TLA改性沥青及其混合料路用性能研究

李宁

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

聚合物改性剂如SBS和PE不易与沥青相容，需较大投资，运输和储存不便；化学方法改性沥青在路面大修阶段难以回收再生，且大量实际应用表明，SBS改性沥青虽然整体上提高了路面的使用性能，但仍难以避免开裂、水损坏和车辙等常见病害，应用受到一定限制。特立尼达湖沥青(TLA)以其优越的性能逐渐获得关注，但对其研究不够完善。该文结合广东佛山一环东线，将不同掺量TLA加入埃索A级70#基质沥青进行改性，分析其性能变化，同时分别掺入40%TLA、4%SBS和PE制作改性沥青，针对改性沥青在实体工程中可能应用的沥青路面表面层及中面层，按照湿热地区重交通道路通常采用的级配对AC-13C及AC-20C进行马歇尔试验确定最佳油石比，进而对其路用性能进行研究，并对实际应用路段进行跟踪检测，分析TLA改性沥青的适用性。

1 TLA改性沥青性能分析

1.1 TLA改性沥青技术指标分析

为分析不同掺量TLA与基质沥青混合后改性沥青的使用性能，分别选取TLA掺量0、20%、40%、60%、80%、100%进行改性，掺量为零时为基质沥青的技术指标，掺量为100%时为TLA的技术指标。高温稳定性根据软化点和针入度来评价；感温性能用PI值来显现；改性沥青的延展度和塑性有较大联系，可用来评价其低温性能。各掺量TLA改性沥青的主要技术指标见表1和图1。

表1 不同掺量TLA改性沥青的主要技术指标

图1 不同掺量TLA改性沥青的技术指标及黏度

从表1和图1可看出：TLA掺量增加，软化点在掺量0～80%的范围内升高，上升幅度相对平稳；针入度呈连续下降趋势，由于掺量等比例增加，针入度与掺量之间接近成线性关系；PI值也一直升高。说明增加TLA掺量，可改变基质沥青的高温稳定性和感温性能。另一方面，掺量增大，与低温性能有很大联系的技术指标延度下降，且掺量达到80%时，改性沥青试件发生脆断，说明低温性能受到很大影响，直接发生破环。

1.2 TLA改性沥青SHRP性能试验

对不同掺量TLA改性沥青进行动态剪切试验，模拟在实验室里经过拌和老化后不同掺量TLA改性沥青的疲劳性能，并采用旋转黏度仪测定其黏度，继而通过低温弯曲试验分析其低温性能，结果见表2、图1。

表2 不同掺量TLA改性沥青SHRP试验结果

从表2可看出：原样沥青与RFTOT老化后试样的G*/sinδ随着TLA掺量的增大而增大，掺量为0、20%、40%、60%时，高温等级依次增大一个等级，而低温等级出现明显下降，掺量为20%时低温等级与原样沥青无明显差别；蠕变劲度也S随TLA掺量的增加不断升高，掺量过大则导致脆性，蠕变劲度随时间的变化率m值不断减小，S越大，m越小，路面易发生低温开裂破坏。

由图1可知：黏度在TLA掺量0～60%时不断增大，但增长速率较平缓，说明掺加TLA可改善沥青的高温稳定性，但掺量过大会影响施工和易性。

从TLA改性沥青各种使用性能出发，TLA掺量有一个合理范围，比例过大，低温性能和变形能力受影响的程度也增大，这两方面的性能越差；过低，则与基质沥青无明显区别。就佛山一环东线而言，TLA掺量为20%～40%较合理。在一定允许范围内加大掺量，高温、感温性能将得到提升，在保证其提升性能较良好的条件下将对低温性能的影响控制在最小程度，使其能更好地应用于实际。TLA改性沥青的低温性能无法达到SBS对沥青改性的效果，但由于TLA本身已经过了相当程度的老化，TLA改性沥青在抗老化性能方面更优。

2 配合比设计

粗、细集料采用广东产花岗岩，基质沥青与上述研究相同，分别掺入40%TLA、4%SBS和PE制作改性沥青，针对改性沥青在实体工程中可能应用的沥青路面表面层及中面层，按照湿热地区重交通道路常用级配对AC-13C及AC-20C进行马歇尔试验确定最佳油石比，级配曲线见图2，不同类型改性沥青混合料的最佳油石比见图3。3种改性沥青在相同级配条件下获得相同的体积指标时其最佳油石比基本一样。

图2 改性沥青混合料的级配曲线

图3 改性沥青混合料的最佳油石比

3 路用性能研究

3.1 高温稳定性

不同类型改性沥青混合料的车辙试验及APA试验结果见图4和表3。

由图4和表3可知：SBS改性沥青的动稳定度最大，TLA改性沥青次之，PE改性沥青最小；经过同等次数作用后，PE改性沥青发生的变形位移最大，达4.088 mm，抗变形能力最弱，SBS改性沥青的位移最小，TLA改性沥青的位移介于两者之间；使用同种改性沥青的AC-13C的变形略大于AC-20C。综上，SBS改性沥青的高温稳定性较好，TLA改性沥青次之，PE改性沥青的高温性能最差。

