TLA摻量對ATB-25混合料路用性能的影響

劉冉冉， 楊春景

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利系， 河南 開封　475004)

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TLA摻量對ATB-25混合料路用性能的影響

劉冉冉， 楊春景

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利系， 河南 開封475004)

以小型加速加載試驗(yàn)(MMLS3)、小梁彎曲試驗(yàn)為基礎(chǔ)試驗(yàn)平臺，研究了特立尼達(dá)湖瀝青摻量對瀝青穩(wěn)定碎石混合料的高低溫性能以及疲勞性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：TLA的添加可顯著改善ATB混合料的高溫穩(wěn)定性，10%TLA摻量可使ATB混合料疲勞壽命提高1倍；摻加5%、7.5%、10% TLA，可使ATB混合料的最大彎拉應(yīng)變分別增加10.4%、21.2%、13.6%，最大彎拉應(yīng)變和破壞應(yīng)變能隨TLA摻量的增大呈拋物線變化規(guī)律；TLA改性ATB混合料疲勞壽命遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青，且隨著TLA摻量增加，改性瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)雙對數(shù)擬合截距K值增大，斜率n值減小。

路面工程； 特立尼達(dá)胡瀝青； 瀝青穩(wěn)定碎石混合料； 路用性能

0　前言

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，車輛軸載加大，瀝青路面的損害較為嚴(yán)重。為了提高瀝青路面的承載能力，ATB瀝青混合料得到了廣泛的應(yīng)用，目前，學(xué)者們普遍對ATB瀝青混合料的性能、設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用技術(shù)等方面進(jìn)行了較多的研究，研究結(jié)果表明，在ATB混合料設(shè)計(jì)過程中，只要能保證形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，就能很大程度地提高其路用性能，抵抗較大的剪切變形與塑性變形[1-4]。一般瀝青路面中，ATB-25主要用于下面層，對于一級公路、二級公路等二層式結(jié)構(gòu)，ATP-25可作為瀝青路面下面層，尤其在重載交通量大的一、二級公路，采用天然瀝青改性瀝青混合料也越來越普遍。本文擬采用特立尼達(dá)湖瀝青(Trinidad Lake Asphalt 簡稱TLA)改性ATB方案，來提高ATB混合料的綜合路用性能。TLA作為一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的瀝青改性劑，在隨著國家環(huán)保意識的增強(qiáng)而備受矚目，其在路面工程中的應(yīng)用也越來越多。自1998年我國首次引進(jìn)采用TLA以來，國內(nèi)許多高校和科研機(jī)構(gòu)都開展了對天然瀝青的研究工作，也取得了一些重要的研究成果[5-7]，然而這些成果主要集中在針對天然瀝青的常規(guī)路用性能研究，還沒有對天然瀝青改性瀝青混合料的長期路用性能進(jìn)行系統(tǒng)性研究，對于天然瀝青改性ATB混合料的研究也鮮有報(bào)道，而采用鋪筑試驗(yàn)路研究天然瀝青混合料的路用性能變化規(guī)律，需要花費(fèi)大量的研究經(jīng)費(fèi)，研究時間也相對較長，且試驗(yàn)結(jié)果易受外界環(huán)境、施工技術(shù)水平和測量水平的影響[8]，針對以上問題，本文以小型加速加載試驗(yàn)設(shè)備(MMLS3)和小梁彎曲試驗(yàn)為基礎(chǔ)試驗(yàn)平臺，研究了TLA改性ATB混合料的長期使用性能，研究結(jié)果可為ATB混合料在路面工程中的推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1　原材料技術(shù)特性

1.1基質(zhì)瀝青

試驗(yàn)采用克拉瑪依70#基質(zhì)瀝青，瀝青的性能進(jìn)行了試驗(yàn)檢測，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 70號重交通石油瀝青技術(shù)指標(biāo)及要求Table1 70heavytrafficasphaltspecificationsandrequire-ments試驗(yàn)項(xiàng)目指標(biāo)要求試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)方法針入度(25℃,5s,100g)/(0.1mm)60～8074T0604延度(5cm/min,15℃)/cm≥100>100T0605延度(5cm/min,10℃)/cm≥2057T0605RTFOT后質(zhì)量變化,不大于/%±0.80.21T0609殘留針入度比(25℃)/%≥6164T0604殘留延度(15℃)/cm≥1529T0605

1.2特立尼達(dá)胡瀝青(TLA)

特立尼達(dá)胡瀝青因產(chǎn)于南美洲特立尼達(dá)島而得此名。TLA所含地瀝青的針入度極小，加熱后很難直接與集料拌合均勻，因而不能直接使用，一般是作為改性劑與基質(zhì)瀝青摻配使用?，F(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40-2004)還沒有給出TLA的技術(shù)質(zhì)量要求，本文參考美ASTM D5710提出的參考質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)對選用的TLA進(jìn)行了檢測，結(jié)果見表2。

