TLA/SBR 复合改性沥青与混合料性能研究

2021-05-13任非

新型建筑材料 2021年4期

任非

（1.河南科技大学应用工程学院，河南三门峡 472000；2.三门峡职业技术学院，河南三门峡 472000）

0 引言

近年来，我国大部分地区沥青路面面临着早发性车辙病害问题，尤其对于高温多雨湿热区，其中车辙深度大于5 mm和10 mm 的路段里程分别超过75%和20%，受频发的极端高温天气影响，全国范围内沥青路面流动型车辙、剪切失稳型车辙普遍存在[1-3]。低温开裂是我国北方地区路面的典型病害，受降雨雪和盐冻侵蚀作用劣化影响，低温、水、荷载耦合作用导致沥青路面破损严重。为了满足极端气候环境和重载车辆荷载作用下沥青路面的使用性能和抗疲劳损伤耐久性要求，通过掺加改性剂是确保沥青路面在高温、低温、水等作用下能够保持整体稳定性的有效措施[4]。

特立尼达沥青（TLA）是一种优质的硬质沥青，其软化点高、针入度接近0，含有氮、氧、硫等元素，可提高沥青路面的抗老化和抗水损害性能[5-8]，TLA 是石油基的固体，与沥青相容性好，改性后的沥青混合料性质更为稳定，并且TLA 的干法改性工艺使改性沥青混合料的制备工艺简单、施工方便。然而，传统的天然沥青干法及湿法改性工艺都存在沥青混合料低温抗裂性能不足的问题，难以在冬寒区应用[9-11]。对此，国内学者开展了大量有关TLA 复合改性沥青方面研究，自北京首都机场TLA 复合SBS 改性沥青试点工程成功后，通过掺加改善低温性的改性剂来弥补TLA 低温性能缺陷已成为研究热点[10-14]，为TLA 的推广应用奠定了基础。

SBR 改性剂因其优异的低温性能和较低的价格优势而广泛应用于我国冬严寒区[15]，但是，受近年来全国范围内夏季普遍突发的高温天气影响，我国北方也出现了严重的沥青路面车辙病害，这导致SBR 改性剂的应用受到限制。为了充分利用SBR 突出的低温性能和TLA 优异的高温性能与水稳定性，实现两者的优势互补。本研究将TLA 与SBR 进行复合改性，通过二者复合改性沥青胶结料试验和混合料路用性能试验测试，优化了适宜的TLA 与SBR 掺量，并验证了TLA/SBR复合改性沥青混合料的疲劳性能。研究成果可为TLA 在北方寒区及SBR 在南方湿热区的应用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）TLA：外观为黑色粉末状颗粒，其硬质沥青含量为68.2%，硬质沥青中的沥青质含量40.1%、胶质含量26.8%、芳香分含量22.4%、饱和分含量10.7%，其4.75、2.36、1.18、0.6 mm 筛孔通过率分别为100%、96.7%、89.4%、34.2%，其主要技术性能符合JT/T 860.5—2014《沥青混合料改性添加剂第5部分：天然沥青》要求，见表1。

表1 TLA 的主要技术性能

（2）SBR 改性沥青：采用Shell 成品4.5%SBR 改性沥青，在Shell 成品4.5%SBR 改性沥青中添加基质沥青，调配出2.5%、3.5%、4.5%SBR 改性沥青，2.5%～4.5%SBR 改性沥青的性能见表2。

表2 SBR 改性沥青的主要技术性能

1.2 TLA/SBR 复合改性沥青的制备

将不同掺量的TLA（10%、20%、30%、40%）分别掺入SBR（2.5%、3.5%、4.5%）改性沥青中制备TLA/SBR 复合改性沥青。由于TLA 是石油基的固体，故TLA 与SBR 改性沥青的相容性较好。将SBR 改性沥青在红外线加热电炉上加热至160℃，然后加入TLA 后升温至175 ℃，以600～800 r/min 速率搅拌10～15 min 即可完成TLA/SBR 复合改性沥青的制备。

2 TLA/SBR 复合改性沥青的性能评价

2.1 针入度指标体系性能

针入度指标体系试验参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》、JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》进行，试验结果见表3。

