TLA改性瀝青及其混合料路用性能研究

李寧

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

聚合物改性劑如SBS和PE不易與瀝青相容，需較大投資，運輸和儲存不便；化學方法改性瀝青在路面大修階段難以回收再生，且大量實際應(yīng)用表明，SBS改性瀝青雖然整體上提高了路面的使用性能，但仍難以避免開裂、水損壞和車轍等常見病害，應(yīng)用受到一定限制。特立尼達湖瀝青(TLA)以其優(yōu)越的性能逐漸獲得關(guān)注，但對其研究不夠完善。該文結(jié)合廣東佛山一環(huán)東線，將不同摻量TLA加入埃索A級70#基質(zhì)瀝青進行改性，分析其性能變化，同時分別摻入40%TLA、4%SBS和PE制作改性瀝青，針對改性瀝青在實體工程中可能應(yīng)用的瀝青路面表面層及中面層，按照濕熱地區(qū)重交通道路通常采用的級配對AC-13C及AC-20C進行馬歇爾試驗確定最佳油石比，進而對其路用性能進行研究，并對實際應(yīng)用路段進行跟蹤檢測，分析TLA改性瀝青的適用性。

1 TLA改性瀝青性能分析

1.1 TLA改性瀝青技術(shù)指標分析

為分析不同摻量TLA與基質(zhì)瀝青混合后改性瀝青的使用性能，分別選取TLA摻量0、20%、40%、60%、80%、100%進行改性，摻量為零時為基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標，摻量為100%時為TLA的技術(shù)指標。高溫穩(wěn)定性根據(jù)軟化點和針入度來評價；感溫性能用PI值來顯現(xiàn)；改性瀝青的延展度和塑性有較大聯(lián)系，可用來評價其低溫性能。各摻量TLA改性瀝青的主要技術(shù)指標見表1和圖1。

表1 不同摻量TLA改性瀝青的主要技術(shù)指標

圖1 不同摻量TLA改性瀝青的技術(shù)指標及黏度

從表1和圖1可看出：TLA摻量增加，軟化點在摻量0～80%的范圍內(nèi)升高，上升幅度相對平穩(wěn)；針入度呈連續(xù)下降趨勢，由于摻量等比例增加，針入度與摻量之間接近成線性關(guān)系；PI值也一直升高。說明增加TLA摻量，可改變基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性和感溫性能。另一方面，摻量增大，與低溫性能有很大聯(lián)系的技術(shù)指標延度下降，且摻量達到80%時，改性瀝青試件發(fā)生脆斷，說明低溫性能受到很大影響，直接發(fā)生破環(huán)。

1.2 TLA改性瀝青SHRP性能試驗

對不同摻量TLA改性瀝青進行動態(tài)剪切試驗，模擬在實驗室里經(jīng)過拌和老化后不同摻量TLA改性瀝青的疲勞性能，并采用旋轉(zhuǎn)黏度儀測定其黏度，繼而通過低溫彎曲試驗分析其低溫性能，結(jié)果見表2、圖1。

表2 不同摻量TLA改性瀝青SHRP試驗結(jié)果

從表2可看出：原樣瀝青與RFTOT老化后試樣的G*/sinδ隨著TLA摻量的增大而增大，摻量為0、20%、40%、60%時，高溫等級依次增大一個等級，而低溫等級出現(xiàn)明顯下降，摻量為20%時低溫等級與原樣瀝青無明顯差別；蠕變勁度也S隨TLA摻量的增加不斷升高，摻量過大則導致脆性，蠕變勁度隨時間的變化率m值不斷減小，S越大，m越小，路面易發(fā)生低溫開裂破壞。

由圖1可知：黏度在TLA摻量0～60%時不斷增大，但增長速率較平緩，說明摻加TLA可改善瀝青的高溫穩(wěn)定性，但摻量過大會影響施工和易性。

從TLA改性瀝青各種使用性能出發(fā)，TLA摻量有一個合理范圍，比例過大，低溫性能和變形能力受影響的程度也增大，這兩方面的性能越差；過低，則與基質(zhì)瀝青無明顯區(qū)別。就佛山一環(huán)東線而言，TLA摻量為20%～40%較合理。在一定允許范圍內(nèi)加大摻量，高溫、感溫性能將得到提升，在保證其提升性能較良好的條件下將對低溫性能的影響控制在最小程度，使其能更好地應(yīng)用于實際。TLA改性瀝青的低溫性能無法達到SBS對瀝青改性的效果，但由于TLA本身已經(jīng)過了相當程度的老化，TLA改性瀝青在抗老化性能方面更優(yōu)。

