TLA掺量对ATB-25混合料路用性能的影响

刘冉冉， 杨春景

(黄河水利职业技术学院 水利系， 河南 开封　475004)



TLA掺量对ATB-25混合料路用性能的影响

刘冉冉， 杨春景

(黄河水利职业技术学院 水利系， 河南 开封475004)

以小型加速加载试验(MMLS3)、小梁弯曲试验为基础试验平台，研究了特立尼达湖沥青掺量对沥青稳定碎石混合料的高低温性能以及疲劳性能的影响。试验结果表明：TLA的添加可显著改善ATB混合料的高温稳定性，10%TLA掺量可使ATB混合料疲劳寿命提高1倍；掺加5%、7.5%、10% TLA，可使ATB混合料的最大弯拉应变分别增加10.4%、21.2%、13.6%，最大弯拉应变和破坏应变能随TLA掺量的增大呈抛物线变化规律；TLA改性ATB混合料疲劳寿命远大于基质沥青，且随着TLA掺量增加，改性沥青混合料的疲劳试验双对数拟合截距K值增大，斜率n值减小。

路面工程； 特立尼达胡沥青； 沥青稳定碎石混合料； 路用性能

0　前言

随着交通事业的快速发展，车辆轴载加大，沥青路面的损害较为严重。为了提高沥青路面的承载能力，ATB沥青混合料得到了广泛的应用，目前，学者们普遍对ATB沥青混合料的性能、设计方法及应用技术等方面进行了较多的研究，研究结果表明，在ATB混合料设计过程中，只要能保证形成骨架密实结构，就能很大程度地提高其路用性能，抵抗较大的剪切变形与塑性变形[1-4]。一般沥青路面中，ATB-25主要用于下面层，对于一级公路、二级公路等二层式结构，ATP-25可作为沥青路面下面层，尤其在重载交通量大的一、二级公路，采用天然沥青改性沥青混合料也越来越普遍。本文拟采用特立尼达湖沥青(Trinidad Lake Asphalt 简称TLA)改性ATB方案，来提高ATB混合料的综合路用性能。TLA作为一种经济环保的沥青改性剂，在随着国家环保意识的增强而备受瞩目，其在路面工程中的应用也越来越多。自1998年我国首次引进采用TLA以来，国内许多高校和科研机构都开展了对天然沥青的研究工作，也取得了一些重要的研究成果[5-7]，然而这些成果主要集中在针对天然沥青的常规路用性能研究，还没有对天然沥青改性沥青混合料的长期路用性能进行系统性研究，对于天然沥青改性ATB混合料的研究也鲜有报道，而采用铺筑试验路研究天然沥青混合料的路用性能变化规律，需要花费大量的研究经费，研究时间也相对较长，且试验结果易受外界环境、施工技术水平和测量水平的影响[8]，针对以上问题，本文以小型加速加载试验设备(MMLS3)和小梁弯曲试验为基础试验平台，研究了TLA改性ATB混合料的长期使用性能，研究结果可为ATB混合料在路面工程中的推广应用提供理论指导。

1　原材料技术特性

1.1基质沥青

试验采用克拉玛依70#基质沥青，沥青的性能进行了试验检测，试验结果见表1。

表1 70号重交通石油沥青技术指标及要求Table1 70heavytrafficasphaltspecificationsandrequire-ments试验项目指标要求试验结果试验方法针入度(25℃,5s,100g)/(0.1mm)60～8074T0604延度(5cm/min,15℃)/cm≥100>100T0605延度(5cm/min,10℃)/cm≥2057T0605RTFOT后质量变化,不大于/%±0.80.21T0609残留针入度比(25℃)/%≥6164T0604残留延度(15℃)/cm≥1529T0605

1.2特立尼达胡沥青(TLA)

特立尼达胡沥青因产于南美洲特立尼达岛而得此名。TLA所含地沥青的针入度极小，加热后很难直接与集料拌合均匀，因而不能直接使用，一般是作为改性剂与基质沥青掺配使用。现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)还没有给出TLA的技术质量要求，本文参考美ASTM D5710提出的参考质量标准标对选用的TLA进行了检测，结果见表2。