表3 不同TLA 与SBR 掺量TLA/SBR 复合改性沥青的针入度指标体系性能

由表3 可知：（1）随着TLA 掺量的增加，TLA/SBR 复合改性沥青针入度减小，同时软化点升高；相对而言，增加SBR 掺量对复合改性沥青针入度和软化点的影响并不大。在2.5%、3.5%、4.5%SBR 改性剂掺量下，TLA 掺量由10%增加至40%时，TLA/SBR 复合改性沥青的针入度分别减小了42.5%、43.6%、46.1%，软化点分别升高了38.2%、38.6%、39.7%。分析认为，TLA 中的硬质沥青软化点高、针入度接近0，TLA 中的硬质沥青溶解于SBR 改性沥青中，改变了SBR 改性沥青的稠度和胶体结构，使得复合改性沥青中的沥青质、胶质比例增大。（2）随着TLA 掺量的增加，TLA/SBR 复合改性沥青的延度减小，TLA/SBR 复合改性沥青的5 ℃延度值均偏小，增加SBR掺量有助于增大复合改性沥青的延度，TLA 对复合改性沥青的低温性能有不利影响。（3）随着TLA 和SBR 掺量的增加，复合改性沥青的48 h 离析软化点差增大，由于TLA 中的微粒状灰分悬浮于复合改性沥青中，受密度和溶解度的差异影响，灰分因发生沉降而产生聚集现象，导致试样上下部性能差异，因此TLA/SBR 复合改性沥青不宜采用湿法改性工艺。（4）随着TLA 掺量的增加，TLA/SBR 复合改性沥青在高温性能改善的同时，也会导致拌和温度的升高和施工难度增大，以135 ℃运动黏度不大于3.0 Pa·s 为约束条件，TLA 的最大掺量为30%。

综上可知，掺加TLA 对SBR 改性沥青的影响主要有2个方面：（1）TLA 中的硬质沥青增加了SBR 改性沥青的黏稠度和胶体结构，赋予SBR 改性沥青更高的硬度、热塑性和凝胶性状，这有助于改善SBR 改性沥青的高温性能。（2）TLA 中的灰分颗粒组成类似矿粉，由于TLA 中的硬质沥青溶解于SBR 改性沥青后灰分析出，灰分的密度远大于沥青，最终灰分悬浮于TLA/SBR 改性沥青中，并最终沉淀于复合改性沥青底部，因此传统的针入度指标并不能很好地表征TLA 改性沥青的性能。此外，TLA 中的灰分因分散不均匀而产生聚集现象，在延度试样在拉伸过程中，SBR 改性沥青的较大变形能力和TLA 颗粒的低流动性之间存在矛盾，灰分聚集处可能会产生应力集中现象，造成延度试样产生脆断，导致低温延度普遍较小。

2.2 TLA/SBR 复合改性沥青的粘附性

采用日本KYOWA 生产的FAC-1000 型光学接触角测量仪测试20%、30%TLA 与2.5%～4.5%SBR 复合改性沥青的表面自由能，以评价TLA/SBR 复合改性沥青的粘附性。试验温度为20 ℃，试验结果见表4。

表4 不同TLA 与SBR 掺量TLA/SBR 复合改性沥青的粘附性能

由表4 可知，随着TLA 和SBR 掺量的增加，TLA/SBR 复合改性沥青的色散分量和极性分量均增大，表面自由能随之增大，研究表明，表面自由能越大，沥青与集料的粘附性越好，相应的沥青混合料抗水损害性能越优，掺加TLA 与SBR 能改善沥青的粘附性，提高沥青混合料的水稳定性。增加TLA掺量时复合改性沥青的表面自由能增大，这主要是TLA 中的灰分微粒有一定的活性，并且灰分中富含纳米级碳酸钙微粒，碱性的灰分微粒能够与酸性沥青形成良好的吸附强度，二者接触界面能够形成机械咬合和化学吸附，这有助于提高集料与沥青的界面黏附强度，改善沥青混合料的抗水损害性能。

3 TLA/SBR 复合改性沥青混合料的性能

试验选用JTG 5142—2019《公路沥青路面养护技术规范》规定的CPA-10 矿料级配中值，考虑TLA 中灰分可替代部分0～0.6 mm 细集料，根据工程经验，将0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm筛孔的通过百分率较CPA-10 的中值均降低了1%。采用20%、30%TLA 与2.5%、3.5%、4.5%SBR 共6种复合改性沥青胶结料。混合料制备时将TLA 直接投入沥青混合料拌合锅，增加了TLA 与集料预拌30 s 工艺，试验温度控制和其余工艺均与制备SBR 改性沥青混合料相同，按照JTG 5142—2019、JTGF 40—2004 的要求进行配合比设计，结果见表5。

表5 CPA-10 矿料级配沥青混合料的配合比设计

由表5 可知，TLA 的掺量增加时，复合改性沥青混合料的最佳油石比减小，这是因为TLA 中含有68.2%硬质沥青，能替代部分石油沥青。6种复合改性沥青的各项体积指标、马歇尔强度、沥青膜厚度和分散质量损失均满足JTG 5142—2019指标要求，其中分散质量损失远小于15%，马歇尔稳定度比规定限值增大了81.7%以上，TLA/SBR 复合改性沥青用作超薄罩面沥青混合料的高粘改性沥青。

3.1 路用性能

按照JTG F40—2004 要求测试不同TLA 与SBR 掺量TLA/SBR 复合改性沥青混合料的路用性能，试验方法参照JTG E20—2011 进行，试验结果见表6。

