USP低温环保改性沥青在城市道路的应用研究

罗 斌,彭文兵

(台州市城乡规划设计研究院有限公司，浙江 台州 318000)

随着中国“碳达峰、碳中和”工作的推进，中共中央办公厅、国务院办公厅联合发布了《关于推动城乡建设绿色发展的意见》，要求转变“大量建设、大量消耗、大量排放”的建设方式，推动城乡建设绿色转型。目前城市道路建设大量采用沥青混凝土路面结构，传统的热拌沥青混合料虽然拌和、铺装简单易行，但能耗高，施工过程中排放出大量有害气体，对施工人员和环境带来较大危害。USP低温环保改性沥青是由USP低温改性沥青与石料、矿粉等材料按一定级配低温拌和而成的混合料，与传统的热拌沥青混合料相比，更加低碳、节能、环保[1]。

本文研究了USP低温环保改性沥青与热拌沥青在高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和抗疲劳等方面的性能差异，结合实际工程应用验证其路用性能，对USP低温环保改性沥青的推广应用具有借鉴意义。

1 原材料性能

1.1 沥青

在道路石油沥青中添加USP改性剂,可以提高石油沥青的分子量和塑性流动性,从而改变石油沥青的路用性能，保证了温拌施工和易性,又改善了路用性能。本文所用基质沥青为70号A级道路沥青，将制得USP低温改性剂按照基质沥青质量分数的5%掺入70号沥青中，搅拌均匀后，再通过高速剪切机在115 ℃下以800 rpm的转速将USP低温改性剂和基质沥青共混物剪切10 min制备得到USP低温改性沥青。沥青基本性能指标检测结果见表1。

表1 沥青检测结果

1.2 矿料

粗集料规格为5 mm～10 mm玄武岩,细集料产规格为0 mm～3 mm石灰岩,矿粉为石灰岩磨细矿粉。

2 USP温拌改性沥青混合料材料设计研究

2.1 设计参数

根据现行的《道路低温沥青路面施工技术规程》及《城镇道路路面设计规范》，根据本次结合的项目特性，沥青温度分区1～4，交通等级为轻交通，温拌及热拌沥青混合料要求见表2[2-3]。

表2 温拌沥青及热拌沥青混合料设计参数

2.2 配合比设计

依据目标配合比设计级配，试验室进行生产配合比设计，采用基质沥青和USP改性后的沥青两种，通过室内试验检验其性能变化。配合比设计采用马歇尔设计方法，通过不同油石比进行马歇尔试件成型，检测其体积性能和稳定度，确定最佳配合比。生产配合比的合成级配见表3。

表3 各级配曲线合成级配计算

2.3 最佳油石比确定

最佳油石比下的马歇尔试验结果如表4所示。

表4 生产配合比马歇尔试验数据

根据以上击实结果,按照最紧密状态计算混合料最紧密状态油石比及对应的体积参数,最终确定70号沥青最佳油石比(质量比)为5.0%，USP低温改性沥青最佳油石比(质量比)为4.5%。因为USP改性沥青具有更好的低温工作性能，因此其油石比相较热拌沥青会降低。

2.4 路用性能

在最佳油石比条件下开展路用性能验证，结果见表5～表7。由表5～表7可知,路用性能均满足相关设计要求。

表5 浸水马歇尔试验(48 h)残留稳定度

根据文献[2]要求浸水马歇尔试验残留稳定度不小于80%，根据实验结果USP改性沥青满足要求，7 d后残留稳定度进一步提升。

表6 冻融劈裂试验

根据文献[2]要求冻融劈裂实验的残留强度比不小于75%，根据实验结果USP改性沥青满足要求，7 d后劈裂强度比进一步提升。

表7 高温稳定性

根据文献[3]中表5.2.2-3中要求动稳定度不小于1 500次/mm，普通70号沥青不符合要求，需加入改性剂，USP改性沥青均符合要求。

通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂强度比试验，可以看出USP改性沥青混合料在水稳定性能和高温稳定性方面能够满足规范的相关要求，同时也可以看到对USP混合料试件养生后其性能有明显提高，说明USP改性沥青其性能恢复，并且改性剂中的树脂对整体性能具有改性作用[4]。

3 USP低温改性沥青在城市道路中的应用

某市政道路采用沥青混凝土路面，面层采用USPM-13，确定了本工程USP低温改性沥青混合料最佳油石比为4.5%。现场摊铺温度112 ℃，并对路用性能进行了跟踪检测,见表8。

表8 USP低温改性沥青混合料检测结果

由表8可知,本工程设计和选用的USPM-13沥青混合料具有良好的路用性能和使用效果，主要原因是由于USP油溶性表面活性剂的存在，使得沥青分子在常温下形成树脂断链的胶团结构，增加了流动液态凝胶，增大了塑性流动性，降低黏度，实现温拌，随着改性剂与沥青的化学反应，借助阳光、温度、氧气的作用，沥青分子与树脂类物质一起，开始发生结链反应，又能重新接链，逐渐地从短树脂转变成高分子树脂，极大地增加了黏度，恢复或改善了沥青的技术性能，因此混合料性能随着时间的推移而提高。

与传统的热拌沥青混合料(HMA)相比，USP低温改性沥青可以降低油石比，节约成本。根据本次项目使用结果评定，本工程所采用的USP低温改性沥青比传统SBS改性沥青用量节约10%。

USP低温改性沥青能够有效降低拌合温度。USPM拌合温度为120 ℃±10 ℃，相对于HMA来说降低了30 ℃～50 ℃。故降低了热量消耗与能源使用，根据本次项目使用结果评定，每吨混合料天然气用量可节约40%。

通过对HMA与USPM的检测对比(如表9所示)，可知USP改性沥青更加低碳环保，主要污染气体排放量明显减少。

表9 烟尘烟气检测结果

根据估计，本项目共计节约燃料费用50%以上，综合计算，采用USP改性沥青可降低碳排放90%以上，具有良好的经济与社会效益。

4 结语

1)USP低温改性沥青混合料不仅能够节约能源和保护环境,还能减少对施工人员的危害，成本也比传统热拌沥青低。

2)其路用性能能够完全满足现行城市道路的相关规范要求，可以用作城市道路施工，同时其性能还随着使用时间的延长更进一步提升。

3)推广USP低温改性沥青混合料符合现在城市道路建设中的“资源节约型、环境友好型”的绿色发展理念，其在未来路面施工中的应用前景非常广阔，值得在城市道路建设中推广。