图4 改性沥青混合料的车辙试验结果

表3 改性沥青混合料的APA试验结果

3.2 水稳定性

为简化分析，只对AC-13C级配的改性沥青混合料试件进行冻融劈裂试验，水稳定性指标以冻融劈裂强度比来表征，结果见表4。

表4 改性沥青混合料的冻融劈裂试验结果

由表4可知：3种改性沥青混合料的冻融劈裂强度比TSR分别为82.6%、82.3%及87.9%，SBS改性沥青的TSR略大，水稳定性较好。3种类型路面同时受到水的侵蚀或影响时，TLA改性沥青和PE改性沥青路面较易发生水损坏，路面使用性能降低。总体上讲，3种改性沥青路面的水稳定性相差不大。

3.3 低温性能

在温度最低时进行低温弯曲试验，研究改性沥青路面在低温状况下抵抗路面收缩造成开裂破坏或其他病害的能力，以极限应变和弯拉模量来表征，结果见图5。

图5 改性沥青混合料的低温弯曲试验结果

由图5可知：TLA改性沥青的劲度模量最大，PE改性沥青次之，SBS改性沥青最小；极限应变则相反，SBS改性沥青最大，TLA改性沥青最小，但都满足要求。以低温性能为指标选择改性沥青种类，应优选SBS改性沥青，PE改性沥青可作为第二位次考虑。因TLA对基质沥青及混合料的低温性能成负相关关系，TLA改性沥青的低温性能最弱。

3.4 疲劳性能

采用3种改性沥青以同一级配(AC-13C)分别成型混合料试件，在相同荷载作用下进行拉伸疲劳试验及弯拉疲劳试验，试验温度为15 ℃，采用频率10 Hz连续式半正弦波荷载加载，荷载为100～300 N。试验结果见图6。

图6 改性沥青混合料的疲劳试验结果

由图6可知：1)SBS改性沥青的抗疲劳性能最弱，TLA改性沥青最强，PE改性沥青位于两者之间。这是由于三者的拉伸强度TLA改性沥青最大，PE改性沥青次之，SBS改性沥青最小，而疲劳试验是对沥青小梁在等应力(100～300 N)下进行的，拉伸强度越大，其寿命越长。2)SBS改性沥青的变形随时间变化增长最快，破坏也越快；TLA混合料的变形随时间增长最慢，破坏也相对较慢，即疲劳寿命最长。在该试验条件下试件并非由于强度降低而破坏，而是由于不堪过大的变形而破坏。疲劳寿命大小为TLA改性沥青>PE改性沥青>SBS改性沥青。

弯拉疲劳试验采用应力指标来控制时，试件所受荷载是一个弯拉反复的常应力，而试件产生的应变随着时间而增加。如图7、图8所示，不同混合料小梁在相同应力比下应变的增加幅度不同，应变随时间增加快，则疲劳破坏快，疲劳寿命越短。

图7 应力控制下应力随时间的变化

图8 应力控制下应变随时间的变化

如图9所示，TLA混合料小梁破坏明显。如图10所示，应力比为0.25时，TLA改性沥青的疲劳寿命最大，远高于另外2种改性沥青。应力比增大，三者间的疲劳寿命差距减小，应力比为0.6时，疲劳寿命几乎无异。TLA改性沥青小梁的弯拉模量比其他2种大得多，在作用相同的荷载时，产生的变形较小，故其疲劳寿命较长；SBS改性沥青的弯拉模量最小，故疲劳寿命最短。弯拉疲劳试验受应力指标控制时，弯拉模量大的疲劳寿命长于弯拉模量小的；在控制应变的模式下，结论相反。

图9 TLA改性沥青混合料破坏试件

图10 改性沥青混合料的小梁疲劳寿命

3.5 已建路面检测结果评价

佛山一环东线代表路段TLA改性沥青路面施工后检测结果表明：TLA改性沥青路面的高温稳定性、水稳定性与SBS改性沥青路面相差不大，40%TLA掺量改性沥青的高温性能与4%SBS改性沥青相当，但裂缝数量比SBS改性沥青路面多。对于南方地区尤其是广东湿热地区，SBS和TLA改性沥青均使用在面层，主要考虑高温性能，而二者的高温性能相当，从经济角度考虑，前者比后者每吨节省115元左右，价格上更具优势。但TLA在变形能力和低温性能方面与SBS改性沥青存在较大差距，建议将TLA改性沥青用于沥青路面的中下面层，避免路面后期潜在开裂风险。

4 结论

(1)TLA掺量应控制在一定合理范围内，比例过大会导致低温性能和变形能力受影响的程度增大，导致这两方面性能变差；过小，则路用性能与基质沥青无明显区别。就佛山一环东线而言，TLA的合理掺量为20%～40%。高温、感温性能可通过在一定允许范围加大掺量得到提升，在保证其他性能良好的条件下将对低温性能的影响控制在最小程度，让路面的综合性能处于最佳，使其能更好地应用于实际。TLA改性沥青的低温性能目前还无法达到SBS改性沥青的效果，但由于TLA本身已经过了相当程度的老化，TLA改性沥青在抗老化性能方面更优。

(2)高温稳定性和抗变形能力较好的是SBS改性沥青混合料，其次是TLA改性沥青，PE改性沥青最弱。TLA改性沥青和PE改性沥青的水稳性、低温抗裂性相当，其在水稳性方面与SBS改性沥青相比稍差，TLA改性沥青在低温性能方面与SBS改性沥青的差距较大。疲劳性能的好坏为TLA改性沥青>PE改性沥青>SBS改性沥青。

(3)TLA改性沥青实体工程的路用性能较好，尽管也存在一些不足，总体来讲可在一定程度上能克服公路沥青路面主要病害及降低工程造价，从经济性角度来说更具市场竞争力。