表2 TLA湖瀝青試驗(yàn)檢測結(jié)果Table2 TLAlakeasphalttestresults檢測指標(biāo)檢測結(jié)果參考技術(shù)要求天然瀝青含量/%63.3—灰分含量/%36.735～38密度/(g·cm-3)1.3171.3～1.5軟化點(diǎn)/℃99.4≥90針入度/(0.1mm)1.40～5

考慮到粒徑、細(xì)度等對天然瀝青改性瀝青混合料拌合均勻性的影響，對于以“干法”工藝使用的TLA天然瀝青，篩分試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)技術(shù)要求見表3。

表3 TLA天然瀝青篩分試驗(yàn)結(jié)果Table3 TLAnaturalasphaltscreeningtestresults篩孔尺寸/mm通過百分率/%篩分結(jié)果規(guī)范要求4.751001002.369290～1000.61310～300.0757.3—

2　TLA改性ATB-25混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1確定混合料合成級配

如表4所示，試驗(yàn)選用ATB-25中值級配，粗集料選用玄武巖，細(xì)集料選用石灰?guī)r，對所有礦料進(jìn)行嚴(yán)格篩分，然后采用逐級回歸的方法配置混合料。

表4 ATB-25瀝青混合料的合成級配Table4 ATB-25syntheticasphaltgrading篩孔尺寸/mm通過百分率/%上限下限中值31.510010010026.51009095198060701668485913.26242529.55232424.754020302.363215301.18251023.50.6188130.314514.50.151036.50.075624

2.2確定最佳瀝青用量

參考廠家提供的最佳TLA摻量范圍，初步確定TLA摻量為5%、7.5%、10%(以上摻量均為TLA與基質(zhì)瀝青的質(zhì)量比)。分別對不同湖瀝青摻量的改性瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，以馬歇爾體積參數(shù)和力學(xué)指標(biāo)為設(shè)計(jì)指標(biāo)確定TLA湖瀝青改性ATB混合料最佳瀝青用量。馬歇爾試驗(yàn)時采用“干法”摻配工藝添加湖瀝青，混合料拌和時首先將TLA與集料一起干拌90 s后，使其分散均勻，接著加入基質(zhì)瀝青，拌和90 s，拌和均勻后控制混合料溫度在170～175 ℃，馬歇爾試件的擊實(shí)溫度應(yīng)控制在160～170 ℃?；旌狭吓浜媳仍O(shè)計(jì)結(jié)果見表5。

由配合比設(shè)計(jì)結(jié)果可知：天然瀝青的加入會對瀝青混合料的最佳油石比產(chǎn)生一定的影響。從最佳油石比大小來看，TLA改性瀝青混合料最佳瀝青用量大于基質(zhì)瀝青混合料，且隨著TLA摻量的增加，改性ATB混合料最佳油石比有增大趨勢，這主要是受灰分的影響；空隙率方面，TLA改性瀝青混合料的空隙率明顯大于基質(zhì)瀝青混合料，分析其原因主要是，加入TLA湖瀝青后，瀝青膠漿黏度增大，不能充分填充空隙且壓實(shí)困難的緣故；比較馬歇爾穩(wěn)定度可以發(fā)現(xiàn)，添加TLA后，改性瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青混合料，隨著TLA摻量的增大，改性瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度有增大趨勢，流值有減小趨勢。

表5 TLA改性ATB-25混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table5 TLAmodifiedATB-25mixesmarshalltestresultsTLA摻量/%最佳油石比/%VV/%VMA/%VFA/%MS/kNFL/mm03.104.0114.463.08.63.25.03.224.3415.362.610.72.47.53.324.4215.262.412.92.6103.374.3415.962.312.52.5

3　TLA改性ATB混合料高溫穩(wěn)定性

3.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用MMLS3小型加速加載設(shè)備對TLA摻量對ATB瀝青混合料的長期使用性能進(jìn)行了對比研究。參考孫曉力等人的研究成果[9-12]，加速加載試驗(yàn)條件如下： ①試件制備：在最佳瀝青用量下成型高95.3 mm標(biāo)準(zhǔn)大馬歇爾試件，取試件中間5 mm厚部分，按照標(biāo)準(zhǔn)試模尺寸切割試件； ②試驗(yàn)荷載：加速加載試驗(yàn)時，參考我國瀝青路面設(shè)計(jì)時采用的單軸雙輪組0.7 MPa標(biāo)準(zhǔn)荷載，本次試驗(yàn)采用的軸載為0.7 MPa； ③加載速率：為了較好模擬行車荷載對路面結(jié)構(gòu)的作用，特別是重車的作用，加載速率統(tǒng)一采用6 000次/h，不同加載頻率與實(shí)際車速對應(yīng)表見表6； ④加載次數(shù)：MMLS3加速加載設(shè)備可測試并記錄不同加載次數(shù)時各現(xiàn)場試件的車轍深度，進(jìn)而得到各試件車轍深度隨軸載次數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)北美研究成果，可將車轍的發(fā)展過程歸納為3個階段，即：壓密階段、蠕變穩(wěn)定階段、破壞階段，如圖1所示，本文以加速加載試驗(yàn)蠕變穩(wěn)定階段與破壞階段轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的加載次數(shù)作為試驗(yàn)試件的疲勞壽命。

