性能的影響。

1 傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料路用性能

1.1 原材料

本文以AC-20 類型瀝青混合料為例，采用拌和樓熱料倉(cāng)篩分后的熱集料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)及性能相關(guān)試驗(yàn)。其中，粗集料和細(xì)集料均為東方希望重慶水泥有限公司生產(chǎn)的玄武巖，礦粉廠家為上海滬長(zhǎng)建材有限公司，瀝青采用上海城建日瀝特種瀝青有限公司生產(chǎn)的70#基質(zhì)瀝青。

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)與技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)配合比設(shè)計(jì)最終確定傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料的配合比為（15～25）mm∶（10～15）mm∶（5～10）mm∶（3～5）mm ∶（0～3）mm ∶礦 粉=23 ∶19 ∶22 ∶6 ∶27∶3，油石比為4.2%，合成級(jí)配見(jiàn)表1。

表1 合成級(jí)配表

根據(jù)上述級(jí)配成型AC-20 瀝青混合料馬歇爾試件進(jìn)行檢測(cè)，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求[6]。

1.3 路用性能

對(duì)上述級(jí)配成型AC-20 瀝青混合料水穩(wěn)定性和高溫性能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3，水穩(wěn)定性能和高溫性能表現(xiàn)良好，均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求[6]。

表3 傳統(tǒng)熱拌AC-20 瀝青混合料性能表

2 USP 低溫瀝青混合料路用性能

2.1 USP 低溫改性瀝青制備

根據(jù)《道路低溫瀝青路面施工技術(shù)規(guī)程》（T/CECS G：D54-01—2019）中的低溫瀝青試驗(yàn)室制備方法[7]：將USP 低溫添加劑在80 ℃保溫容器中緩慢加熱融化并攪拌均勻，在加熱好的70# 瀝青里摻入3%、4.5%的USP 低溫添加劑，并在120 ℃下攪拌30 min以上，即制成USP 低溫改性瀝青。

2.2 水穩(wěn)定性

對(duì)USP 低溫瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾技術(shù)指標(biāo)的相關(guān)檢測(cè)，USP 低溫添加劑的摻量分別為3%和4.5%，設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率為4.0%，級(jí)配與上述傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料的級(jí)配相一致，其結(jié)果見(jiàn)表4。USP 低溫瀝青混合料的空隙率和穩(wěn)定度均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求[6]，但是和傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料相比USP 低溫瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比指標(biāo)下降顯著且不符合規(guī)范要求，如圖1所示。當(dāng)USP 低溫添加劑摻量為3%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比下降了12.8%，當(dāng)USP 低溫添加劑摻量為4.5%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比下降了15.2%。

圖1 凍融劈裂性能對(duì)比圖

表4 USP 低溫改性瀝青混合料技術(shù)參數(shù)

經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7]可知，成型試件需經(jīng)一定時(shí)間的化學(xué)改性，具體的操作方式為：開(kāi)始單面各擊實(shí)30 次，共60 次，去除吸油紙，再放入110 ℃恒溫烘箱內(nèi)進(jìn)行24 h 養(yǎng)生后，從烘箱取出馬歇爾試件立即再次擊實(shí)，單面各擊實(shí)20 次，共40 次，然后放置在常溫下12 h 以后脫模。經(jīng)過(guò)化學(xué)改性成型的試件檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5，同時(shí)與重新成型未摻入U(xiǎn)SP 低溫添加劑的傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比，凍融劈裂強(qiáng)度比的變化趨勢(shì)如圖2 所示。從圖中能夠看出，當(dāng)USP 低溫添加劑摻量為3%時(shí)，經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的USP 低溫改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比相比傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比下降了3.6%；當(dāng)USP低溫添加劑摻量為4.5%時(shí)，經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的USP 低溫改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比相比傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比下降了5.2%。

圖2 凍融劈裂性能對(duì)比圖（養(yǎng)生）

表5 熱拌瀝青混合料與USP 低溫改性瀝青混合料技術(shù)參數(shù)

