2015, Vol. 31扩展功能
文章信息
- 杨昆, 刘栋
- YANG Kun, LIU Dong
- 天然湖沥青+SBS复合改性沥青混合料性能研究
- Research on Performance of Trinidad Lake Asphalt Added with SBS-modified Asphalt Mixture
- 公路交通科技, 2015, Vol. 31 (7): 28-32
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2015, Vol. 31 (7): 28-32
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2015.07.006
-
文章历史
- 收稿日期：2014-04-17
近年来，高温重载条件对道路沥青提出了更高的性能要求，聚合物改性沥青得到大规模应用，但与道路沥青之间的相容性以及存储性等问题也日益凸显[1, 2]，使得人们将眼光转向天然沥青，如湖沥青、岩沥青等。由于天然沥青能够更好地与沥青相容，相容性以及存储性问题也就得到了很大的解决。因此天然沥青得到一定程度上的重视，国内外对天然沥青已有不少研究[3, 4]。
湖沥青(Trinidad Lake Asphalt，简称TLA)产于南美洲特立尼达岛。早在1880年，美国华盛顿特区在几个城市街道的路面工程中应用了TLA，后来范围逐步扩大，尤其是应用在重交通路段，包括机场、桥面铺装、高速公路等[5]。此外，TLA 在英国、德国和日本等国家也得到了广泛应用，有效地提高了路面的使用寿命，降低了维修养护的费用。我国在20世纪70、80年代曾经对特立尼达湖沥青有过研究，并在北京、山西、浙江等地铺筑了试验路段，均表现出良好的路用性能[6, 7, 8]。采用湖沥青对沥青进行改性后发现，沥青混合料的路面抗车辙性能、抗疲劳裂缝和抗滑性能具有明显的改善[9]。本文采用SBS改性沥青与湖沥青进行掺配来研究湖沥青+SBS复合改性沥青混合料的路用性能，采用AC-20和SMA-13混合料，分别以基质沥青、SBS改性沥青、基质沥青+湖沥青和SBS改性沥青+湖沥青制备沥青混合料，对不同混合料的性能进行对比研究。
1 材料与试验方法 1.1 沥青材料试验基质沥青采用A-70#沥青，SBS改性沥青由A-70#与SBS改性剂在175 ℃条件下经高速剪切制得，采用TLA分别与A-70#沥青和SBS改性沥青按照1∶4的质量比调配制得BT、ST两种改性沥青。A-70、SBS改性沥青及BT、ST的技术指标的测试结果见表 1。由表 1可见：ST的软化点、135 ℃黏度指标高于SBS改性沥青，针入度、延度指标远低于SBS改性沥青。
| 指标 | 基质沥青(B) | SBS 改性沥青(S) | 湖沥青+基质沥青(BT) | 湖沥青+SBS改性沥青(ST) | |
| 针入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm) | 68.0 | 58.6 | 45.0 | 42.5 | |
| 软化点/℃ | 47.5 | 85.8 | 57.6 | 88.0 | |
| 延度(5 cm·min-1)/cm | >150(15 ℃) | 37.7(5 ℃) | 25.3(15 ℃) | 18.1(5 ℃) | |
| 黏度/(Pa·s) | 197(60 ℃) | 2.864(135 ℃) | 3.592(135 ℃) | ||
| 沥青相对密度 | 1.019 | 1.020 | 1.020 | ||
| 老化后 (163 ℃,5 h) | 质量损失/% | -0.03 | -0.35 | -0.45 | |
| 针入度比/% | 72.9 | 74.2 | 80.2 | ||
| 延度/cm | 8.6(10 ℃) | 26.8(5 ℃) | 1.5(5 ℃) | ||
试验混合料类型为AC-20和 SMA-13。配制AC-20和SMA-13混合料采用的集料分别为石灰岩、玄武岩。试验混合料合成级配见表 2。
| 类型 | 通过下列筛孔(mm)的质量百分率/% | |||||||||||
| 26.5 | 19 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 | |
| AC-20 | 100 | 98.7 | 88.6 | 71.8 | 60.2 | 46.1 | 35.6 | 22.7 | 15.7 | 10.1 | 6.4 | 6.1 |
| SMA-13 | 100 | 100 | 100 | 96.0 | 55.8 | 27.6 | 23.9 | 18.2 | 15.1 | 12.7 | 11.0 | 10.3 |
