不同USP 掺量温拌沥青混合料性能对比研究

李恒达

[上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市 200433]

0 引言

国家交通部“十三五”发展规划确定公路建设将牢固树立和贯彻落实绿色发展理念，要通过技术进步推行绿色发展模式，强化生态保护和污染防治[1]。目前，国家现有的公路路面多数采用传统热拌沥青混合料进行施工，而传统热拌沥青混合料在生产与施工过程中会产生大量烟气，同时消耗更多能源。这在施工过程中不仅对现场施工技术人员身体健康造成影响，而且对周边生态环境也会带来一定的危害[2]。传统热拌沥青混合料施工过程中的环境温度极易影响摊铺碾压温度，尤其在冬季施工，极低的环境温度容易造成高温的沥青混合料温度骤降，进而导致沥青混合料的相关指标不符合设计要求，严重影响沥青混合料的路用性能[3]。

基于上述需求，在70# 基质沥青中加入USP 低温添加剂用以降低沥青混合料施工拌和的温度。USP 低温添加剂又称USP 高分子聚合物沥青改性剂，以高分子树脂、废旧橡胶、表面活性剂以及催化剂等为原料经科学配方、特殊工艺制备而成。将其加入沥青后，USP 低温添加剂中的高分子油分能够很好地降低沥青黏度，同时，通过物理方式改变沥青分子间的引力，从而实现低温下的拌和以及施工[4]。通过对比传统热拌沥青混合料与USP 低温改性沥青混合料的各项性能，研究USP 低温添加剂在降低温度的同时对沥青混合料路面性能的影响。

1 传统热拌沥青混合料路用性能

1.1 原材料

本文以AC-20 类型沥青混合料为例，采用拌和楼热料仓筛分后的热集料进行配合比设计及性能相关试验。其中，粗集料和细集料均为东方希望重庆水泥有限公司生产的玄武岩，矿粉厂家为上海沪长建材有限公司，沥青采用上海城建日沥特种沥青有限公司生产的70#基质沥青。

1.2 级配设计与技术指标

通过配合比设计最终确定传统热拌沥青混合料的配合比为（15～25）mm∶（10～15）mm∶（5～10）mm∶（3～5）mm ∶（0～3）mm ∶矿 粉=23 ∶19 ∶22 ∶6 ∶27∶3，油石比为4.2%，合成级配见表1。

表1 合成级配表

根据上述级配成型AC-20 沥青混合料马歇尔试件进行检测，技术指标见表2，各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求[6]。

1.3 路用性能

对上述级配成型AC-20 沥青混合料水稳定性和高温性能进行试验，结果见表3，水稳定性能和高温性能表现良好，均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求[6]。

表3 传统热拌AC-20 沥青混合料性能表

2 USP 低温沥青混合料路用性能

2.1 USP 低温改性沥青制备

根据《道路低温沥青路面施工技术规程》（T/CECS G：D54-01—2019）中的低温沥青试验室制备方法[7]：将USP 低温添加剂在80 ℃保温容器中缓慢加热融化并搅拌均匀，在加热好的70# 沥青里掺入3%、4.5%的USP 低温添加剂，并在120 ℃下搅拌30 min以上，即制成USP 低温改性沥青。

2.2 水稳定性

对USP 低温沥青混合料进行马歇尔技术指标的相关检测，USP 低温添加剂的掺量分别为3%和4.5%，设计目标空隙率为4.0%，级配与上述传统热拌沥青混合料的级配相一致，其结果见表4。USP 低温沥青混合料的空隙率和稳定度均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求[6]，但是和传统热拌沥青混合料相比USP 低温沥青混合料冻融劈裂强度比指标下降显著且不符合规范要求，如图1所示。当USP 低温添加剂掺量为3%时，冻融劈裂强度比下降了12.8%，当USP 低温添加剂掺量为4.5%时，冻融劈裂强度比下降了15.2%。

图1 冻融劈裂性能对比图

表4 USP 低温改性沥青混合料技术参数

经过查阅相关标准[7]可知，成型试件需经一定时间的化学改性，具体的操作方式为：开始单面各击实30 次，共60 次，去除吸油纸，再放入110 ℃恒温烘箱内进行24 h 养生后，从烘箱取出马歇尔试件立即再次击实，单面各击实20 次，共40 次，然后放置在常温下12 h 以后脱模。经过化学改性成型的试件检测结果见表5，同时与重新成型未掺入USP 低温添加剂的传统热拌沥青混合料进行对比，冻融劈裂强度比的变化趋势如图2 所示。从图中能够看出，当USP 低温添加剂掺量为3%时，经过养生的USP 低温改性沥青混合料的冻融劈裂强度比相比传统热拌沥青混合料的冻融劈裂强度比下降了3.6%；当USP低温添加剂掺量为4.5%时，经过养生的USP 低温改性沥青混合料的冻融劈裂强度比相比传统热拌沥青混合料的冻融劈裂强度比下降了5.2%。

