不同摻量TLA改性瀝青高溫性能及評價方法研究

柳 毅

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

特立尼達湖瀝青(TLA)以耐老化性能好、溫度敏感性小、動穩(wěn)定度和承載能力高、低溫抗開裂性能高等優(yōu)點，于20世紀初已在美國、英國、德國等國家應(yīng)用，并取得良好的使用效果[1]；上世紀80年代左右，我國北京、河北、浙江、廣東等地也逐步開始推廣研究，查旭東等[2]依托佛山環(huán)城快速干線工程，進行了不同摻量TLA改性瀝青混合料的路面性能研究，試驗結(jié)果表明40%TLA改性瀝青混合料對路面抗水損害、抗裂性能具有良好的效果；李闖民等[3]采用灰分試驗確定了TLA改性瀝青中TLA的最小摻量，并基于相關(guān)技術(shù)指標與TLA摻量之間的關(guān)系，推薦滿足現(xiàn)有規(guī)范要求的最佳TLA摻量；馮新軍等[4]通過在高等級公路路面中摻入TLA瀝青和SBS改性瀝青進行分析，對比發(fā)現(xiàn)TLA改性瀝青能明顯改善路面路用性能，與普通混合料施工工藝基本一致，且比SBS改性瀝青價格更低，能取得良好的社會、經(jīng)濟效益；李平等[5]通過對TLA分離的灰分進行相關(guān)試驗，研究TLA的改性作用機理，發(fā)現(xiàn)灰分憑借粒度小、比表面積大且粗糙等特性，能改善TLA改性瀝青高溫性能。

TLA以其獨特的優(yōu)勢在國外各項目中已推廣應(yīng)用，但在我國實際應(yīng)用相對較少，其主要原因為：國內(nèi)尚無完善且準確的評價方法和指標，由于TLA中地瀝青與灰分的影響，我國現(xiàn)有規(guī)范對TLA改性瀝青的各項性能評價分析存在不足，現(xiàn)有方法評價結(jié)論與瀝青及瀝青混合料在實際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)存在較大差異[6-9]。

本文采用軟化點、DSR、MSCR等國內(nèi)外現(xiàn)有評價瀝青高溫性能試驗方法，對不同摻量的TLA改性瀝青進行定量評價，并與瀝青混合料車轍試驗進行相關(guān)性分析，以期選取更為有效的TLA改性瀝青高溫指標評價方法及瀝青混合料中最佳TLA摻量，為以后研究學(xué)者制定TLA改性瀝青相關(guān)性能標準評價方法及實際施工中混合料的TLA摻量提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本次試驗基質(zhì)瀝青選用鎮(zhèn)海70#A級道路石油瀝青，其各項技術(shù)指標見表1，選用的TLA由佛山市某瀝青公司提供，技術(shù)指標如表2所示，2種材料各項指標均符合相關(guān)規(guī)范要求。

同時，本次車轍試驗用選用玄武巖材質(zhì)的集料、石灰?guī)r質(zhì)礦粉，均滿足現(xiàn)有規(guī)范要求。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標類別針入度(25 ℃,5 s,100 g)/0.1 mm軟化點/℃10 ℃延度/cm15 ℃延度/cm60 ℃動力黏度/(Pa·s)135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度/(Pa·s)閃點/℃溶解度/%TFOT后質(zhì)量變化/%殘留針入度比(25 ℃)/%殘留延度(10 ℃)/cm殘留延度(15 ℃)/cm規(guī)范要求60～80≥46 ≥20≥40≥180—≥260≥99.5≤±0.8≥61≥6≥15試驗結(jié)果74 48.6>100>1001980.327499.80.18185>100試驗方法T0604T0606T0605T0605T0620T0625T0611T0607T0609T0604T0605T0605

表2 TLA瀝青技術(shù)指標類別針入度(25 ℃,5 s,100 g)/0.1 mm軟化點/℃灰分/%25 ℃密度/g·cm-3 TFOT殘留針入度比/%規(guī)范要求60～80≥9033～381.3～1.5≥50試驗結(jié)果2.99436.31.34964試驗方法T0604T0606T0611T0607T0604

1.2 試驗方案

TLA由于自身含有較多的礦物顆粒，其密度比基質(zhì)瀝青密度大，為避免配制TLA改性瀝青發(fā)生離析情況，本次試驗中配制的TLA改性瀝青均為隨配隨用，具體拌制方法如下：將基質(zhì)瀝青和TLA瀝青加熱至155 ℃后，按照相應(yīng)比例進行拌和，并將烘箱溫度提升至160 ℃，繼續(xù)攪拌，使2種瀝青完全相融，隨即制備各種試驗的試件。