表2 TLA湖沥青试验检测结果Table2 TLAlakeasphalttestresults检测指标检测结果参考技术要求天然沥青含量/%63.3—灰分含量/%36.735～38密度/(g·cm-3)1.3171.3～1.5软化点/℃99.4≥90针入度/(0.1mm)1.40～5

考虑到粒径、细度等对天然沥青改性沥青混合料拌合均匀性的影响，对于以“干法”工艺使用的TLA天然沥青，筛分试验结果及相关技术要求见表3。

表3 TLA天然沥青筛分试验结果Table3 TLAnaturalasphaltscreeningtestresults筛孔尺寸/mm通过百分率/%筛分结果规范要求4.751001002.369290～1000.61310～300.0757.3—

2　TLA改性ATB-25混合料配合比设计

2.1确定混合料合成级配

如表4所示，试验选用ATB-25中值级配，粗集料选用玄武岩，细集料选用石灰岩，对所有矿料进行严格筛分，然后采用逐级回归的方法配置混合料。

表4 ATB-25沥青混合料的合成级配Table4 ATB-25syntheticasphaltgrading筛孔尺寸/mm通过百分率/%上限下限中值31.510010010026.51009095198060701668485913.26242529.55232424.754020302.363215301.18251023.50.6188130.314514.50.151036.50.075624

2.2确定最佳沥青用量

参考厂家提供的最佳TLA掺量范围，初步确定TLA掺量为5%、7.5%、10%(以上掺量均为TLA与基质沥青的质量比)。分别对不同湖沥青掺量的改性沥青混合料进行马歇尔试验，以马歇尔体积参数和力学指标为设计指标确定TLA湖沥青改性ATB混合料最佳沥青用量。马歇尔试验时采用“干法”掺配工艺添加湖沥青，混合料拌和时首先将TLA与集料一起干拌90 s后，使其分散均匀，接着加入基质沥青，拌和90 s，拌和均匀后控制混合料温度在170～175 ℃，马歇尔试件的击实温度应控制在160～170 ℃。混合料配合比设计结果见表5。

由配合比设计结果可知：天然沥青的加入会对沥青混合料的最佳油石比产生一定的影响。从最佳油石比大小来看，TLA改性沥青混合料最佳沥青用量大于基质沥青混合料，且随着TLA掺量的增加，改性ATB混合料最佳油石比有增大趋势，这主要是受灰分的影响；空隙率方面，TLA改性沥青混合料的空隙率明显大于基质沥青混合料，分析其原因主要是，加入TLA湖沥青后，沥青胶浆黏度增大，不能充分填充空隙且压实困难的缘故；比较马歇尔稳定度可以发现，添加TLA后，改性沥青混合料马歇尔稳定度远大于基质沥青混合料，随着TLA掺量的增大，改性沥青混合料马歇尔稳定度有增大趋势，流值有减小趋势。

表5 TLA改性ATB-25混合料马歇尔试验结果Table5 TLAmodifiedATB-25mixesmarshalltestresultsTLA掺量/%最佳油石比/%VV/%VMA/%VFA/%MS/kNFL/mm03.104.0114.463.08.63.25.03.224.3415.362.610.72.47.53.324.4215.262.412.92.6103.374.3415.962.312.52.5

