基于DSR和BBR试验的TLA改性沥青胶浆高低温性能研究

石越峰， 季 节， 索 智， 许 鹰， 徐世法

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院， 北京 100044； 2.北京市城市交通基础设施建设工程技术研究中心， 北京 100044； 3.首都世界城市顺畅交通协同创新中心， 北京 100044)



基于DSR和BBR试验的TLA改性沥青胶浆高低温性能研究

石越峰1，2， 季 节1，2， 索 智2，3， 许 鹰1，2， 徐世法2，3

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院， 北京 100044； 2.北京市城市交通基础设施建设工程技术研究中心， 北京 100044； 3.首都世界城市顺畅交通协同创新中心， 北京 100044)

以DM-70和SK-90两种基质沥青分别制备不同TLA掺量(5%，10%，15%，20%)和不同粉胶比(0.6，0.8，1.0，1.2)的TLA改性沥青胶浆。利用DSR和BBR试验，分别测试沥青胶浆的G*/sinδ、S以及m-值等参数，以评价TLA改性沥青胶浆的高低温性能。试验结果表明：随着TLA掺量和粉胶比的增大，沥青胶浆的G*/sinδ和S呈指数增长，m-值总体在下降，但规律性不明显，说明增大TLA掺量和提高粉胶比，能够改善沥青胶浆的高温性能，但对其低温性能有所损伤。平衡沥青胶浆的高低温性能，推荐TLA掺量和粉胶比分别取10%和1.0。

TLA； 沥青胶浆； 高低温性能； DSR； BBR

0 引言

随着“五纵七横”国道主干线系统的全线贯通和“7918”国家高速公路网“五射两纵七横”的基本贯通，我国公路建设取得举世瞩目的关注。据国家公路网规划(2013～2030年)相关资料显示，截止到2013年底，我国公路通车总里程数已达424万km，其中高速公路的总里程已经达到9.62万km[1]。我国已建成的高速公路中95%为沥青路面。然而，现代高速公路网的建成和交通量迅猛的增长，重载、超载情况加剧，交通渠化愈趋明显，对沥青性能提出越来越高的要求，普通沥青难以满足现有道路状况要求[2]。因此，改性沥青技术越来越受到人们的关注。

改性沥青技术可分为聚合物改性和非聚合物改性。在聚合物改性剂中，普遍采用SBS改性剂[3]。在非聚合物改性剂中，特立尼达湖沥青(TLA)作为一种沥青改性剂在国外较早就已被应用于道路铺筑、桥面铺装和机场建设[4-7]。相比聚合物改性剂，TLA与沥青的物理化学性质完全一致，与其他石油沥青具有良好的混融性，生产工艺简单，降低了生产成本。因此，国内外的专家学者对TLA改性沥青及其混合料进行了相关研究。Robinson Peter[8]发现TLA非常坚硬，针入度很小，不能与矿料均匀的拌和，因此TLA通常被用作改性剂应用到沥青中。Charles F.R.等人[9，10]通过试验发现TLA改性沥青的低温延度很小，这主要是因为TLA中含有大量灰分造成的。王琪[11]测试了TLA改性沥青及其混合料性能，试验结果表明：TLA改性沥青表现出良好的低温抗裂性和粘韧性，TLA改性沥青混合料各项指标都能满足高速公路路用性能的要求。冯新军[12]等人对TLA改性沥青及其混合料进行了一系列室内试验研究，研究结果表明TLA能改善沥青的高、低温性能和抗老化性能，而且能明显提高沥青混合料的高温稳定性、水稳定性和抗渗性。代勇[13]等人发现，TLA能改善沥青结合料的高温稳定性，但其低温性能有所降低，基质沥青经TLA改性后，其高温稳定性、水稳定性和疲劳性能得到明显改善，TLA改性沥青混合料具有优良的路用性能。