采用马歇尔试验方法确定试验混合料的最佳油石比。采用B，BT和ST沥青制备AC-20混合料；采用S，BT和ST沥青制备SMA-13混合料。不同试验混合料依据经验采用不同拌和温度，见表 3。以空隙率4%(体积分数)为控制指标，确定出与目标空隙率对应的石油比，然后进行马歇尔试验验证。当马歇尔检测指标满足要求时，该石油比为最佳石油比。试验混合料最佳油石比见表 3。最佳油石比时混合料的马歇尔试验力学参数见表 4。
| 项目 | AC-20 | SMA-13 | |||||
| B-AC | BT-AC | ST-AC | S-AC | S-SMA | BT-SMA | ST-SMA | |
| 拌和温度/℃ | 165 | 180 | 180 | 175 | 185 | 185 | 185 |
| 最佳油石比 /% | 4.3 | 4.2 | 4.4 | 4.3 | 6.1 | 6.1 | 6.3 |
| 类型 | 马歇尔稳定度/kN | 流值/mm | ||||||
| BT | ST | B | S | BT | ST | B | S | |
| AC-20 | 9.5 | 13.2 | 8.6 | 10.2 | 3.5 | 2.7 | 3.1 | 3.7 |
| SMA-13 | 7.8 | 9.8 | — | 6.6 | 4.7 | 4.1 | — | 3.0 |
由表 3可见，在相同级配与目标空隙率的条件下，B混合料、S混合料、BT混合料的最佳油石比要略低于ST混合料。由表 4可见，采用ST的两种混合料的马歇尔指标均要高于采用B,S,BT的指标值。对使用S，BT和ST的3种SMA混合料进行析漏试验和飞散试验，发现析漏值和飞散值均满足规范要求。 1.3 试验方法
采用试验混合料各自的最佳沥青用量和拌和温度成型混合料试件，测试试件的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性能以及疲劳性能。
混合料的性能检测试验依据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[10]中规定的方法进行。对于混合料的疲劳性能试验，采用中点加载的小梁弯曲疲劳试验测试BT-AC、BT-SMA和ST-AC、ST-SMA共4种混合料的破坏疲劳次数，小梁试件尺寸为50 mm×50 mm×240 mm，试验温度为15 ℃，加载波形为频率10 Hz的半正弦波，应力比取0.4,0.5,0.6。 2 试验结果与分析 2.1 高温稳定性
车辙试验结果见表 5。由表 5可见，对于AC-20，ST混合料的动稳定度较BT混合料、B混合料、S混合料分别提高了56.8%,147.4%,13.6%；对于SMA-13，ST混合料的动稳定度较BT混合料、S混合料分别提高了43.0%,41.3%。AC-ST、SMA-ST混合料的动稳定度远高于规范要求，在高温重载下具有更强的抗车辙能力。以湖沥青+SBS改性沥青对AC-S、SMA-S混合料动稳定度的提高幅度来 看，湖沥青+SBS改性沥青对SMA-13混合料的提高作用略大。这是因为TLA的加入使得沥青四组分重组，沥青胶体向溶-凝胶型转变。溶-凝胶型的沥青在变形的最初阶段表现出一定程度的弹性效应，当变形增加至一定数值后，则呈现出一定程度的牛顿流动，黏度随剪应力增加而减少，在路用性能上表现为高温时具有较低的感温性[11]。
| 混合料类型 | 动稳定度/(次·mm-1) | 规范要求/(次·mm-1) | |||
| BT | ST | B | S | ||
| AC-20 | 4 233 | 6 628 | 2 679 | 5 833 | 普通沥青混合料≥1 000，改性沥青混合料≥2 400 |
| SMA-13 | 5 344 | 7 643 | — | 5 408 | ≥3 000 |
采用冻融劈裂试验的冻融劈裂强度比、浸水马歇尔试验的残留稳定度指标评价混合料的水稳定性。试验结果分别见表 6、表 7。
| 混合料类型 | 冻融劈裂强度比/% | 规范要求/% | |||
| BT | ST | B | S | ||
| AC-20 | 82.9 | 85.7 | 85.1 | 85.7 | 普通沥青混合料≥75，改性沥青混合料≥80 |
| SMA-13 | 87.4 | 90.2 | — | 89.1 | ≥80 |
| 混合料类型 | 残留稳定度/% | 规范要求/% | |||
| BT | ST | B | S | ||
| AC-20 | 90.7 | 91.9 | 83.8 | 91.9 | 普通沥青混合料≥80，改性沥青混合料≥85 |
| SMA-13 | 90.7 | 91.8 | — | 90.3 | ≥80 |