2 配合比設(shè)計

粗、細集料采用廣東產(chǎn)花崗巖，基質(zhì)瀝青與上述研究相同，分別摻入40%TLA、4%SBS和PE制作改性瀝青，針對改性瀝青在實體工程中可能應(yīng)用的瀝青路面表面層及中面層，按照濕熱地區(qū)重交通道路常用級配對AC-13C及AC-20C進行馬歇爾試驗確定最佳油石比，級配曲線見圖2，不同類型改性瀝青混合料的最佳油石比見圖3。3種改性瀝青在相同級配條件下獲得相同的體積指標時其最佳油石比基本一樣。

圖2 改性瀝青混合料的級配曲線

圖3 改性瀝青混合料的最佳油石比

3 路用性能研究

3.1 高溫穩(wěn)定性

不同類型改性瀝青混合料的車轍試驗及APA試驗結(jié)果見圖4和表3。

由圖4和表3可知：SBS改性瀝青的動穩(wěn)定度最大，TLA改性瀝青次之，PE改性瀝青最??；經(jīng)過同等次數(shù)作用后，PE改性瀝青發(fā)生的變形位移最大，達4.088 mm，抗變形能力最弱，SBS改性瀝青的位移最小，TLA改性瀝青的位移介于兩者之間；使用同種改性瀝青的AC-13C的變形略大于AC-20C。綜上，SBS改性瀝青的高溫穩(wěn)定性較好，TLA改性瀝青次之，PE改性瀝青的高溫性能最差。

圖4 改性瀝青混合料的車轍試驗結(jié)果

表3 改性瀝青混合料的APA試驗結(jié)果

3.2 水穩(wěn)定性

為簡化分析，只對AC-13C級配的改性瀝青混合料試件進行凍融劈裂試驗，水穩(wěn)定性指標以凍融劈裂強度比來表征，結(jié)果見表4。

表4 改性瀝青混合料的凍融劈裂試驗結(jié)果

由表4可知：3種改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比TSR分別為82.6%、82.3%及87.9%，SBS改性瀝青的TSR略大，水穩(wěn)定性較好。3種類型路面同時受到水的侵蝕或影響時，TLA改性瀝青和PE改性瀝青路面較易發(fā)生水損壞，路面使用性能降低?？傮w上講，3種改性瀝青路面的水穩(wěn)定性相差不大。

3.3 低溫性能

在溫度最低時進行低溫彎曲試驗，研究改性瀝青路面在低溫狀況下抵抗路面收縮造成開裂破壞或其他病害的能力，以極限應(yīng)變和彎拉模量來表征，結(jié)果見圖5。

圖5 改性瀝青混合料的低溫彎曲試驗結(jié)果

由圖5可知：TLA改性瀝青的勁度模量最大，PE改性瀝青次之，SBS改性瀝青最??；極限應(yīng)變則相反，SBS改性瀝青最大，TLA改性瀝青最小，但都滿足要求。以低溫性能為指標選擇改性瀝青種類，應(yīng)優(yōu)選SBS改性瀝青，PE改性瀝青可作為第二位次考慮。因TLA對基質(zhì)瀝青及混合料的低溫性能成負相關(guān)關(guān)系，TLA改性瀝青的低溫性能最弱。

3.4 疲勞性能

采用3種改性瀝青以同一級配(AC-13C)分別成型混合料試件，在相同荷載作用下進行拉伸疲勞試驗及彎拉疲勞試驗，試驗溫度為15 ℃，采用頻率10 Hz連續(xù)式半正弦波荷載加載，荷載為100～300 N。試驗結(jié)果見圖6。

