USP 低溫改性瀝青混合料路用性能研究

張陽(yáng)

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料雖然拌和、鋪裝簡(jiǎn)單易行，但是施工過(guò)程中需要消耗大量的熱量，排放出大量有害氣體，對(duì)施工人員和環(huán)境帶來(lái)極大危害[1-3]。這種問(wèn)題隨著道路建設(shè)的進(jìn)行是全世界各國(guó)道路學(xué)者索要面臨的問(wèn)題，為此歐洲、日本、美國(guó)先后通過(guò)研究溫拌技術(shù)來(lái)解決道路建設(shè)中熱拌瀝青混合料帶來(lái)的污染問(wèn)題[4-6]。同時(shí)我國(guó)公路建設(shè)規(guī)模仍在進(jìn)一步擴(kuò)大，這些問(wèn)題仍會(huì)進(jìn)一步凸顯。因此為了相應(yīng)國(guó)家“綠色發(fā)展”理念，達(dá)到保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排的目的，開(kāi)發(fā)出“低能耗環(huán)保型”瀝青混合料代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱拌混合料十分有必要[7]。

因此基于上述需求，研發(fā)一種介于溫拌與冷拌技術(shù)之間的低溫改性技術(shù)。相較于熱拌混合料，這種低溫改性技術(shù)施工拌和溫度能降低30-50℃，在滿足路用性能的前提下大大降低了能源消耗。同時(shí)這種低溫改性技術(shù)施工溫度適用范圍廣，延長(zhǎng)了瀝青材料建設(shè)施工期，施工溫度可從0℃-20℃，一年四季均可進(jìn)行施工。這種低溫改性技術(shù)主要為低溫改性劑在其中發(fā)揮主要作用，這種低溫改性主要由廢舊橡膠高聚物裂解油、廢舊塑料裂解物、高分子助劑等組成。這種高分子油分能很好降低瀝青的粘度，但在高溫等環(huán)境因素作用下輕質(zhì)油分容易揮發(fā)，助劑中的高分子鏈段能與瀝青分子鏈進(jìn)行連接從而增強(qiáng)與瀝青的連接作用。制得的低溫改性劑與瀝青具有很好的交聯(lián)作用，易攪拌，不離析，常溫下具有一定的流動(dòng)性。將適量的改性劑與瀝青按混合攪拌均勻后，其黏度下降，可以滿足低溫施工的目的。

在前述研究中發(fā)現(xiàn)，將廢舊橡膠和廢舊塑料和有機(jī)助劑按照適當(dāng)比例摻配制得改性劑，所得改性劑在具有低溫改性效果。因此為研究USP 低溫改性瀝青混合料的路用性能，本文首先利用馬歇爾設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)，確定了最佳瀝青用量，最后對(duì)成型后的改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 改性劑

本研究USP 瀝青改性劑又稱USP 高分子聚合物瀝青改性劑，主要原料為廢舊汽車輪胎橡膠粉、廢舊塑料為主要原料及部分的有機(jī)助劑，利用化學(xué)方法進(jìn)行合成，其中助劑的主要成分有：表面活性劑、催化劑及一些高分子樹(shù)脂類材料，制得的USP 低溫改性劑成黑褐色的液態(tài)或膏脂狀，穩(wěn)定性較好。

1.2 瀝青

本文所用基質(zhì)瀝青為70#A 級(jí)道路瀝青，根據(jù)研究，將制得USP 低溫改性劑按照基質(zhì)瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5%摻入70# 瀝青中，手動(dòng)攪拌均勻后，再通過(guò)高速剪切機(jī)在115°C 下以800 rpm 的轉(zhuǎn)速將USP 低溫改性劑和基質(zhì)瀝青共混物剪切10 分鐘制備得到USP 低溫改性瀝青(USPM)。兩種瀝青的基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 瀝青性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1 可得，USP 低溫改性劑的摻入使得70#瀝青針入度和延度顯著增大，軟化點(diǎn)減小，低溫延展性得到較大改善，此時(shí)USP 改性瀝青在低溫下呈軟質(zhì)狀，流動(dòng)性能相對(duì)較好，具備了低溫施工的可行性。