由表4 和表5 可知，在馬歇爾穩(wěn)定度方面，未經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的試件在USP 低溫添加劑摻量3%和4.5%時(shí)的穩(wěn)定度分別為9.5 kN 和10.1 kN；經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的試件在摻量3%和4.5%時(shí)的穩(wěn)定度分別為8.3 kN 和8.4 kN。經(jīng)過(guò)養(yǎng)生之后穩(wěn)定度分別下降了1.2 kN 和2.7 kN，但是兩者技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。未經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的USP 低溫瀝青混合料中輕質(zhì)油分未完全揮發(fā)，USP 低溫瀝青黏度不達(dá)標(biāo)，所以未經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的USP 低溫瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比低于規(guī)范要求。而經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的USP 低溫改性瀝青混合料受外界條件影響，隨著USP 低溫添加劑中的輕質(zhì)油分揮發(fā)，瀝青分子量逐漸增加，黏度增大，USP 低溫瀝青中的活性組分與集料中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的USP 低溫改性瀝青混合料強(qiáng)度大幅提高[5]。但兩者隨著USP 低溫添加劑的摻量增大，USP 低溫瀝青中油分含量也隨之增多，所以未經(jīng)過(guò)養(yǎng)生和經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的USP 低溫改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均呈現(xiàn)不同幅度的下降趨勢(shì)。

由上述分析可知，USP 低溫添加劑摻量并非越高越好，故采用摻量為3%的USP 低溫改性瀝青混合料進(jìn)行相關(guān)的性能試驗(yàn)，拌和溫度為120 ℃，成型溫度為110 ℃，浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。就施工和易性而言，在110 ℃成型的馬歇爾試件與傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料在150 ℃下成型的空隙率相當(dāng)，溫度降低了40 ℃。結(jié)合上述試驗(yàn)就力學(xué)性能上看，經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的USP 低溫改性瀝青混合料的穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料略有下降，而殘留穩(wěn)定度有小幅提高，但均滿足規(guī)范的技術(shù)指標(biāo)。因此，經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的USP 低溫改性瀝青混合料對(duì)混合料的各項(xiàng)性能無(wú)較大影響，且有比較明顯的環(huán)保效果。

表6 USP 低溫改性瀝青混合料（3%摻量）浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2.3 高溫穩(wěn)定性

為驗(yàn)證養(yǎng)生前后對(duì)USP 低溫改性瀝青混合料高溫性能的影響，參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中的相關(guān)要求[6]，同時(shí)成型了2 組摻量為3%的USP 低溫瀝青混合料車轍試件用于對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。未經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的USP 低溫瀝青混合料的高溫性能比起傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料的高溫性能有明顯的下降。如圖3 所示，未經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的USP 低溫瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為773.4 次/mm，相比傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度下降了26.9%，比經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的USP 低溫改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度下降了40%。未經(jīng)養(yǎng)生的USP 低溫瀝青混合料的高溫性能較差，不符合規(guī)范要求，而經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的USP 低溫改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為1 289.5 次/mm，比傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料提高了21.8%。因此，經(jīng)過(guò)養(yǎng)生的USP低溫改性瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性。

圖3 高溫性能對(duì)比圖

表7 USP 低溫改性瀝青混合料（3%摻量）車轍試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料與USP 低溫改性瀝青混合料的路用性能，得到如下結(jié)論。

（1）相較于傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料，USP 低溫瀝青混合料的路用性能顯著下降，且未達(dá)到《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)USP 低溫添加劑摻量為3%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比下降了12.8%，動(dòng)穩(wěn)定度下降了26.9%。當(dāng)USP 低溫添加劑摻量為4.5%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比下降了15.2%。

（2）USP 低溫改性瀝青混合料能夠保持良好的路用性能。當(dāng)USP 低溫添加劑摻量為3%時(shí)，經(jīng)過(guò)養(yǎng)生后，殘留穩(wěn)定度比傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料提高了1.7%，凍融劈裂強(qiáng)度比比傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料下降了3.6%，動(dòng)穩(wěn)定度比傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料提高了21.7%。因此，USP 低溫改性瀝青混合料能在降低40℃的基礎(chǔ)上，能夠同時(shí)保證良好的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性。