由表6 可知：

（1）6种TLA/SBR 复合改性CPA-10 沥青混合料的动稳定度均远优于JTG 5142—2019 规定的大于2000 次/mm 的指标要求。SBR 掺量增加时，沥青混合料的动稳定度略有增大，但总体上SBR 对CPA-10 改性沥青混合料的高温性能改善不明显。在2.5%、3.5%、4.5%SBR 掺量下，当TLA 掺量由20%增加至30%时，复合改性沥青混合料的动稳定度分别增大了53.7%、50.7%、50.9%，车辙深度分别减小了13.6%、14.6%、11.5%。掺加20%、30%TLA 后，复合改性沥青混合料的动稳定度分别比4.5%SBR 改性沥青混合料提高了3.7、6.3 倍以上，车辙深度减小了1.1、1.5 倍以上。6种TLA/SBR 复合改性CPA-10 沥青混合料均表现出优异的高温性能。TLA 对SBR改性沥青混合料高温性能的改善作用主要体现在：TLA 中的硬质沥青其针入度低、软化点高，TLA 受热后析出的硬质沥青对SBR 改性沥青起到增黏、增稠、增韧作用，从而有利于提高沥青混合料的高温抗车辙动稳定度、减小车辙深度。

表6 不同TLA 与SBR 掺量TLA/SBR 复合改性沥青混合料的路用性能

（2）在2.5%、3.5%、4.5%SBR 掺量下，TLA 掺量由20%增加至30%时，复合改性沥青混合料的极限弯曲应变分别减小了6.6%、4.5%、5.5%，表明TLA 对SBR 改性沥青混合料的低温抗裂性能有不利影响。当SBR 掺量较低时，与传统TLA 改性沥青混合料相似，都存在沥青混合料低温抗裂性能不足问题，因而难以在冬寒区推广应用。分析其原因，一方面，TLA 的硬度大、脆性大、低温延展性差，导致其改性沥青混合料的柔韧性差，对沥青混合料低温性能的改善效果不佳；另一方面，接触角试验表明，TLA 中灰分能够提高沥青的粘附性，这有利于改善混合料的整体抗裂性能，但其对沥青混合料柔韧性的劣化作用大于增强作用，故低温性能仍呈降低。总体上，TLA对SBR 改性沥青混合料低温性能的不利影响也不太明显。当SBR 的掺量达到3.5%时，TLA/SBR 复合改性沥青的弯曲应变大于3400×10-6，符合JTG 5142—2019 规定的弯曲应变大于2800×10-6的要求。因此从低温性能考虑，复合改性沥青中的SBR 的掺量应不小于3.5%。TLA 的掺量为20%、30%，SBR 掺量由3.5%增大至4.5%时，复合改性沥青混合料的弯曲应变分别增大了7.3%、6.1%，从经济性考虑，对于我国冬寒区及以下气候区划内，SBR 掺量以3.5%较为适宜，而对于冬严寒区，可考虑增加SBR 掺量至4.5%。

（3）6种TLA/SBR 复合改性沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度比和冻融劈裂强度比均大于95%，表现出了优异的水稳定性，这也验证了接触角试验的结论，掺加TLA 能有效提高沥青混合料在高温浸水和低温冻融环境下的水稳定性。

3.2 悬臂梁疲劳试验结果

按照EN 12697—2001《LCPC 沥青混合料设计指南》进行悬臂梁疲劳试验，试验条件为：10 ℃、10 Hz，应变水平分别为130、300、600、900 με，试验结果见表7。

表7 TLA/SBR 复合改性沥青混合料的悬臂梁疲劳试验结果

由表7 可知，随着TLA 和SBR 掺量的增加，复合改性沥青混合料的疲劳寿命延长，掺入TLA 和SBR 均能显著延长沥青混合料的抗疲劳性能。根据EN 1269—26 要求，在130 με 应变水平下，沥青混合料的疲劳寿命应大于130 万次。当SBR 掺量不小于3.5%时，20%、30%TLA 与SBR 复合改性沥青混合料的疲劳寿命均大于130 万次，符合EN 12697—2001要求。在130、300、600、900 με 应变水平下，SBR 掺量由2.5%增加至4.5%时，20%TLA 复合改性沥青混合料的疲劳寿命分别延长了66.8%、85.6%、102.4%、130.2%，30%TLA 复合改性沥青混合料的疲劳寿命分别延长了68.3%、69.1%、71.6%、79.9%，表明增加SBR 掺量以有显著延长复合改性沥青混合料的疲劳寿命。这主要是橡胶类SBR 具有优异的延伸性和应力释放性能。在130、300、600、900 με 应变水平下，TLA 掺量由20%增大至30%时，2.5%SBR 复合改性沥青混合料的疲劳寿命分别延长了15.5%、44.5%、32.9%、77%，3.5%SBR 复合改性沥青混合料的疲劳寿命分别延长了32.2%、31.6%、27.6%、81.5%，4.5%？SBR 复合改性沥青混合料的疲劳寿命分别延长了38.8%、25.1%、12.7%、38.3%。掺入20%TLA 后，在130、300、600、900 με应变水平下，4.5%SBR 改性沥青混合料的疲劳寿命分别延长了38.8%、44.4%、62.5%、99.8%；同样条件下，掺入30%TLA后，4.5%SBR 改性沥青混合料的疲劳寿命延长幅度达75.9%～176.4%。由此可见，通过将TLA 与SBR 复配，能明显改善沥青混合料的抗疲劳性能，延长沥青路面的使用寿命。