特立尼达湖沥青/热塑性丁苯嵌段共聚物复合改性沥青混合料改性机理及性能

2021-12-02王显光张立文

科学技术与工程 2021年33期

王亚，王显光，张立文

(1.中国建筑第八工程局有限公司设计管理总院,上海 201206;2.交通运输部科学研究院,北京 100029)

特立尼达湖沥青(Trinidad Lake asphalt，TLA)是一种天然沥青，其特性和石油沥青相近，两者具有很好的相容性和配伍性，配制成的TLA改性沥青具有优良的性能指标。TLA在国外已有百余年的使用历史，20世纪80年代以来，TLA改性沥青在中国也广泛地应用到高等级道路特别是大型桥梁的沥青路面铺装中，取得了较好的社会经济效益[1-6]。

但是TLA沥青也存在着针入度、软化点和延度等指标的改性效果不如传统的热塑性丁苯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene，SBS)改性剂的情况，TLA改性沥青混合料在低温抗裂、疲劳等指标方面还存在着一定的不足。为此，众多学者提出了复合改性研究的方法，以提高沥青混合料的路用性能。于江等[7]研究了基于黏弹性理论的天然沥青改性低温性能，采用低温流变试验，利用Burgers模型对蠕变数据进行拟合。倪富健等[8]、熊刚等[9]测试了复合改性TLA的高、低温稳定度及疲劳性能。曾梦澜等[10]考虑在沥青混合料中掺加生物沥青和岩沥青进行复合改性，对低温性能进行了研究。杜少文[11]对天然沥青与岩沥青混合改性的路用性能进行了分析，并利用X射线研究了改性机理。孔令云等[12]研究了TLA改性沥青中的灰分、地沥青对高温车辙因子的影响，提出了因子修正系数。

大量的研究主要针对TLA沥青(或者岩沥青)性能，或TLA与其他改性剂配制而成沥青混合料的某些性能。考虑到沥青胶结料本身的性能对后期混合料性能举足轻重，现对TLA沥青进行掺加SBS改性剂进行复合改性，首先研究沥青质的软化点、延度、黏度等指标，然后在此基础上研究混合料性能的改善，主要涉及动稳定度、低温抗裂性、抗疲劳、动态模量等路用指标。

1 TLA/SBS改性沥青

1.1 TLA的改性机理

TLA湖沥青是地层内的石油资源经过长期地壳运动与高温作用，充分氧化、沉淀、聚合而成。TLA中的沥青质和芳香芬含量很高，胶质含量较少，这在理论上会导致沥青具有较好的高温稳定性，在低温时的抗裂性能不良。

TLA中沥青质含量达54%，灰分占37%左右，其余主要是结晶水和有机质。由于研究其中的灰分可以揭示TLA与普通沥青的作用机理，采用X射线衍射仪来分析其矿物质的组成，结果见表1。可以看出，TLA沥青中的矿物成分主要是石英和黏土矿物质(高岭石和伊利石)组成，高岭石(kaolinite)与伊利石(illite)为硅酸盐矿物，呈弱酸性，与基质沥青一样。红外线光谱表明，硅酸铝不会与沥青之间产生化学反应。在TLA形成的过程中，沥青会逐渐注入并充填在岩石溶解所产生的孔隙中，经过长期高温、高压等复杂的外部环境作用，使得沥青的黏度和稳定性远远优于普通炼制的石油沥青。

表1 湖沥青矿物化学组成和颗粒尺寸Table 1 TLA mineral composition and size

采用原子力显微镜，对普通沥青及TLA改性后的沥青微观结构特性进行了纳米级高分辨率观测(图1)。可以看出，相比石油沥青的溶胶结构，TLA沥青具有更多的凝胶体，由于其特有的沥青质和微观尺寸特性，掺入基质沥青后，向四周空间发展，形成了均匀、密实、孔隙闭合的整体。因此，TLA与基质沥青之间长期复杂的交互是其具有沥青改性剂的主要原因。

1.2 TLA技术参数

TLA在天然状态下形成，因此含有一定数量的矿物质。其化学成分主要由沥青质、树脂和油分组成，还有部分不溶物。天然沥青的基本性质取决于它的聚合程度和纯净度，以及软化点的高低和灰分含量的多少。采用的为颗粒状的TLA，可以预先和沥青进行混合，制作成TLA改性沥青，也可以在拌和过程中单独加入。按照英国BS3690标准对TLA的性能进行检测，检测结果见表2。