3.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

考慮到ATB通常用于高速公路瀝青路面基層，本文采用45 ℃加速加載試驗(yàn)研究TLA摻量對ATB混合料抗永久變形能力的影響。加速加載試驗(yàn)前首先對試件進(jìn)行預(yù)熱，45 ℃保溫3 h后進(jìn)行試驗(yàn)。記錄車轍深度隨加載次數(shù)的變化規(guī)律，進(jìn)而對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總，結(jié)果見圖2。

表6 加速加載試驗(yàn)加載速度與轉(zhuǎn)次對應(yīng)一覽表Table6 Acceleratedloadingloadingspeedcorrespondinglistandtransfertimes速度V/(km·h-1)轉(zhuǎn)次/(次·h-1)速度V/(km·h-1)轉(zhuǎn)次/(次·h-1)32400756004320086400540009720064800

圖1　車轍的形成過程Figure 1　Rut formation process

圖2　加速加載試驗(yàn)車轍深度隨加載次數(shù)的變化規(guī)律Figure 2　　　　Accelerate rut depth variation of load test with loading times

研究分析45 ℃條件加速加載試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，4種方案下ATB混合料試件在加載10萬次前，隨著加載次數(shù)的增加，車轍深度發(fā)展較快，這表明混合料處于壓密變形階段。壓密變形階段之后混合料進(jìn)入蠕變穩(wěn)定階段，比較蠕變穩(wěn)定階段車轍變形量可以發(fā)現(xiàn)，車轍變形率依次是：基質(zhì)瀝青>5%TLA>7.5%TLA>10%TLA改性ATB瀝青混合料，各混合料試件進(jìn)入剪切失穩(wěn)階段加載次數(shù)分別大約為50萬、80萬、90萬、100萬次，故加入TLA湖瀝青后可改善ATB混合料的高溫穩(wěn)定性，10%TLA摻量可使ATB混合料疲勞壽命提高1倍。

4　TLA改性ATB混合料低溫抗裂性

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的要求成型車轍板，切割為30 mm×35 mm×250 mm的小梁試件，試驗(yàn)前將試件放在恒溫環(huán)境箱中在-10 ℃下保溫不少于4 h，試驗(yàn)時采用單點(diǎn)加載方式，支點(diǎn)間距200 mm，加載速率為50 mm/min，記錄破壞荷載和破壞應(yīng)變，以破壞應(yīng)變指標(biāo)來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果見表7所示。

表7 TLA改性ATB混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table7 TLAmodifiedATBmixatlowtemperatureben-dingtestresultsTLA摻量/%抗彎拉強(qiáng)度/MPa最大彎拉應(yīng)變/με彎曲勁度模量/MPa08.782205.643980.705.010.452435.874290.057.511.602673.474338.931011.172505.424458.33

相關(guān)研究結(jié)果表明：瀝青混合料中儲存的彈性應(yīng)變能越多，其低溫抗裂性能就越好。由于瀝青混合料都具有一定的能量儲存能力，這種儲存容量可直接用試驗(yàn)的方法確定，簡稱破壞能。簡單的說如果瀝青混合料試件破壞時消耗的能量越大，那么其低溫抗裂性能就越好。根據(jù)瀝青混合料的破壞根據(jù)瀝青混合料的破壞能的定義，可以將其單位體積的破壞能表示為式(1)：

(1)

通過對低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果曲線分析發(fā)現(xiàn)，3次多項(xiàng)式可以較好地模擬低溫彎曲試驗(yàn)上升階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。即：

δ=A+B1X+B2X2+B3X3

(2)

式中：A、B1、B2和B3表示回歸后的材料參數(shù)，將式(2)代入式(1)中，就可以計(jì)算出瀝青混合料的破壞應(yīng)變能。

(3)

不同TLA摻量ATB混合料單位體積破壞能計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3　不同TLA摻量ATB混合料單位體積低溫破壞能Figure 3　　　　ATB mix different TLA dosage unit volume low damage energy