现代胶浆理论认为沥青混合料是一种多级空间状网状凝胶结构的分散系：沥青混合料以粗集料为分散相分散在沥青砂浆中，沥青砂浆以细集料为分散相分散在沥青胶浆中，沥青胶浆又以填料为分散相分散在沥青介质中[14]。Gubler[15]等人通过DSR试验发现了填料可以减缓沥青的老化，同时发现了DSR试验中复数模量和相位角随加载大小的变化规律。李平[16]利用Stokes公式计算了填料在沥青中的沉降规律，证明了DSR和BBR试验适用于沥青胶浆的可行性。

目前国内外对于TLA的研究大多还停留在其改性机理和混合料性能的阶段，很少涉及其胶浆性能的研究。而沥青胶浆作为混合料中的重要组成部分，起着黏结集料和填充空隙的作用。因此，研究TLA沥青胶浆的性能就显得尤为重要。本文拟采用DSR和BBR试验，探讨3个不同影响因素(基质沥青种类、TLA掺量、粉胶比)对TLA改性沥青胶浆高低温性能影响的规律，进而揭示不同因素对TLA改性沥青胶浆性能的影响机理，为指导TLA改性沥青胶浆的设计提供理论基础。

1 原材料性能

基质沥青采用山东东明生产的DM-70沥青和韩国SK公司生产的SK-90沥青，TLA为特立尼达湖沥青，矿粉采用石灰岩矿粉，其各项技术指标均满足相关规范要求，具体结果见表1、表2。

表1 沥青和TLA的性能Table1 ThePropertiesofSK-90,DM-70andTLA指标DM-70实测值技术标准SK-90实测值25℃针入度/0.1mm6660～8081软化点/℃50≥4651.810℃延度/cm24≥205160℃动力黏度/(Pa·s)185.3≥180 218.4灰分/%———RTFOT后的残留物质量变化/%-0.10±0.80.1针入度比/%68≥616110℃残留延度/cm6.5≥68PG58～22—58～22技术标准TLA实测值技术标准试验方法80～1004.20～5T0604-2011≥4599.9≥90 T0606-2011≥452—T0605-2011≥160 ——T0620-2000—36.533～38T0614-2011RTFOT后的残留物±0.8——T0608-1993≥57≥50 79T0604-2011≥6——T0605-2011———T0627/T0628-2011

表2 矿粉性能Table2 Thepropertiesoffiller试验项目技术标准试验结果试验方法表观密度,不小于/(g·cm-3)2.52.732T0352-2000含水量,不大于/%1 0.5T0332-2000粒度范围<0.6mm/%100 100T0351-2000<0.15mm/%90～10099.75T0351-2000<0.075mm/%75～10088.56T0351-2000亲水系数1 0.71T0353-2000塑性指数/%4 2.8T0354-2000

2 TLA改性沥青及胶浆的制备

按照以下步骤进行TLA改性沥青胶浆的制备：

① 将DM-70沥青、SK-90沥青和TLA分别加热至160 ℃并保温；

② 将160 ℃下的DM-70沥青、SK-90沥青和TLA分别按沥青质量比5%、10%、15%和20%进行共混，并搅拌至均匀，以制备8种TLA改性沥青；

③ 将矿粉加热至110 ℃，将TLA改性沥青与矿粉按照与沥青质量比(粉胶比)0.6，0.8，1.0，1.2制备TLA改性沥青胶浆，并混合均匀。

3 TLA改性沥青性能

按照上述工艺制备TLA改性沥青，表3为TLA改性沥青的性能。

由表3可知：

① 基于针入度评价体系，由于TLA的加入以及掺量的不断增加，TLA可提高沥青的高温性能(软化点、黏度的提高)，但会降低沥青的低温性能(10 ℃延度的减小)。这主要是因为TLA中含有一定的灰分，这部分灰分的存在会改变沥青的结构，使得沥青低温性能变差。