由表 6可见，对于AC-20与SMA-13，ST混合料的冻融劈裂强度比与BT，B，S混合料相差不大。另外，SMA-13的冻融劈裂强度比普遍高于AC-20；湖沥青+SBS改性沥青对AC-S与SMA-S混合料冻融劈裂强度比的提高幅度相近。由表 7可见，对于AC-20与 SMA-13，ST混合料的残留稳定度与BT，B，S混合料也相差不大。这是因为沥青混合料在水中浸泡后，一定程度会受到水的影响，必然会影响沥青混合料的强度，再加上试验条件的误差，所以试验数据未能较好地体现出TLA对沥青混合料的水稳定性的影响。另外，还可以看出SMA-13的残留稳定度与AC-20相近；湖沥青+SBS改性沥青对AC-S与SMA-S冻融劈裂强度比的提高幅度相近。
综上，AC-ST、SMA-ST的水稳定性指标远高于规范要求，可用作潮湿区道路面层材料。 2.3 低温抗裂性能
低温弯曲试验结果见表 8。由表 8可见，对于AC-20，ST混合料的最大弯拉应变高于BT,B,S混合料，对应BT,B,S混合料分别提高了85.6%,71.9%,43.5%；对于SMA-13，ST混合料的最大弯拉应变高于BT、S混合料，对应BT、S混合料分别提高了73.0%,53.8%。低温稳定性的改善也是由于TLA中的沥青质与其他组分的相互作用，沥青质能够被周围的分子所溶解包围，形成更加稳定的溶-凝胶体系。另外，SMA-13的最大弯拉应变与AC-20没有明显区别；以湖沥青+SBS改性沥青对AC-S、SMA-S混合料冻融劈裂强度比的提高幅度来看，湖沥青+SBS改性沥青对SMA-13混合料的提高作用略大。
| 混合料类型 | 最大弯拉应变/(×10-6) | 规范要求/(×10-6) | |||
| BT | ST | B | S | ||
| AC-20 | 3 075 | 5 706 | 3 320 | 3 976 | 普通沥青混合料≥2 600，改性沥青混合料≥3 000 |
| SMA-13 | 3 349 | 5 793 | — | 3 767 | ≥3 000 |
AC-ST、SMA-ST混合料的最大弯拉应变指标远高于规范要求，可完全满足冬寒区道路面层材料的技术要求。 2.4 疲劳性能
AC-20、SMA-13试验沥青混合料的疲劳寿命曲线见图 1、图 2。由图 1、图 2可见，对于AC-20，在相同的应力比下，ST混合料的疲劳寿命高于BT混合料，提高了近32%；对于SMA-13，在相同的应力比下，ST混合料的疲劳寿命高于BT混合料，提高了近40%。这表明湖沥青+SBS复合改性混合料相比于湖沥青单独改性混合料具有更高的疲劳性能。同时，湖沥青+SBS复合改性沥青对SMA-13疲劳性能的提高作用高于对AC-20疲劳性能的提高作用。
|
| 图 1 AC-20疲劳寿命曲线Fig. 1 Fatigue life curves of AC-20 |
|
| 图 2 SMA-13疲劳寿命曲线Fig. 2 Fatigue life curves of SMA-13 |
湖沥青对混合料的疲劳性能影响较为显著，基本上可以用它对混合料劲度的作用进行衡量 [12] 。在控制应力的加载模式下，疲劳寿命随着沥青硬度的增加而增大。而沥青的软硬程度可以用沥青的针入度或者软化点来表示。加入湖沥青之后沥青变硬，因此其疲劳寿命也会随之增加。
3 结论
(1)TLA可提高基质沥青的软化点和黏度，降低其延度和针入度。
(2)湖沥青显著提高了混合料的高温稳定性。对于AC-20，ST混合料的动稳定度相对BT混合料、B混合料、S混合料分别提高了56.8%,147.4%,13.6%；对于SMA-13，ST混合料的动稳定度相对BT混合料、S混合料分别提高了43.0%,41.3%。
(3)湖沥青显著提高了混合料的低温稳定性。对于AC-20，ST混合料的最大弯拉应变相对BT混合料、B混合料、S混合料分别提高了85.6%,71.9%,43.5%；对于SMA-13，ST混合料的动稳定度相对BT混合料、S混合料分别提高了73.0%,53.8%。
(4)以水稳定性来看，复合改性沥青对混合料类型的依赖性不显著，而对SMA-13其他性能的提高幅度均大于对AC-20的作用。
| [1] | FU Hai-ying,XIE Lei-dong,DOU Da-ying,et al. Storage Stability and Compatibility of Asphalt Binder Modified by SBS Graft Copolymer [J]. |
| [2] | 丛玉凤. 无机材料对SBS改性沥青稳定作用的研究 [D]. 沈阳:东北大学,2005. CONG Yu-feng. Study on Effect of Inorganic Material on SBS Modified Asphalt Stability [D]. Shenyang: Northeastern University,2005. |
