基于DSR和BBR試驗的TLA改性瀝青膠漿高低溫性能研究

石越峰， 季 節(jié)， 索 智， 許 鷹， 徐世法

(1.北京建筑大學 土木與交通工程學院， 北京 100044； 2.北京市城市交通基礎設施建設工程技術研究中心， 北京 100044； 3.首都世界城市順暢交通協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100044)

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基于DSR和BBR試驗的TLA改性瀝青膠漿高低溫性能研究

石越峰1，2， 季 節(jié)1，2， 索 智2，3， 許 鷹1，2， 徐世法2，3

(1.北京建筑大學 土木與交通工程學院， 北京 100044； 2.北京市城市交通基礎設施建設工程技術研究中心， 北京 100044； 3.首都世界城市順暢交通協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100044)

以DM-70和SK-90兩種基質瀝青分別制備不同TLA摻量(5%，10%，15%，20%)和不同粉膠比(0.6，0.8，1.0，1.2)的TLA改性瀝青膠漿。利用DSR和BBR試驗，分別測試瀝青膠漿的G*/sinδ、S以及m-值等參數(shù)，以評價TLA改性瀝青膠漿的高低溫性能。試驗結果表明：隨著TLA摻量和粉膠比的增大，瀝青膠漿的G*/sinδ和S呈指數(shù)增長，m-值總體在下降，但規(guī)律性不明顯，說明增大TLA摻量和提高粉膠比，能夠改善瀝青膠漿的高溫性能，但對其低溫性能有所損傷。平衡瀝青膠漿的高低溫性能，推薦TLA摻量和粉膠比分別取10%和1.0。

TLA； 瀝青膠漿； 高低溫性能； DSR； BBR

0 引言

隨著“五縱七橫”國道主干線系統(tǒng)的全線貫通和“7918”國家高速公路網(wǎng)“五射兩縱七橫”的基本貫通，我國公路建設取得舉世矚目的關注。據(jù)國家公路網(wǎng)規(guī)劃(2013～2030年)相關資料顯示，截止到2013年底，我國公路通車總里程數(shù)已達424萬km，其中高速公路的總里程已經(jīng)達到9.62萬km[1]。我國已建成的高速公路中95%為瀝青路面。然而，現(xiàn)代高速公路網(wǎng)的建成和交通量迅猛的增長，重載、超載情況加劇，交通渠化愈趨明顯，對瀝青性能提出越來越高的要求，普通瀝青難以滿足現(xiàn)有道路狀況要求[2]。因此，改性瀝青技術越來越受到人們的關注。

改性瀝青技術可分為聚合物改性和非聚合物改性。在聚合物改性劑中，普遍采用SBS改性劑[3]。在非聚合物改性劑中，特立尼達湖瀝青(TLA)作為一種瀝青改性劑在國外較早就已被應用于道路鋪筑、橋面鋪裝和機場建設[4-7]。相比聚合物改性劑，TLA與瀝青的物理化學性質完全一致，與其他石油瀝青具有良好的混融性，生產(chǎn)工藝簡單，降低了生產(chǎn)成本。因此，國內外的專家學者對TLA改性瀝青及其混合料進行了相關研究。Robinson Peter[8]發(fā)現(xiàn)TLA非常堅硬，針入度很小，不能與礦料均勻的拌和，因此TLA通常被用作改性劑應用到瀝青中。Charles F.R.等人[9，10]通過試驗發(fā)現(xiàn)TLA改性瀝青的低溫延度很小，這主要是因為TLA中含有大量灰分造成的。王琪[11]測試了TLA改性瀝青及其混合料性能，試驗結果表明：TLA改性瀝青表現(xiàn)出良好的低溫抗裂性和粘韌性，TLA改性瀝青混合料各項指標都能滿足高速公路路用性能的要求。馮新軍[12]等人對TLA改性瀝青及其混合料進行了一系列室內試驗研究，研究結果表明TLA能改善瀝青的高、低溫性能和抗老化性能，而且能明顯提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗?jié)B性。代勇[13]等人發(fā)現(xiàn)，TLA能改善瀝青結合料的高溫穩(wěn)定性，但其低溫性能有所降低，基質瀝青經(jīng)TLA改性后，其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和疲勞性能得到明顯改善，TLA改性瀝青混合料具有優(yōu)良的路用性能。