將制備好的TLA改性瀝青試件依據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有質(zhì)量技術(shù)要求和國內(nèi)外瀝青高溫性能評價方法進行試驗，主要采用軟化點、135 ℃黏度、DSR、MSCR試驗對TLA改性瀝青進行高溫評價。進行DSR試驗測車轍因子的起始溫度為56 ℃；MSCR試驗溫度為64 ℃；由于TLA改性瀝青的60 ℃動力黏度過大，故不再進行動力黏度試驗。

參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[10]中相關(guān)要求進行AC-13C混合料配合比試驗，級配組成見表3，并在60℃時進行車轍試驗。

表3 AC-13C混合料級配不同篩孔(mm)的通過率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.07510097804933282215118

2 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 旋轉(zhuǎn)黏度及軟化點試驗分析

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[11]相關(guān)試驗要求，對不同摻量的TLA改性瀝青進行基本性能試驗，試驗結(jié)果見表4。

表4 不同摻量TLA改性瀝青技術(shù)指標TLA摻量/%25 ℃針入度/0.1 mm135 ℃黏度閃點/℃溶解度/%灰分/%TFOT后殘留針入度比/%軟化點/℃1066.30.3827890.44.296.449.81557.70.4428089.16.395.851.42049.60.5127687.67.893.851.92542.20.5328486.19.791.552.63037.20.6128684.311.490.253.23533.50.5828782.112.887.854.74029.60.7228580.414.383.855.24527.50.8828878.615.877.855.85026.30.9328877.718.270.356.4

根據(jù)《規(guī)范》[10]中對TLA改性瀝青的要求，摻量為10%、15%不滿足相關(guān)技術(shù)要求，摻量為20%、25%符合TMA-50技術(shù)要求，30%、35%、40%、45%、50%滿足TMA-30技術(shù)要求，并結(jié)合表1與表2中相關(guān)數(shù)據(jù)對各摻量的黏度和軟化點進行分析。

圖1為不同TLA改性瀝青摻量下的軟化點及黏度值,由圖1可以看出，隨著TLA摻量增加，TLA改性瀝青軟化點增大，而135 ℃黏度值離散性較大、規(guī)律性不強。分析其原因主要為：TLA中原有礦物成分與瀝青具有良好的黏結(jié)作用，與基質(zhì)瀝青充分拌和后的瀝青膠漿具有一定TLA特性，由于礦物成分的黏附作用，其軟化點將增大；而按照規(guī)程[11]中T0625—2011進行135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度時，需將制備的試件放入135 ℃烘箱中保溫1.5 h，TLA瀝青膠漿由于礦物成分與瀝青密度不一致易產(chǎn)生離析，使得試驗結(jié)果離散性較大，難以進行評價。

圖1 不同摻量TLA改性瀝青軟化點及黏度值

2.2 DSR試驗分析

DSR為美國PG分級標準原評價標準方法，在測定瀝青黏彈性指標時，具有重復(fù)性好、精度高、人為干擾少、可行度高等優(yōu)勢[11]。通過在ω為10 rad/s(頻率為1.502 Hz)條件下，測得瀝青材料的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ，黏性成分G*/sinδ越大，剪切柔量越小，高溫性能越好，原樣瀝青G*/sinδ不小于1.0 kPa，短期老化瀝青G*/sinδ不小于2.2 kPa。對不同摻量TLA改性瀝青進行DSR試驗，結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2和圖3試驗結(jié)果可知，不同摻量的TLA改性瀝青對應(yīng)不同的耐高溫溫度，本次所選用70#基質(zhì)瀝青、10%摻量TLA改性瀝青對應(yīng)的最高耐高溫度為70 ℃，15%摻量以上TLA改性瀝青耐高溫溫度均超過76 ℃；同時，隨著TLA摻量增加，TLA改性瀝青耐高溫性能呈上升趨勢，且摻量為30%時，曲線斜率大、提升趨勢最明顯，說明在提高TLA改性瀝青高溫性能方面，存在最佳TLA摻量。