1.3 混合料級(jí)配

研究中采用的礦料主要由粗集料、細(xì)集料、礦粉組成，所有集料均采用石灰?guī)r。其中粗集料按規(guī)格可分為5～10(mm)、5～10(mm)、10～15(mm)，粗、細(xì)集料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。本文參照AC-13C 型級(jí)配，級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 USP 低溫改性瀝青混合料目標(biāo)設(shè)計(jì)級(jí)配

最佳油石比下的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定了USPM的最佳瀝青用量，最終得到USP 低溫改性瀝青混合料的最佳油石比為4.5%。

圖1 級(jí)配曲線

表3 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 混合料路用性能

2.1 混合料室內(nèi)性能檢測(cè)

對(duì)成型的USP 低溫改性瀝青混合料路用性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 瀝青混合料路用性能

由表4 可得，USPM 混合料的動(dòng)穩(wěn)定度比70#熱拌瀝青混合料提升了106%，說(shuō)明USP 改性劑對(duì)70#瀝青高溫性能具有較好的提升效果，這一點(diǎn)與摻入改性劑后瀝青軟化點(diǎn)變小有所不同。產(chǎn)生這一變化的原因是在混合料的拌合過(guò)程發(fā)生的短期老化及后期的溫度、氧氣等使得有降粘作用的小分子油分揮發(fā)掉一部分后，助劑與瀝青交聯(lián)作用增強(qiáng)，膠結(jié)料黏度增長(zhǎng)，混合料后高溫穩(wěn)定性得到較大提升。同時(shí)發(fā)現(xiàn)USPM混合料的抗彎拉強(qiáng)度與最大彎拉應(yīng)變要略高于70#瀝青，可見(jiàn)USP 低溫改性劑對(duì)70#瀝青的低溫性能影響影響不大，甚至具有一定的積極作用，這也與前述改性瀝青表現(xiàn)出較好的低溫延度指標(biāo)相對(duì)應(yīng)，可見(jiàn)瀝青分子與高分子補(bǔ)償劑中物質(zhì)發(fā)生結(jié)鏈反應(yīng)也改善了膠結(jié)料的低溫性能。由表4，USPM混合料的浸水殘留穩(wěn)定度MS0 明顯高于85%，雖然凍融劈裂強(qiáng)度比略低于70#瀝青，但整體來(lái)看USPM混合料水穩(wěn)定性能滿足規(guī)范對(duì)改性瀝青水穩(wěn)定性的要求。

2.2 耐久性

對(duì)通車一段時(shí)間后的USP 低溫改性瀝青路面試驗(yàn)路段，按照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60-2008)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)了瀝青路面的壓實(shí)度、彎沉值、馬歇爾穩(wěn)定度三項(xiàng)指標(biāo)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5 所示。

表5 中的數(shù)據(jù)說(shuō)明，USP 低溫改性瀝青鋪筑得到路面具有較好的耐久性，在道路使用半年后仍具有較好的工作性能。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比70#熱拌瀝青混合料及USP 低溫改性瀝青混合料，得到結(jié)論如下：

3.1 USP 低溫改性劑的加入使得70#瀝青性改變，表現(xiàn)在針入度、延度增大，軟化點(diǎn)減小，瀝青低溫延展性能增強(qiáng)。

3.2 利用馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定改性瀝青混合料最佳油石比為4.5%。USP 低溫改性劑的摻入使得70#瀝青的路用性能發(fā)生變化，相較于70#熱拌瀝青混合料，USPM混合料具有更好的高溫抗變形及抗低溫開(kāi)裂性能，同時(shí)混合料的水穩(wěn)定性能也能滿足規(guī)范要求。綜上，USP 低溫改性劑在使得瀝青具有較好施工溫度的同時(shí)具有較好的路用性能