現(xiàn)代膠漿理論認為瀝青混合料是一種多級空間狀網(wǎng)狀凝膠結構的分散系：瀝青混合料以粗集料為分散相分散在瀝青砂漿中，瀝青砂漿以細集料為分散相分散在瀝青膠漿中，瀝青膠漿又以填料為分散相分散在瀝青介質中[14]。Gubler[15]等人通過DSR試驗發(fā)現(xiàn)了填料可以減緩瀝青的老化，同時發(fā)現(xiàn)了DSR試驗中復數(shù)模量和相位角隨加載大小的變化規(guī)律。李平[16]利用Stokes公式計算了填料在瀝青中的沉降規(guī)律，證明了DSR和BBR試驗適用于瀝青膠漿的可行性。

目前國內外對于TLA的研究大多還停留在其改性機理和混合料性能的階段，很少涉及其膠漿性能的研究。而瀝青膠漿作為混合料中的重要組成部分，起著黏結集料和填充空隙的作用。因此，研究TLA瀝青膠漿的性能就顯得尤為重要。本文擬采用DSR和BBR試驗，探討3個不同影響因素(基質瀝青種類、TLA摻量、粉膠比)對TLA改性瀝青膠漿高低溫性能影響的規(guī)律，進而揭示不同因素對TLA改性瀝青膠漿性能的影響機理，為指導TLA改性瀝青膠漿的設計提供理論基礎。

1 原材料性能

基質瀝青采用山東東明生產(chǎn)的DM-70瀝青和韓國SK公司生產(chǎn)的SK-90瀝青，TLA為特立尼達湖瀝青，礦粉采用石灰?guī)r礦粉，其各項技術指標均滿足相關規(guī)范要求，具體結果見表1、表2。

表1 瀝青和TLA的性能Table1 ThePropertiesofSK-90,DM-70andTLA指標DM-70實測值技術標準SK-90實測值25℃針入度/0.1mm6660～8081軟化點/℃50≥4651.810℃延度/cm24≥205160℃動力黏度/(Pa·s)185.3≥180 218.4灰分/%———RTFOT后的殘留物質量變化/%-0.10±0.80.1針入度比/%68≥616110℃殘留延度/cm6.5≥68PG58～22—58～22技術標準TLA實測值技術標準試驗方法80～1004.20～5T0604-2011≥4599.9≥90 T0606-2011≥452—T0605-2011≥160 ——T0620-2000—36.533～38T0614-2011RTFOT后的殘留物±0.8——T0608-1993≥57≥50 79T0604-2011≥6——T0605-2011———T0627/T0628-2011

表2 礦粉性能Table2 Thepropertiesoffiller試驗項目技術標準試驗結果試驗方法表觀密度,不小于/(g·cm-3)2.52.732T0352-2000含水量,不大于/%1 0.5T0332-2000粒度范圍<0.6mm/%100 100T0351-2000<0.15mm/%90～10099.75T0351-2000<0.075mm/%75～10088.56T0351-2000親水系數(shù)1 0.71T0353-2000塑性指數(shù)/%4 2.8T0354-2000

2 TLA改性瀝青及膠漿的制備

按照以下步驟進行TLA改性瀝青膠漿的制備：

① 將DM-70瀝青、SK-90瀝青和TLA分別加熱至160 ℃并保溫；

② 將160 ℃下的DM-70瀝青、SK-90瀝青和TLA分別按瀝青質量比5%、10%、15%和20%進行共混，并攪拌至均勻，以制備8種TLA改性瀝青；

③ 將礦粉加熱至110 ℃，將TLA改性瀝青與礦粉按照與瀝青質量比(粉膠比)0.6，0.8，1.0，1.2制備TLA改性瀝青膠漿，并混合均勻。

3 TLA改性瀝青性能

按照上述工藝制備TLA改性瀝青，表3為TLA改性瀝青的性能。

由表3可知：

① 基于針入度評價體系，由于TLA的加入以及摻量的不斷增加，TLA可提高瀝青的高溫性能(軟化點、黏度的提高)，但會降低瀝青的低溫性能(10 ℃延度的減小)。這主要是因為TLA中含有一定的灰分，這部分灰分的存在會改變?yōu)r青的結構，使得瀝青低溫性能變差。