可以看出，所采用的TLA各项指标满足英国BS3690标准的要求。

1.3 TLA/SBS改性沥青制备及性能

将TLA沥青以一定比例加入基质沥青中，在160 ℃下用高速搅拌机以1 500 r/min的速度搅拌30 min，确保TLA与基质沥青较好的融合。然后在160～170 ℃的温度条件下用高速剪切仪以3 000 r/min的速度剪切1 h。

基质沥青采用70#东海牌沥青，分别对普通沥青和SBS改性沥青中掺加TLA进行了研究。对普通沥青，TLA的掺量分别为0、15%、25%和35%；相对5%的SBS改性剂，TLA掺量分别为0、10%、20%和30%。测试指标中，考虑针入度、软化点和延度三大指标以及135 ℃的黏度指标。普通沥青+TLA的测试结果见表3。SBS改性沥青+TLA的测试结果见表4。

从表3、表4可以看出，TLA的加入对于沥青软化点的改善作用并不明显，但无论在何种TLA掺量下，SBS改性沥青的软化点要远高于普通沥青。SBS改性沥青在不掺加TLA时针入度要远低于普通沥青，但是随着掺加了TLA以后，两者比较接近。无论对于SBS改性沥青还是普通沥青，掺加了TLA以后延度都会降低，两者差异不大。从提高沥青胶结料的黏度出发，采用SBS掺加TLA复合改性具有更加好的效果。TLA自身含有天然的沥青质，与普通沥青具有很好的相容性，从而增加基质沥青中沥青质含量，提高其性能。而SBS则通过在沥青中的溶胀形成空间网络结构。因此，高温下掺加的TLA湖沥青并不会阻止原有沥青的软化；对于SBS改性沥青来讲，其空间网络结构可以有效改变沥青软化后的下坠。利用显微扫描电镜对SBS改性沥青和复合改性沥青进行了扫描(图2)，对比成像结果可以发现，复合改性沥青图像较SBS改性沥青更为明亮、颗粒更多，形成的沥青膜使胶粒之间更好地结合，SBS均匀地分散其间，两者形成了紧密的空间网络结构，这也从微观层面揭示了复合改性沥青具有优异的性能。

图2 沥青扫描电镜Fig.2 Asphalt scanning electron microscope

表3 普通沥青+TLA的性能指标Table 3 Performance index of ordinary asphalt+TLA

表4 SBS改性+TLA的性能指标Table 4 Performance index of SBS modification+TLA

采用车辙因子来表征沥青高温性能，通过动态剪切流变试验(dynamic shear rheological test，DSR)温度扫描试验得到不同改性沥青在50～90 ℃范围内的车辙因子曲线(图3)。可以看出，几种改性沥青的车辙因子随着温度增高而逐渐降低，采用复合改性后，显著提高了沥青的高温性能。

图3 不同沥青车辙因子Fig.3 Rutting factors of different asphalt

采用蠕变劲度S和蠕变速率m表征沥青低温性能。选用弯曲梁流变试验测试各种改性沥青在-10 ℃和-20 ℃时60 s的蠕变劲度S和蠕变速率m(表5)。可以看出，温度越低，蠕变劲度越大，蠕变速率越小。同一温度下，TLA/SBS复合改性沥青的蠕变劲度小于SBS改性沥青，蠕变速率大于SBS改性沥青。TLA-SBS复合改性沥青的低温性能优于SBS改性沥青。

表5 沥青蠕变试验Table 5 Creep test of asphalt

2 TLA/SBS沥青混合料性能

2.1 TLA/SBS沥青混合料制备及测试

基质沥青采用70#东海牌沥青，5%的SBS改性剂(LG501)，SBS改性沥青由高速剪切机将SBS加入基质沥青制备而成。粗集料为辉绿岩，细集料为石灰岩，矿粉采用优质石灰岩磨制而成。采用具有良好骨架结构且空隙率较大的SMA-13级配中值[13]，TLA的掺量采用0、10%、20%、30%(质量比)，采用《沥青混合料试件制作方法(击实法)》(T0702—2011)[14]制备成4种类型的试件。对成型的混合料进行稳定度、水稳定性、动稳定度等方面的室内试验，结果见表6，表中的油石比数据均指掺加的TLA改性沥青的比例。

表6 混合料性能试验结果Table 6 Test results of mixture performance

可以看出，采用了TLA/SBS复合改性的沥青混合料性能均可以满足要求，并且由于TLA中含有灰分，所以TLA复合改性沥青的掺量要比通常的改性沥青掺量高约9%。随着TLA掺量的加大，混合料的各项性能均得到了一定程度的提升，特别是动稳定度、水稳性增加明显，但随着TLA掺量的加大到30%，各项性能指标特别是稳定度、动稳定度、水稳性都有了较大幅度的降低，综合看来，TLA存在一个最佳掺量，故其最佳掺量在20%，不宜超过这个比例。