图2 冻融劈裂性能对比图（养生）

表5 热拌沥青混合料与USP 低温改性沥青混合料技术参数

由表4 和表5 可知，在马歇尔稳定度方面，未经过养生的试件在USP 低温添加剂掺量3%和4.5%时的稳定度分别为9.5 kN 和10.1 kN；经过养生的试件在掺量3%和4.5%时的稳定度分别为8.3 kN 和8.4 kN。经过养生之后稳定度分别下降了1.2 kN 和2.7 kN，但是两者技术指标均符合规范要求。未经过养生的USP 低温沥青混合料中轻质油分未完全挥发，USP 低温沥青黏度不达标，所以未经过养生的USP 低温沥青混合料冻融劈裂强度比低于规范要求。而经过养生的USP 低温改性沥青混合料受外界条件影响，随着USP 低温添加剂中的轻质油分挥发，沥青分子量逐渐增加，黏度增大，USP 低温沥青中的活性组分与集料中的物质发生化学反应，使得经过养生的USP 低温改性沥青混合料强度大幅提高[5]。但两者随着USP 低温添加剂的掺量增大，USP 低温沥青中油分含量也随之增多，所以未经过养生和经过养生的USP 低温改性沥青混合料的冻融劈裂强度比均呈现不同幅度的下降趋势。

由上述分析可知，USP 低温添加剂掺量并非越高越好，故采用掺量为3%的USP 低温改性沥青混合料进行相关的性能试验，拌和温度为120 ℃，成型温度为110 ℃，浸水马歇尔试验结果见表6。就施工和易性而言，在110 ℃成型的马歇尔试件与传统热拌沥青混合料在150 ℃下成型的空隙率相当，温度降低了40 ℃。结合上述试验就力学性能上看，经过养生的USP 低温改性沥青混合料的稳定度、冻融劈裂强度比传统热拌沥青混合料略有下降，而残留稳定度有小幅提高，但均满足规范的技术指标。因此，经过养生的USP 低温改性沥青混合料对混合料的各项性能无较大影响，且有比较明显的环保效果。

表6 USP 低温改性沥青混合料（3%掺量）浸水马歇尔试验结果

2.3 高温稳定性

为验证养生前后对USP 低温改性沥青混合料高温性能的影响，参照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中的相关要求[6]，同时成型了2 组掺量为3%的USP 低温沥青混合料车辙试件用于对比，试验结果见表7。未经过养生的USP 低温沥青混合料的高温性能比起传统热拌沥青混合料的高温性能有明显的下降。如图3 所示，未经过养生的USP 低温沥青混合料的动稳定度为773.4 次/mm，相比传统热拌沥青混合料的动稳定度下降了26.9%，比经过养生的USP 低温改性沥青混合料的动稳定度下降了40%。未经养生的USP 低温沥青混合料的高温性能较差，不符合规范要求，而经过养生的USP 低温改性沥青混合料的动稳定度为1 289.5 次/mm，比传统热拌沥青混合料提高了21.8%。因此，经过养生的USP低温改性沥青混合料具有良好的高温稳定性。

图3 高温性能对比图

表7 USP 低温改性沥青混合料（3%掺量）车辙试验结果

3 结语

本研究通过对比传统热拌沥青混合料与USP 低温改性沥青混合料的路用性能，得到如下结论。

（1）相较于传统热拌沥青混合料，USP 低温沥青混合料的路用性能显著下降，且未达到《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）标准要求。当USP 低温添加剂掺量为3%时，冻融劈裂强度比下降了12.8%，动稳定度下降了26.9%。当USP 低温添加剂掺量为4.5%时，冻融劈裂强度比下降了15.2%。

（2）USP 低温改性沥青混合料能够保持良好的路用性能。当USP 低温添加剂掺量为3%时，经过养生后，残留稳定度比传统热拌沥青混合料提高了1.7%，冻融劈裂强度比比传统热拌沥青混合料下降了3.6%，动稳定度比传统热拌沥青混合料提高了21.7%。因此，USP 低温改性沥青混合料能在降低40℃的基础上，能够同时保证良好的水稳定性和高温稳定性。