表3 TLA改性瀝青的性能Table3 ThepropertiesofTLAmodifiedasphalt基質瀝青種類TLA摻量DM-70SK-905%10%15%20%5%10%15%20%針入度(25℃)/(0.1mm)6562595675767675軟化點/℃50.652.052.653.151.751.852.953.110℃延度/cm28.617.915.414.515.615.313.710.260℃動力粘度/(Pa·s)246.8361.9520.5635.3227.6228.1292.7322.8RTFOT后的殘留物殘留針入度比/%697185616764616010℃殘留延度/cm7.35.04.84.46.56.46.46.2PG64～2264～2264～1664～1658～2264～2264～2264～22

② 基于SHRP評價體系，由于TLA的加入以及摻量的不斷增加，TLA改性瀝青的高溫等級不斷提高，其低溫等級不斷下降，與針入度評價體系的試驗結果保持一致。

4 TLA改性瀝青膠漿高溫性能分析

SHRP在瀝青結合料路用性能規(guī)范中提出的評價瀝青結合料高溫性能的指標是采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)[17]。用車轍因子G*/sinδ來表征瀝青結合料的高溫性能，G*/sinδ越大，瀝青結合料的高溫抗車轍能力越強。利用AR-1500型高級流變儀，在70 ℃條件下，角速度均采用10 rad/s，對不同TLA改性瀝青膠漿進行DSR試驗，圖1、圖2分別為TLA摻量和粉膠比對瀝青膠漿G*/sinδ的影響。

由圖1、圖2可知：

① 基質瀝青為DM-70的瀝青膠漿，其車轍因子G*/sinδ均高于SK-90的瀝青膠漿，這說明基質瀝青的性質會對瀝青膠漿的高溫性能產(chǎn)生一定影響。這主要是因為60 ℃動力粘度常作為反映瀝青在夏季瀝青的耐熱性指標，DM-70改性瀝青的60 ℃動力粘度均大于SK-90改性瀝青，粘度越大說明瀝青在荷載作用下的剪切變形較小，彈性恢復能力較好，高溫抗車轍能力好。

圖1 TLA摻量對瀝青膠漿G*/sinδ的影響Figure 1 The G*/sinδ of asphalt mortar over TLA content

圖2 粉膠比對瀝青膠漿G*/sinδ的影響Figure 2 The G*/sinδ of asphalt mortar over filler-asphalt ratio

② 無論基質瀝青為DM-70還是SK-90的瀝青膠漿，隨著TLA摻量的增加，瀝青膠漿的G*/sinδ不斷增加，說明提高TLA摻量可增強瀝青膠漿的高溫抗車轍能力。這主要是因為TLA中含有大量灰分，并且與基質瀝青發(fā)生了相與相的交聯(lián)作用，增加了結構瀝青的比例，致使瀝青膠漿的彈性成分增加[18]；此外，TLA中存在大量瀝青質，而瀝青質作為分散相，其含量過多會使瀝青膠體結構改變；這兩方面原因共同導致瀝青膠漿高溫性能的增強。當TLA摻量在10%～15%時，瀝青膠漿的G*/sinδ增加最為顯著，因此推薦TLA摻量在10%～15%為宜；

③ DM-70和SK-90兩種瀝青膠漿，粉膠比越大，其G*/sinδ越大，即瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性越強，其原因在于：由于礦粉的比表面積大，增大粉膠比，自由瀝青被礦粉所吸收，使得瀝青膠漿體系中自由瀝青比例減少，結構瀝青比例增加，增大了瀝青膠漿的稠度，宏觀上表現(xiàn)為高溫抗車轍能力的提高。當粉膠比在1.0～1.2區(qū)間時，瀝青膠漿的G*/sinδ增長幅度最為明顯，故從高溫穩(wěn)定性角度出發(fā)，推薦粉膠比在1.0～1.2為最佳；

④ 瀝青膠漿的G*/sinδ隨TLA摻量和粉膠比的變化呈現(xiàn)指數(shù)增長，且相關性系數(shù)較高，即G*/sinδ=AeBx，其中x為TLA摻量或者粉膠比，A、B為回歸系數(shù)，見表4。