圖6 改性瀝青混合料的疲勞試驗結(jié)果

由圖6可知：1)SBS改性瀝青的抗疲勞性能最弱，TLA改性瀝青最強，PE改性瀝青位于兩者之間。這是由于三者的拉伸強度TLA改性瀝青最大，PE改性瀝青次之，SBS改性瀝青最小，而疲勞試驗是對瀝青小梁在等應(yīng)力(100～300 N)下進行的，拉伸強度越大，其壽命越長。2)SBS改性瀝青的變形隨時間變化增長最快，破壞也越快；TLA混合料的變形隨時間增長最慢，破壞也相對較慢，即疲勞壽命最長。在該試驗條件下試件并非由于強度降低而破壞，而是由于不堪過大的變形而破壞。疲勞壽命大小為TLA改性瀝青>PE改性瀝青>SBS改性瀝青。

彎拉疲勞試驗采用應(yīng)力指標來控制時，試件所受荷載是一個彎拉反復的常應(yīng)力，而試件產(chǎn)生的應(yīng)變隨著時間而增加。如圖7、圖8所示，不同混合料小梁在相同應(yīng)力比下應(yīng)變的增加幅度不同，應(yīng)變隨時間增加快，則疲勞破壞快，疲勞壽命越短。

圖7 應(yīng)力控制下應(yīng)力隨時間的變化

圖8 應(yīng)力控制下應(yīng)變隨時間的變化

如圖9所示，TLA混合料小梁破壞明顯。如圖10所示，應(yīng)力比為0.25時，TLA改性瀝青的疲勞壽命最大，遠高于另外2種改性瀝青。應(yīng)力比增大，三者間的疲勞壽命差距減小，應(yīng)力比為0.6時，疲勞壽命幾乎無異。TLA改性瀝青小梁的彎拉模量比其他2種大得多，在作用相同的荷載時，產(chǎn)生的變形較小，故其疲勞壽命較長；SBS改性瀝青的彎拉模量最小，故疲勞壽命最短。彎拉疲勞試驗受應(yīng)力指標控制時，彎拉模量大的疲勞壽命長于彎拉模量小的；在控制應(yīng)變的模式下，結(jié)論相反。

圖9 TLA改性瀝青混合料破壞試件

圖10 改性瀝青混合料的小梁疲勞壽命

3.5 已建路面檢測結(jié)果評價

佛山一環(huán)東線代表路段TLA改性瀝青路面施工后檢測結(jié)果表明：TLA改性瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性與SBS改性瀝青路面相差不大，40%TLA摻量改性瀝青的高溫性能與4%SBS改性瀝青相當，但裂縫數(shù)量比SBS改性瀝青路面多。對于南方地區(qū)尤其是廣東濕熱地區(qū)，SBS和TLA改性瀝青均使用在面層，主要考慮高溫性能，而二者的高溫性能相當，從經(jīng)濟角度考慮，前者比后者每噸節(jié)省115元左右，價格上更具優(yōu)勢。但TLA在變形能力和低溫性能方面與SBS改性瀝青存在較大差距，建議將TLA改性瀝青用于瀝青路面的中下面層，避免路面后期潛在開裂風險。

4 結(jié)論

(1)TLA摻量應(yīng)控制在一定合理范圍內(nèi)，比例過大會導致低溫性能和變形能力受影響的程度增大，導致這兩方面性能變差；過小，則路用性能與基質(zhì)瀝青無明顯區(qū)別。就佛山一環(huán)東線而言，TLA的合理摻量為20%～40%。高溫、感溫性能可通過在一定允許范圍加大摻量得到提升，在保證其他性能良好的條件下將對低溫性能的影響控制在最小程度，讓路面的綜合性能處于最佳，使其能更好地應(yīng)用于實際。TLA改性瀝青的低溫性能目前還無法達到SBS改性瀝青的效果，但由于TLA本身已經(jīng)過了相當程度的老化，TLA改性瀝青在抗老化性能方面更優(yōu)。

(2)高溫穩(wěn)定性和抗變形能力較好的是SBS改性瀝青混合料，其次是TLA改性瀝青，PE改性瀝青最弱。TLA改性瀝青和PE改性瀝青的水穩(wěn)性、低溫抗裂性相當，其在水穩(wěn)性方面與SBS改性瀝青相比稍差，TLA改性瀝青在低溫性能方面與SBS改性瀝青的差距較大。疲勞性能的好壞為TLA改性瀝青>PE改性瀝青>SBS改性瀝青。

(3)TLA改性瀝青實體工程的路用性能較好，盡管也存在一些不足，總體來講可在一定程度上能克服公路瀝青路面主要病害及降低工程造價，從經(jīng)濟性角度來說更具市場競爭力。