3　TLA改性ATB混合料高温稳定性

3.1试验条件

试验采用MMLS3小型加速加载设备对TLA掺量对ATB沥青混合料的长期使用性能进行了对比研究。参考孙晓力等人的研究成果[9-12]，加速加载试验条件如下： ①试件制备：在最佳沥青用量下成型高95.3 mm标准大马歇尔试件，取试件中间5 mm厚部分，按照标准试模尺寸切割试件； ②试验荷载：加速加载试验时，参考我国沥青路面设计时采用的单轴双轮组0.7 MPa标准荷载，本次试验采用的轴载为0.7 MPa； ③加载速率：为了较好模拟行车荷载对路面结构的作用，特别是重车的作用，加载速率统一采用6 000次/h，不同加载频率与实际车速对应表见表6； ④加载次数：MMLS3加速加载设备可测试并记录不同加载次数时各现场试件的车辙深度，进而得到各试件车辙深度随轴载次数的变化规律。根据北美研究成果，可将车辙的发展过程归纳为3个阶段，即：压密阶段、蠕变稳定阶段、破坏阶段，如图1所示，本文以加速加载试验蠕变稳定阶段与破坏阶段转折点处的加载次数作为试验试件的疲劳寿命。

3.2试验结果及分析

考虑到ATB通常用于高速公路沥青路面基层，本文采用45 ℃加速加载试验研究TLA掺量对ATB混合料抗永久变形能力的影响。加速加载试验前首先对试件进行预热，45 ℃保温3 h后进行试验。记录车辙深度随加载次数的变化规律，进而对试验结果进行汇总，结果见图2。

表6 加速加载试验加载速度与转次对应一览表Table6 Acceleratedloadingloadingspeedcorrespondinglistandtransfertimes速度V/(km·h-1)转次/(次·h-1)速度V/(km·h-1)转次/(次·h-1)32400756004320086400540009720064800

图1　车辙的形成过程Figure 1　Rut formation process

图2　加速加载试验车辙深度随加载次数的变化规律Figure 2　　　　Accelerate rut depth variation of load test with loading times

研究分析45 ℃条件加速加载试验结果可以发现，4种方案下ATB混合料试件在加载10万次前，随着加载次数的增加，车辙深度发展较快，这表明混合料处于压密变形阶段。压密变形阶段之后混合料进入蠕变稳定阶段，比较蠕变稳定阶段车辙变形量可以发现，车辙变形率依次是：基质沥青>5%TLA>7.5%TLA>10%TLA改性ATB沥青混合料，各混合料试件进入剪切失稳阶段加载次数分别大约为50万、80万、90万、100万次，故加入TLA湖沥青后可改善ATB混合料的高温稳定性，10%TLA掺量可使ATB混合料疲劳寿命提高1倍。

4　TLA改性ATB混合料低温抗裂性

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的要求成型车辙板，切割为30 mm×35 mm×250 mm的小梁试件，试验前将试件放在恒温环境箱中在-10 ℃下保温不少于4 h，试验时采用单点加载方式，支点间距200 mm，加载速率为50 mm/min，记录破坏荷载和破坏应变，以破坏应变指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见表7所示。

表7 TLA改性ATB混合料低温弯曲试验结果Table7 TLAmodifiedATBmixatlowtemperatureben-dingtestresultsTLA掺量/%抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa08.782205.643980.705.010.452435.874290.057.511.602673.474338.931011.172505.424458.33

相关研究结果表明：沥青混合料中储存的弹性应变能越多，其低温抗裂性能就越好。由于沥青混合料都具有一定的能量储存能力，这种储存容量可直接用试验的方法确定，简称破坏能。简单的说如果沥青混合料试件破坏时消耗的能量越大，那么其低温抗裂性能就越好。根据沥青混合料的破坏根据沥青混合料的破坏能的定义，可以将其单位体积的破坏能表示为式(1)：

(1)

通过对低温弯曲试验结果曲线分析发现，3次多项式可以较好地模拟低温弯曲试验上升阶段的应力-应变关系。即：

δ=A+B1X+B2X2+B3X3

(2)

式中：A、B1、B2和B3表示回归后的材料参数，将式(2)代入式(1)中，就可以计算出沥青混合料的破坏应变能。

(3)

不同TLA掺量ATB混合料单位体积破坏能计算结果见图3。

图3　不同TLA掺量ATB混合料单位体积低温破坏能Figure 3　　　　ATB mix different TLA dosage unit volume low damage energy