表4 G*/sinδ隨TLA摻量和粉膠比變化的回歸系數(shù)A,BTable4 TheA,BofG*/sinδoverthecontentofTLAandfiller-asphaltratio瀝青膠漿種類x:TLA摻量ABR2瀝青膠漿種類x:粉膠比ABR2DM-70粉膠比0.63.65770.06570.9285DM-705%TLA3.53230.08200.9922DM-70粉膠比0.83.94460.06890.9029DM-7010%TLA3.71720.11140.9141DM-70粉膠比1.04.03110.11890.9407DM-7015%TLA3.95900.13000.9781DM-70粉膠比1.23.99920.19070.9521DM-7020%TLA3.51460.21740.9311SK-90粉膠比0.61.62640.10510.9223SK-905%TLA1.59430.15030.9755SK-90粉膠比0.81.87640.12290.9675SK-9010%TLA1.73330.14660.9217SK-90粉膠比1.02.27320.10830.9648SK-9015%TLA1.95930.14530.9657SK-90粉膠比1.22.63230.07910.9764SK-9020%TLA2.33670.11990.9013

⑤ 粉膠比對TLA改性瀝青膠漿G*/sinδ的影響要高于TLA摻量的影響程度，其原因在于：若將G*/sinδ=AeBx兩邊同時取對數(shù)，即為ln(G*/sinδ)=lnA+Bx，lnA為直線截距，A為TLA摻量或者粉膠比對G*/sinδ初始影響程度的大小，B為一次函數(shù)的斜率，表示TLA摻量或者粉膠比變化對G*/sinδ影響的劇烈程度，B值越大，影響程度越大。

5 TLA改性瀝青膠漿低溫性能分析

高溫性能和低溫性能往往是一對矛盾體，SHRP研究計劃利用BBR試驗測試瀝青結合料60 s的蠕變勁度S和蠕變速率m-值來表征瀝青結合料的低溫性能。S表示瀝青結合料的勁度模量，m-值表示瀝青結合料通過自身粘彈流動釋放收縮應力的速度，由于低溫瀝青勁度增加產(chǎn)生的應力可以通過自身的粘彈流動釋放，低的蠕變勁度和高的釋放速度有利于抵抗低溫開裂[19]。利用TE-BBR型高級流變儀，測試不同TLA改性瀝青膠漿在-6 ℃下的S和m-值，圖3、圖4分別為TLA摻量和粉膠比對瀝青膠漿S和m-值的影響。

由圖3、圖4可知：

① 兩種基質瀝青(DM-70，SK-90)制備的瀝青膠漿，其勁度模量S呈現(xiàn)出不同規(guī)律，SK-90瀝青膠漿的S大多高于DM-70瀝青膠漿，這說明基質瀝青的種類和性質會對瀝青膠漿的低溫性能產(chǎn)生一定影響。

② TLA改性瀝青膠漿的S和m-值隨TLA摻量變化呈現(xiàn)出如下規(guī)律：TLA摻量越大，S越大，主要是因為TLA中的灰分和瀝青質使得瀝青膠漿的脆性增加，低溫性能下降；隨著TLA摻量的增加，m-值在總體上是下降的，這主要是由于TLA中的灰分和瀝青質與基質瀝青發(fā)生交聯(lián)作用，使二者聯(lián)系更加緊密，導致瀝青膠漿的應力松弛能力下降。但是，m-值在TLA摻量為10%時出現(xiàn)明顯拐點，當TLA摻量大于10%，瀝青膠漿的低溫等級急劇下降，說明TLA摻量在10%之內，對瀝青膠漿的低溫損傷程度較小。

圖3 TLA摻量對瀝青膠漿S和m-值的影響Figure 3 The S and m-value of asphalt mortar over TLA content

圖4 粉膠比對瀝青膠漿S和m-值的影響Figure 4 The S and m-value of asphalt mortar over filler-asphalt ratio

③ 無論是DM-70還是SK-90瀝青膠漿，粉膠比越大，瀝青膠漿的S越大，m-值總體上在減小，S和m-值在粉膠比為1.0時出現(xiàn)明顯拐點，說明提高粉膠比會損傷瀝青膠漿的低溫性能，其原因在于：粉膠比小于1.0時，其S和m-值變化幅度較為平緩，處于瀝青膠漿體系性能的量變積累階段；粉膠比為1.0時，達到固液平衡的臨界點和關鍵點；粉膠比大于1.0時，瀝青膠漿體系達到質變，其S和m-值變化幅度劇烈，低溫性能急劇下降。因此，粉膠比應控制在1.0之內，以保證其獲得良好的低溫性能。