圖2 原樣瀝青DSR試驗結(jié)果

圖3 短期老化瀝青DSR試驗結(jié)果

2.3 MSCR試驗

MSCR為AASHTO中對瀝青高溫性能評價最新試驗方法，其主要試驗步驟為：采用DSR中應(yīng)力控制模式，瀝青在0.1 kPa和3.2 kPa的應(yīng)力水平下，進行1 s和9 s卸載，重復(fù)10個周期。卸載時瀝青發(fā)生的變形能部分恢復(fù)，以此更好地模擬瀝青在高溫反復(fù)受力時的變形過程。本文不再分析TLA改性瀝青應(yīng)力敏感性，故不對Jnrdiff進行分析，僅對試驗結(jié)果中不可恢復(fù)柔量變量Jnr0.1和Jnr3.2、變形恢復(fù)率R0.1和R3.2進行分析，Jnr越小表明其高溫性能越好，R越大其恢復(fù)性能越好。為保持試驗結(jié)果的對比性，本文僅在64 ℃時進行MSCR試驗，其試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，Jnr0.1與Jnr3.2均隨TLA摻量增加而減小，說明TLA改性瀝青隨TLA摻量增加其高溫性能逐漸提高，但Jnr3.2比Jnr0.1減小的幅度小，其主要原因是在低應(yīng)力水平條件下，恢復(fù)應(yīng)變的主要是基質(zhì)瀝青，TLA在應(yīng)變恢復(fù)中所占比例不大，隨著摻量和應(yīng)力水平提高，TLA在應(yīng)變恢復(fù)中所占比例逐步提高，不可恢復(fù)柔量值均變小，其恢率復(fù)也逐步變大，與圖5中變形恢復(fù)率相一致。

圖4 不同摻量TLA下的不可恢復(fù)柔量

圖5 不同摻量TLA下的改性瀝青變形恢復(fù)率

2.4 車轍試驗

根據(jù)規(guī)范相關(guān)要求、試驗經(jīng)驗、施工現(xiàn)場等方面因素，AC-13C對應(yīng)的油石比宜為4%～6%，但由于TLA中含有一定量的灰分，其油石比增大約0.5%左右[5]。經(jīng)試驗，基質(zhì)瀝青最佳油石比為5.2%，故本次試驗TLA改性瀝青混合料的油石比選5.7%，并按照規(guī)范要求進行車轍試驗，其試驗結(jié)果如表5所示。

由表5可以看出TLA能明顯提高瀝青混合料的高溫性能，10%、15%摻量TLA改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度不滿足規(guī)范要求，在30%摻量時動穩(wěn)定度提高較為明顯。

表5 不同摻量(%)TLA改性瀝青混合料動穩(wěn)定度(次·mm-1)01015202530354045501 5262 4372 7593 1673 4353 8294 0334 2064 3524 483

將不同摻量TLA改性瀝青的軟化點、黏度、車轍因子(70 ℃)、Jnr0.1、Jnr3.2與宏觀瀝青混合料車轍試驗動穩(wěn)定度(取對數(shù))進行相關(guān)性分析，其分析如表6所示。

表6 動穩(wěn)定度與不同試驗參數(shù)的關(guān)系項目軟化點/℃黏度/(Pa·s)車轍因子/(G*·sin δ-1)Jnr0.1/(kPa-1)Jnr3.2/(kPa-1)與動穩(wěn)定相關(guān)系數(shù)(R2)0.936 10.945 80.9540.986 20.998相關(guān)系數(shù)表達式y(tǒng)=2.991 3 ln(x)+49.19y=0.132 8 ln(x)+0.365 5y=1.895 2 ln(x)+1.023 1y=-0.751 ln(x)+1.837y=-1.301 ln(x)+3.532 2

從表6可以看出，MSCR測得的Jnr3.2與TLA改性瀝青混合料高溫性能相關(guān)性最優(yōu)，其次為Jnr0.1，軟化點、黏度與動穩(wěn)定度相關(guān)性相對較差。推薦采用Jnr3.2作為評價TLA改性瀝青高溫性能指標的方法。

3 結(jié)論與建議

1)摻入TLA改性瀝青后對瀝青、瀝青混合料高溫性能均有較大改善，且30%摻量時對高溫性能改善最優(yōu)。

2)利用MSCR測得的Jnr3.2較軟化點、黏度、車轍因子等與動穩(wěn)定相關(guān)性最好，推薦作為評價TLA改性瀝青高溫性能的試驗方法。

3)由于存在灰分等因素，TLA改性瀝青的黏度具有一定離散型，不建議將其作為評價TLA改性瀝青高溫性能的指標。