由圖3試驗(yàn)結(jié)果可知：隨著TLA摻量的增加，ATB混合料抗彎拉強(qiáng)度增大，勁度模量增大；ATB混合料單位體積低溫破壞能、最大彎拉應(yīng)變隨TLA摻量的增加呈先增大后減小的拋物線變化趨勢。摻加5%、7.5%、10% TLA，可使ATB混合料的最大彎拉應(yīng)變分別增加10.4%、21.2%、13.6%，對于單位體積應(yīng)變能也有類似變化規(guī)律，可見TLA可改善ATB混合料的低溫抗裂性，從彎曲應(yīng)變能隨TLA摻量的變化規(guī)律來看，適宜的TLA摻量為7.5%。由于天然湖瀝青的分子量較大，當(dāng)其在高溫及小分子包圍作用下，易造成天然湖瀝青大膠束的破裂，使其暴露出更多活性點(diǎn)，而這些活性點(diǎn)將與混合料中的小分子物質(zhì)結(jié)合形成半聚合作用，這不僅增強(qiáng)了TLA與基質(zhì)瀝青的相容性，此外，摻加TLA后改性瀝青混合料最佳瀝青用量增大，TLA加強(qiáng)了膠漿與集料之間的粘附性，這可以抵消因粘度增大而降低的那一部分低溫變形能力。

5　TLA改性ATB混合料低疲勞性能

采用三點(diǎn)加載小梁疲勞試驗(yàn)評價RET改性瀝青混合料的抗疲勞耐久性，試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定輪碾法成型并切制成4 cm×4 cm×25 cm試件，疲勞試驗(yàn)條件如下：

加載波形和頻率：10 Hz連續(xù)式正弦波；

加載方式：中點(diǎn)加載，有效間距20 cm，應(yīng)力控制方式；

試驗(yàn)環(huán)境：15 ℃保溫箱；

應(yīng)力水平：0.2、0.3、0.4、0.5應(yīng)力比。

圖4　TLA改性瀝青混合料疲勞試驗(yàn)雙對數(shù)擬合結(jié)果Figure 4　　　　TLA modified asphalt mixture fatigue test double logarithmic fitting results

從圖4試驗(yàn)結(jié)果可以看出：摻加TLA后的改性瀝青混合料疲勞壽命遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青混合料，且隨著TLA摻量增加，改性瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)雙對數(shù)擬合截距K值增大，斜率n值減小，表明TLA的添加可改善瀝青混合料對應(yīng)力水平變化的敏感性。因此合理的TLA摻量可顯著改善瀝青混合料的抗疲勞性能。

6　結(jié)論

① TLA的加入會對ATB混合料的馬歇爾體積指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)產(chǎn)生一定的影響，隨TLA摻量的增大，ATB-25混合料的最佳油石比增大，穩(wěn)定度提高，流值減小，以馬歇爾法確定的最佳油石比對應(yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

② 加速加載試件車轍深度與隆起高度均隨著加載次數(shù)的增加而增大，而且形成類似“W”型斷面，這與已有路面橫斷面測量數(shù)據(jù)相吻合，室內(nèi)加速加載試驗(yàn)可較好模擬實(shí)際車輛荷載對瀝青路面的破壞作用；加入TLA可顯著改善瀝青混合料的疲勞性能和高溫穩(wěn)定性。

③ 綜合考慮TLA改性ATB-25混合料的長期路用性能以及工程的經(jīng)濟(jì)效益，推薦實(shí)際工程運(yùn)用ATB混合料的最佳TLA摻量為7.5%。

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The Affect of TLA Content on Road Performance of ATB-25 Mixes

LIU Ranran， YANG Chunjing

(Yellow River Conservancy Technical College of Water Resources Department， Kaifeng， Henan 475004， China)

this article use MMLS3、 trabecular bending test as test platform to study the effects of Trinidad Lake bitumen content on high and low temperature performance，and fatigue properties.of ATB-25 Mixes.The results showed that：the add of TLA can significantly improve the high temperature stability ATB mix，after add 10% TLA can increase the fatigue life of ATB-25 1 times；adding 5%、 7.5%、10% TLA，ATB can mix the maximum bending material tensile strain increased 10.4%、21.2%、13.6%，the maximum bending tensile strain and damage strain energy with increasing dosage of TLA parabolic variation；TLA modified ATB mix asphalt is much larger than the fatigue life，and with the TLA content increases，the fatigue test double-modified asphalt mixture fit logarithmic interceptKvalue increases，the slope of thenvalue decreases.

pavementengineering； trinidad lake asphalt； asphalt stabilized macadam mixture； road performance

2015 — 01 — 19

劉冉冉(1983 — )，女，河南鄭州人，碩士研究生，研究領(lǐng)域：安全工程技術(shù)。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0302 — 05