表3 TLA改性沥青的性能Table3 ThepropertiesofTLAmodifiedasphalt基质沥青种类TLA掺量DM-70SK-905%10%15%20%5%10%15%20%针入度(25℃)/(0.1mm)6562595675767675软化点/℃50.652.052.653.151.751.852.953.110℃延度/cm28.617.915.414.515.615.313.710.260℃动力粘度/(Pa·s)246.8361.9520.5635.3227.6228.1292.7322.8RTFOT后的残留物残留针入度比/%697185616764616010℃残留延度/cm7.35.04.84.46.56.46.46.2PG64～2264～2264～1664～1658～2264～2264～2264～22

② 基于SHRP评价体系，由于TLA的加入以及掺量的不断增加，TLA改性沥青的高温等级不断提高，其低温等级不断下降，与针入度评价体系的试验结果保持一致。

4 TLA改性沥青胶浆高温性能分析

SHRP在沥青结合料路用性能规范中提出的评价沥青结合料高温性能的指标是采用动态剪切流变仪(DSR)[17]。用车辙因子G*/sinδ来表征沥青结合料的高温性能，G*/sinδ越大，沥青结合料的高温抗车辙能力越强。利用AR-1500型高级流变仪，在70 ℃条件下，角速度均采用10 rad/s，对不同TLA改性沥青胶浆进行DSR试验，图1、图2分别为TLA掺量和粉胶比对沥青胶浆G*/sinδ的影响。

由图1、图2可知：

① 基质沥青为DM-70的沥青胶浆，其车辙因子G*/sinδ均高于SK-90的沥青胶浆，这说明基质沥青的性质会对沥青胶浆的高温性能产生一定影响。这主要是因为60 ℃动力粘度常作为反映沥青在夏季沥青的耐热性指标，DM-70改性沥青的60 ℃动力粘度均大于SK-90改性沥青，粘度越大说明沥青在荷载作用下的剪切变形较小，弹性恢复能力较好，高温抗车辙能力好。

图1 TLA掺量对沥青胶浆G*/sinδ的影响Figure 1 The G*/sinδ of asphalt mortar over TLA content

图2 粉胶比对沥青胶浆G*/sinδ的影响Figure 2 The G*/sinδ of asphalt mortar over filler-asphalt ratio

② 无论基质沥青为DM-70还是SK-90的沥青胶浆，随着TLA掺量的增加，沥青胶浆的G*/sinδ不断增加，说明提高TLA掺量可增强沥青胶浆的高温抗车辙能力。这主要是因为TLA中含有大量灰分，并且与基质沥青发生了相与相的交联作用，增加了结构沥青的比例，致使沥青胶浆的弹性成分增加[18]；此外，TLA中存在大量沥青质，而沥青质作为分散相，其含量过多会使沥青胶体结构改变；这两方面原因共同导致沥青胶浆高温性能的增强。当TLA掺量在10%～15%时，沥青胶浆的G*/sinδ增加最为显著，因此推荐TLA掺量在10%～15%为宜；

③ DM-70和SK-90两种沥青胶浆，粉胶比越大，其G*/sinδ越大，即沥青胶浆的高温稳定性越强，其原因在于：由于矿粉的比表面积大，增大粉胶比，自由沥青被矿粉所吸收，使得沥青胶浆体系中自由沥青比例减少，结构沥青比例增加，增大了沥青胶浆的稠度，宏观上表现为高温抗车辙能力的提高。当粉胶比在1.0～1.2区间时，沥青胶浆的G*/sinδ增长幅度最为明显，故从高温稳定性角度出发，推荐粉胶比在1.0～1.2为最佳；

④ 沥青胶浆的G*/sinδ随TLA掺量和粉胶比的变化呈现指数增长，且相关性系数较高，即G*/sinδ=AeBx，其中x为TLA掺量或者粉胶比，A、B为回归系数，见表4。