④ 瀝青膠漿的S隨TLA摻量和粉膠比的變化呈現(xiàn)指數(shù)增長，且相關性系數(shù)較高，但m-值并未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性.即S=AeBx，其中x為TLA摻量或者粉膠比，A、B為回歸系數(shù)，見表5。

表5 S隨TLA摻量和粉膠比變化的回歸系數(shù)A,BTable5 TheA,BofSoverthecontentofTLAandfiller-asphaltratio瀝青膠漿種類x:TLA摻量ABR2瀝青膠漿種類x:粉膠比ABR2DM-70粉膠比0.6189.230.03880.9248DM-705%TLA185.570.06290.9794DM-70粉膠比0.8196.030.06800.9761DM-7010%TLA187.090.09750.9658DM-70粉膠比1.0212.220.08320.9665DM-7015%TLA178.340.14770.9916DM-70粉膠比1.2208.210.13760.9753DM-7020%TLA191.090.15000.9948SK-90粉膠比0.6152.900.08290.9237SK-905%TLA129.360.23940.9825SK-90粉膠比0.8180.640.10420.9939SK-9010%TLA138.160.23780.9980SK-90粉膠比1.0236.040.08690.9783SK-9015%TLA158.150.21320.9955SK-90粉膠比1.2337.060.00300.9816SK-9020%TLA184.50.18890.9816

⑤ 粉膠比對TLA改性瀝青膠漿低溫性能的影響程度要高于TLA摻量的影響程度。雖然TLA中含有36.5%的灰分會充當?shù)V粉，使瀝青膠漿的低溫性能下降，但是增大粉膠比更加直接、猛烈地改變了瀝青膠漿體系，促成了瀝青膠漿體系性能的質變過程。

6 結語

通過以上試驗分析，可得出如下結論：

① 基質瀝青的種類和性質會對TLA改性瀝青膠漿的高低溫性能產(chǎn)生一定影響。

② 隨著TLA摻量和粉膠比的增加，TLA改性瀝青膠漿的G*/sinδ和S呈指數(shù)增長，m-值總體呈下降趨勢，但規(guī)律性不明顯，說明瀝青膠漿的高溫性能不斷增強，低溫性能不斷下降。

③ 粉膠比對TLA改性瀝青膠漿高低溫性能的影響程度要高于TLA摻量的影響程度。

④ 綜合TLA改性瀝青膠漿的高低溫性能變化規(guī)律，本文推薦TLA摻量取10%，粉膠比取1.0，瀝青膠漿的高低溫性能最佳。

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Study on the High-and-low-temperature Properties of TLA Modified Asphalt Mortar Based on DSR and BBR

SHI Yuefeng1，2， JI Jie1，2， SUO Zhi2，3， XU Ying1，2， XU Shifa2，3

(1.School of Civil Engineering and Transportation， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China； 2.Beijing Urban Transportation Infrastructure Engineering Technology Research Center， Beijing 100044， China； 3.Beijing Collaborative Innovation Center for Metropolitan Transportation， Beijing 100044， China)

The base asphalts are DM-70 and SK-90.The TLA modified asphalt mortar with different filler-asphalt ratio(0.6，0.8，1.0，1.2)and TLA content，which are 5%，10%，15% and 20% by mass of base asphalt，are prepared.TheG*/sinδ，Sandm-value of TLA modified asphalt mortar are tested using DSR and BBR and the high-and-low-temperature properties of TLA modified asphalt mortar are analyzed.With the TLA content and filler-asphalt ratio increase，theG*/sinδandSincreases exponentially andm-value decreases，while changes inm-value is not obvious.With the TLA content and the filler-asphalt ratio increases，the high-temperature property of asphalt mortar improves，and the low-temperature property of asphalt mortar decline.It suggested that the high-and-low-temperature properties of TLA modified asphalt mortar are best when TLA content is 10% and the filler-asphalt ratio is 1.0.

TLA； asphalt mortar； high-and-low-temperature properties； DSR； BBR

2015 — 03 — 26

北京市屬高等學校高層次人才引進與培養(yǎng)計劃項目(PXM2013-014210-000165)；國家自然科學基金項目(51478028)

石越峰(1992 — )，男,北京人,研究生,主要從事道路工程材料研究。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0072 — 05