2.2 低温抗裂性能

为评价TLA掺量对TLA/SBS复合改性沥青混合料低温性能的影响，采用《公路工程沥青试验规程》[JTG E20—2011(T0715—2011)]进行弯曲梁试验，试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm(长×宽×高)，跨径为200 mm，加载速率为50 mm/min，分别测试-15、-10、-5、0、5、10、15 ℃ 7种温度下不同TLA掺量对混合料试件的影响。每个试件做3个，根据试验取其平均值作为结果。得到试件破坏时的抗弯拉强度RB、梁底最大弯拉应变εB及弯曲劲度模量SB如图4所示。

图4(a)中，混合料的抗弯拉强度是随着TLA掺量的增加而变大，当掺量达到20%时，性能指标达到了最大，而一旦超过20%时，性能指标开始下降，这是因为随过多的TLA加入，混合料的整体强度开始降低。当温度越高时，混合料的抗弯拉强度逐渐下降。

图4 弯曲梁试验结果Fig.4 Test results of curved beams

图4(b)中，混合料的最大拉应变是随着TLA掺量的增加呈现出先增加而后降低的趋势，当温度在-10 ℃时，20%TLA的混合料的最大拉应变最大；当温度在-15 ℃时，20%TLA的混合料的最大拉应变最大，相对于未掺加TLA的混合料提高了51%，说明TLA掺量合适时，可以显著地改善混合料的柔韧性，提高其低温变形的能力。可以看出，在SBS掺量一定的情况下，TLA掺量低(0、10%)适合冬温和冬冷区，TLA掺量高(20%、30%)则适合冬寒和冬严寒区。

图4(c)中，在不同的试验温度下，不同TLA掺量下的混合料弯曲劲度模量基本是呈现出一种下降的趋势，而且温度越低，下降的趋势愈加明显。

2.3 抗疲劳性能

沥青混合料的劈裂疲劳性能是指其在一定间接拉伸应力反复作用下达到疲劳破坏所能承受的荷载次数。按TLA不同掺量各制作5个试件(尺寸为Φ101.6 mm×63.5 mm，马歇尔标准击实法成型)，其中1个试件进行间接拉伸试验，试验温度在-10 ℃，加载速率为1 mm/min，以确定该掺量条件下的劈裂强度指标。其余的4个试件则根据劈裂强度确定3种应力水平(取0.3、0.5、0.7)，在MTS-810材料测试系统上进行疲劳试验，试验温度为15 ℃，加载速率为50 mm/min，试验的频率为10 Hz，获得不同应力状态下的疲劳寿命。疲劳寿命根据变形曲线上的突变点来确定，试验结果见图5。

作为沥青路面的表面层，在车辆荷载作用下，材料所受的拉应力一般不会达到0.4以上。从图5可以看出，在应力比水平在0.4以下，未添加TLA混合料的疲劳寿命小于10%TLA混合料寿命，且两者均远小于20%、30%TLA掺量的混合料，后两者的疲劳寿命性能基本相当，平均在12 800次左右，这说明混合料具有良好的抗疲劳性能。

图5 疲劳寿命与应力比关系Fig.5 Relationship between fatigue life and stress ratio

2.4 动态模量

为了验证不同类型混合料的动态模量变化规律，采用超声纵波法进行测试。实验设备有BCL-2型超声波检测仪、汕头100k-P40F超声换能器，便携式Tektronix TDS1002型示波器。所用换能器为超声纵波换能器，在其表面涂上黄油作为耦合剂，其目的是使换能器和试件接触良好，以保证声波能够正常地传递。试件尺寸为300 mm×260 mm×50 mm，换能器在试件宽度方向中间位置选取相邻的3个位置进行测量。

测出声波传播的时间，然后取3次平均值。时间读数已扣除因为探头、电缆、仪器引起的电延时，对不同掺量的TLA/SBS混合料进行了动态模量的测试，结果如图6所示。

图6 动态模量变化Fig.6 Dynamic modulus change

测试结果表明，TLA/SBS复合改性后的沥青玛蹄脂碎石混合料(stone mastic asphalt，SMA)路面动态模量随着TLA掺量的增加明显降低，TLA的掺量和动态模量之间呈线性关系，采用SMA(TLA含量为0、10%、20%、30%)4种材料类型的实验数据进行线性回归，具有良好的线性相关性，TLA掺量为30%时动态模量最小。