表4 G*/sinδ随TLA掺量和粉胶比变化的回归系数A,BTable4 TheA,BofG*/sinδoverthecontentofTLAandfiller-asphaltratio沥青胶浆种类x:TLA掺量ABR2沥青胶浆种类x:粉胶比ABR2DM-70粉胶比0.63.65770.06570.9285DM-705%TLA3.53230.08200.9922DM-70粉胶比0.83.94460.06890.9029DM-7010%TLA3.71720.11140.9141DM-70粉胶比1.04.03110.11890.9407DM-7015%TLA3.95900.13000.9781DM-70粉胶比1.23.99920.19070.9521DM-7020%TLA3.51460.21740.9311SK-90粉胶比0.61.62640.10510.9223SK-905%TLA1.59430.15030.9755SK-90粉胶比0.81.87640.12290.9675SK-9010%TLA1.73330.14660.9217SK-90粉胶比1.02.27320.10830.9648SK-9015%TLA1.95930.14530.9657SK-90粉胶比1.22.63230.07910.9764SK-9020%TLA2.33670.11990.9013

⑤ 粉胶比对TLA改性沥青胶浆G*/sinδ的影响要高于TLA掺量的影响程度，其原因在于：若将G*/sinδ=AeBx两边同时取对数，即为ln(G*/sinδ)=lnA+Bx，lnA为直线截距，A为TLA掺量或者粉胶比对G*/sinδ初始影响程度的大小，B为一次函数的斜率，表示TLA掺量或者粉胶比变化对G*/sinδ影响的剧烈程度，B值越大，影响程度越大。

5 TLA改性沥青胶浆低温性能分析

高温性能和低温性能往往是一对矛盾体，SHRP研究计划利用BBR试验测试沥青结合料60 s的蠕变劲度S和蠕变速率m-值来表征沥青结合料的低温性能。S表示沥青结合料的劲度模量，m-值表示沥青结合料通过自身粘弹流动释放收缩应力的速度，由于低温沥青劲度增加产生的应力可以通过自身的粘弹流动释放，低的蠕变劲度和高的释放速度有利于抵抗低温开裂[19]。利用TE-BBR型高级流变仪，测试不同TLA改性沥青胶浆在-6 ℃下的S和m-值，图3、图4分别为TLA掺量和粉胶比对沥青胶浆S和m-值的影响。

由图3、图4可知：

① 两种基质沥青(DM-70，SK-90)制备的沥青胶浆，其劲度模量S呈现出不同规律，SK-90沥青胶浆的S大多高于DM-70沥青胶浆，这说明基质沥青的种类和性质会对沥青胶浆的低温性能产生一定影响。

② TLA改性沥青胶浆的S和m-值随TLA掺量变化呈现出如下规律：TLA掺量越大，S越大，主要是因为TLA中的灰分和沥青质使得沥青胶浆的脆性增加，低温性能下降；随着TLA掺量的增加，m-值在总体上是下降的，这主要是由于TLA中的灰分和沥青质与基质沥青发生交联作用，使二者联系更加紧密，导致沥青胶浆的应力松弛能力下降。但是，m-值在TLA掺量为10%时出现明显拐点，当TLA掺量大于10%，沥青胶浆的低温等级急剧下降，说明TLA掺量在10%之内，对沥青胶浆的低温损伤程度较小。

图3 TLA掺量对沥青胶浆S和m-值的影响Figure 3 The S and m-value of asphalt mortar over TLA content

图4 粉胶比对沥青胶浆S和m-值的影响Figure 4 The S and m-value of asphalt mortar over filler-asphalt ratio

③ 无论是DM-70还是SK-90沥青胶浆，粉胶比越大，沥青胶浆的S越大，m-值总体上在减小，S和m-值在粉胶比为1.0时出现明显拐点，说明提高粉胶比会损伤沥青胶浆的低温性能，其原因在于：粉胶比小于1.0时，其S和m-值变化幅度较为平缓，处于沥青胶浆体系性能的量变积累阶段；粉胶比为1.0时，达到固液平衡的临界点和关键点；粉胶比大于1.0时，沥青胶浆体系达到质变，其S和m-值变化幅度剧烈，低温性能急剧下降。因此，粉胶比应控制在1.0之内，以保证其获得良好的低温性能。