由图3试验结果可知：随着TLA掺量的增加，ATB混合料抗弯拉强度增大，劲度模量增大；ATB混合料单位体积低温破坏能、最大弯拉应变随TLA掺量的增加呈先增大后减小的抛物线变化趋势。掺加5%、7.5%、10% TLA，可使ATB混合料的最大弯拉应变分别增加10.4%、21.2%、13.6%，对于单位体积应变能也有类似变化规律，可见TLA可改善ATB混合料的低温抗裂性，从弯曲应变能随TLA掺量的变化规律来看，适宜的TLA掺量为7.5%。由于天然湖沥青的分子量较大，当其在高温及小分子包围作用下，易造成天然湖沥青大胶束的破裂，使其暴露出更多活性点，而这些活性点将与混合料中的小分子物质结合形成半聚合作用，这不仅增强了TLA与基质沥青的相容性，此外，掺加TLA后改性沥青混合料最佳沥青用量增大，TLA加强了胶浆与集料之间的粘附性，这可以抵消因粘度增大而降低的那一部分低温变形能力。

5　TLA改性ATB混合料低疲劳性能

采用三点加载小梁疲劳试验评价RET改性沥青混合料的抗疲劳耐久性，试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定轮碾法成型并切制成4 cm×4 cm×25 cm试件，疲劳试验条件如下：

加载波形和频率：10 Hz连续式正弦波；

加载方式：中点加载，有效间距20 cm，应力控制方式；

试验环境：15 ℃保温箱；

应力水平：0.2、0.3、0.4、0.5应力比。

图4　TLA改性沥青混合料疲劳试验双对数拟合结果Figure 4　　　　TLA modified asphalt mixture fatigue test double logarithmic fitting results

从图4试验结果可以看出：掺加TLA后的改性沥青混合料疲劳寿命远大于基质沥青混合料，且随着TLA掺量增加，改性沥青混合料的疲劳试验双对数拟合截距K值增大，斜率n值减小，表明TLA的添加可改善沥青混合料对应力水平变化的敏感性。因此合理的TLA掺量可显著改善沥青混合料的抗疲劳性能。

6　结论

① TLA的加入会对ATB混合料的马歇尔体积指标和力学指标产生一定的影响，随TLA掺量的增大，ATB-25混合料的最佳油石比增大，稳定度提高，流值减小，以马歇尔法确定的最佳油石比对应的各项指标均满足规范要求。

② 加速加载试件车辙深度与隆起高度均随着加载次数的增加而增大，而且形成类似“W”型断面，这与已有路面横断面测量数据相吻合，室内加速加载试验可较好模拟实际车辆荷载对沥青路面的破坏作用；加入TLA可显著改善沥青混合料的疲劳性能和高温稳定性。

③ 综合考虑TLA改性ATB-25混合料的长期路用性能以及工程的经济效益，推荐实际工程运用ATB混合料的最佳TLA掺量为7.5%。

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The Affect of TLA Content on Road Performance of ATB-25 Mixes

LIU Ranran， YANG Chunjing

(Yellow River Conservancy Technical College of Water Resources Department， Kaifeng， Henan 475004， China)

this article use MMLS3、 trabecular bending test as test platform to study the effects of Trinidad Lake bitumen content on high and low temperature performance，and fatigue properties.of ATB-25 Mixes.The results showed that：the add of TLA can significantly improve the high temperature stability ATB mix，after add 10% TLA can increase the fatigue life of ATB-25 1 times；adding 5%、 7.5%、10% TLA，ATB can mix the maximum bending material tensile strain increased 10.4%、21.2%、13.6%，the maximum bending tensile strain and damage strain energy with increasing dosage of TLA parabolic variation；TLA modified ATB mix asphalt is much larger than the fatigue life，and with the TLA content increases，the fatigue test double-modified asphalt mixture fit logarithmic interceptKvalue increases，the slope of thenvalue decreases.

pavementengineering； trinidad lake asphalt； asphalt stabilized macadam mixture； road performance

2015 — 01 — 19

刘冉冉(1983 — )，女，河南郑州人，硕士研究生，研究领域：安全工程技术。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0302 — 05