| [3] | 华敏. 天然沥青对基质石油沥青改性机理研究[D]. 西安:长安大学,2008. HUA Min. Modification Mechanism of Natural Asphalt on Base Asphalt [D]. Xi'an: Chang'an University,2008. |
| [4] | PONNAMPERUMA C,PERING K L. Aliphatic and Alicyclic Hydrocarbons Isolated from Trinidad Lake Asphalt [J]. |
| [5] | 沈金安. 特立尼达湖沥青及其应用前景 [J]. 国外公路,2000(2): 28-31. SHEN Jin-an. Trinidad Lake Asphalt and Its Application Prospect [J]. Overseas Highways,2000(2):28-31. |
| [6] | 查旭东, 陈定. TLA 改性沥青混合料AC-13C配合比及性能研究 [J]. 长沙理工大学学报:自然科学版, 2008, 5(3): 8-14. ZHA Xu-dong,CHEN Ding.Match Ratio and Performance for TLA Modified Asphalt Mixture AC-13C [J].Journal of Changsha University of Science and Technology: Natural Science Edition,2008,5(3): 8-14. |
| [7] | 倪富健, 赖用满, 沈恒,等. TLA 复合改性沥青混合料路用性能研究 [J]. 公路交通科技,2005,22(1):13-16. NI Fu-jian,LAI Yong-man,SHEN Heng,et al. Research on Pavement Performance of Composite ModifiedAsphalt Mixture with Trinidad Lake Asphalt (TLA)[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2005,22(1):13-16. |
| [8] | WIDYATMOKO I, ELLIOTT R. Characteristics of Elastomeric and Plastomeric Binders in Contact with Natural Asphalts [J]. |
| [9] | 王晓梅,李芳伟,王丽艳.湖沥青加SBS改性沥青混合料路用性能试验研究[J]. 安全与环境工程,2010,17(6):122-124. WANG Xiao-mei,LI Fang-wei,WANG Li-yan. Experimental Research on the Road Performance of TLA Added with SBS-modified Asphalt Mixture[J]. Safety and Environmental Engineering,2010,17(6):122-124. |
| [10] | JTG E20—2011,公路工程沥青及沥青混合料试验规程 [S]. JTG E20—2011,Standard Test Methods of Bitumen and Bituminous Mixtures for Highway Engineering [S]. |
| [11] | 黄雷. 灰分对TLA改性沥青及其沥青混合料的性能影响研究[D]. 长沙:长沙理工大学,2008. HUANG Lei. Research on Impact of Ash on the Performance of TLA Modified Asphalt and Asphalt Mixture [D]. Changsha: Changsha Polytechnic University,2008. |
| [12] | 葛折圣,黄朝辉,黄晓明.沥青混合料疲劳性能的影响因素分析[J].公路交通科技,2002,19(6):1-4. GE Zhe-sheng,HUANG Chao-hui,HUANG Xiao-ming. Study on Effect Factors of Asphalt Mixes Fatigue Properties[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development,2002,19(6):1-4. |