④ 沥青胶浆的S随TLA掺量和粉胶比的变化呈现指数增长，且相关性系数较高，但m-值并未呈现出明显的规律性.即S=AeBx，其中x为TLA掺量或者粉胶比，A、B为回归系数，见表5。

表5 S随TLA掺量和粉胶比变化的回归系数A,BTable5 TheA,BofSoverthecontentofTLAandfiller-asphaltratio沥青胶浆种类x:TLA掺量ABR2沥青胶浆种类x:粉胶比ABR2DM-70粉胶比0.6189.230.03880.9248DM-705%TLA185.570.06290.9794DM-70粉胶比0.8196.030.06800.9761DM-7010%TLA187.090.09750.9658DM-70粉胶比1.0212.220.08320.9665DM-7015%TLA178.340.14770.9916DM-70粉胶比1.2208.210.13760.9753DM-7020%TLA191.090.15000.9948SK-90粉胶比0.6152.900.08290.9237SK-905%TLA129.360.23940.9825SK-90粉胶比0.8180.640.10420.9939SK-9010%TLA138.160.23780.9980SK-90粉胶比1.0236.040.08690.9783SK-9015%TLA158.150.21320.9955SK-90粉胶比1.2337.060.00300.9816SK-9020%TLA184.50.18890.9816

⑤ 粉胶比对TLA改性沥青胶浆低温性能的影响程度要高于TLA掺量的影响程度。虽然TLA中含有36.5%的灰分会充当矿粉，使沥青胶浆的低温性能下降，但是增大粉胶比更加直接、猛烈地改变了沥青胶浆体系，促成了沥青胶浆体系性能的质变过程。

6 结语

通过以上试验分析，可得出如下结论：

① 基质沥青的种类和性质会对TLA改性沥青胶浆的高低温性能产生一定影响。

② 随着TLA掺量和粉胶比的增加，TLA改性沥青胶浆的G*/sinδ和S呈指数增长，m-值总体呈下降趋势，但规律性不明显，说明沥青胶浆的高温性能不断增强，低温性能不断下降。

③ 粉胶比对TLA改性沥青胶浆高低温性能的影响程度要高于TLA掺量的影响程度。

④ 综合TLA改性沥青胶浆的高低温性能变化规律，本文推荐TLA掺量取10%，粉胶比取1.0，沥青胶浆的高低温性能最佳。

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Study on the High-and-low-temperature Properties of TLA Modified Asphalt Mortar Based on DSR and BBR

SHI Yuefeng1，2， JI Jie1，2， SUO Zhi2，3， XU Ying1，2， XU Shifa2，3

(1.School of Civil Engineering and Transportation， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China； 2.Beijing Urban Transportation Infrastructure Engineering Technology Research Center， Beijing 100044， China； 3.Beijing Collaborative Innovation Center for Metropolitan Transportation， Beijing 100044， China)

The base asphalts are DM-70 and SK-90.The TLA modified asphalt mortar with different filler-asphalt ratio(0.6，0.8，1.0，1.2)and TLA content，which are 5%，10%，15% and 20% by mass of base asphalt，are prepared.TheG*/sinδ，Sandm-value of TLA modified asphalt mortar are tested using DSR and BBR and the high-and-low-temperature properties of TLA modified asphalt mortar are analyzed.With the TLA content and filler-asphalt ratio increase，theG*/sinδandSincreases exponentially andm-value decreases，while changes inm-value is not obvious.With the TLA content and the filler-asphalt ratio increases，the high-temperature property of asphalt mortar improves，and the low-temperature property of asphalt mortar decline.It suggested that the high-and-low-temperature properties of TLA modified asphalt mortar are best when TLA content is 10% and the filler-asphalt ratio is 1.0.

TLA； asphalt mortar； high-and-low-temperature properties； DSR； BBR

2015 — 03 — 26

北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目(PXM2013-014210-000165)；国家自然科学基金项目(51478028)

石越峰(1992 — )，男,北京人,研究生,主要从事道路工程材料研究。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0072 — 05