顏可珍宋小金

(1.中國(guó)路橋工程責(zé)任公司，北京 100011； 2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082； 3.綠色先進(jìn)土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082； 4.湖南中大檢測(cè)技術(shù)集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

0 前言

TLA是產(chǎn)自特立尼達(dá)湖的天然瀝青，用其生產(chǎn)的TLA改性瀝青具有良好的高溫性能、抗老化性能、抗疲勞性能以及儲(chǔ)存穩(wěn)定性[1-2]。此外，TLA改性瀝青制作的工藝簡(jiǎn)易，生產(chǎn)成本較低[3]，因此被廣泛應(yīng)用在道路建設(shè)中。但TLA改性瀝青的缺點(diǎn)也很明顯：Charles F.R.等[4-5]發(fā)現(xiàn)TLA中的灰分使TLA改性瀝青具有很小的低溫延度。石越峰等[6]通過DSR試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨TLA摻量和膠粉比的增大，TLA改性瀝青的勁度模量增大和蠕變速率減小。梁星敏等[7]發(fā)現(xiàn)隨TLA摻量增大，TLA改性瀝青的低溫延度降低。代勇和石立萬(wàn)[8]發(fā)現(xiàn)TLA改性瀝青的勁度模量隨TLA摻量呈指數(shù)增加的趨勢(shì)，蠕變速率隨TLA摻量呈線性遞減的趨勢(shì)。以上研究說明TLA改性瀝青的低溫抗裂性能較差，這限制了其在寒冷地區(qū)的進(jìn)一步應(yīng)用，應(yīng)采用其他外加劑以提升其低溫性能。SBR是由丁二烯與苯乙烯的單體聚合后再接枝苯乙烯構(gòu)成的橡膠類聚合物[9-10]。研究表明，SBR改性劑可以有效提升瀝青的低溫性能，不但SBR改性瀝青被廣泛用于嚴(yán)寒地區(qū)，SBR還常被用作改性劑來(lái)改善其他改性瀝青的低溫性能[11-13]。但目前鮮有用SBR來(lái)改性TLA改性瀝青的研究。

為了改善TLA改性瀝青的低溫性能，本文用SBR對(duì)其進(jìn)行改性，以期綜合2種改性瀝青的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)不同摻量的TLA(5%、10%、20%、30%)和SBR(0%、2%、3%和4%)的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行了常規(guī)試驗(yàn)、DSR試驗(yàn)與BBR試驗(yàn)，并測(cè)量了短期、長(zhǎng)期老化后的殘留針入度比，研究TLA與SBR摻量對(duì)TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的高溫性能、低溫性能、流變性能與老化性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

采用的70#基質(zhì)瀝青的基本指標(biāo)(見表1)均滿足規(guī)范JTG F40-2004[14]要求，采用40目的白色SBR(型號(hào)1502)，采用的TLA的基本性能見表2。SBR/TLA復(fù)合改性瀝青制備程序如圖1所示。

表1 70#瀝青基本性能Table1 Thebasicpropertiesofbaseasphalt指標(biāo)25℃針入度/0.1mm軟化點(diǎn)/℃5℃延度/cm135℃旋轉(zhuǎn)粘度/(Pa·s)測(cè)試值69.750.2>1500.54技術(shù)要求60～80≥47≥100≥0.18

表2 TLA基本性能Table2 ThebasicpropertiesofTLA?指標(biāo)25℃針入度/0.1mm軟化點(diǎn)/℃灰分/%密度/(g·cm-3)測(cè)試值409336.71.3072

圖1 TLA/SBR復(fù)合改性瀝青制備流程Figure 1 The preparation process of TLA and SBR composite modified asphalt

1.2 試驗(yàn)方法

通過15 ℃，25 ℃，30 ℃針入度試驗(yàn)、5 ℃延度試驗(yàn)以及135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)，并根據(jù)針入度試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出針入度指數(shù)與當(dāng)量脆點(diǎn)，來(lái)評(píng)價(jià)TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的常規(guī)性能。通過DSR試驗(yàn)來(lái)測(cè)試復(fù)合改性瀝青的中高溫流變性能，采用應(yīng)變控制模式，溫度掃描區(qū)間為30 ℃～90 ℃，掃描頻率為10 rad/s；通過BBR試驗(yàn)來(lái)測(cè)試低溫流變性能。采用薄膜烘箱試驗(yàn)(TFOT)來(lái)模擬瀝青的短期老化，再將經(jīng)過TFOT后的瀝青試樣進(jìn)行壓力老化試驗(yàn)(PAV)來(lái)模擬瀝青的長(zhǎng)期老化過程。以上試驗(yàn)均根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程JTG E20-2011[15]進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 常規(guī)性能

2.1.1針入度P、針入度指數(shù)PI與當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2

針入度(25 ℃)試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2(a)可見，隨著SBR摻量增大，TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的針入度逐漸減小且幅度逐漸增大，對(duì)下降趨勢(shì)進(jìn)行回歸擬合發(fā)現(xiàn)其符合用二次多項(xiàng)式y(tǒng)=A·x2+B·x+C(見表3)。這說明摻入SBR可以改善瀝青的高溫性能，這是由于SBR會(huì)吸引瀝青中的瀝青質(zhì)形成更緊湊密實(shí)的平衡體系，瀝青分子在高溫下移動(dòng)時(shí)會(huì)受到更大的阻力[9]，因此瀝青的針入度會(huì)有明顯的下降。

圖2 TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的25℃針入度Figure 2 The results of 25°C penetration

由圖2(b)可見，隨著TLA摻量增大，針入度也是逐漸減小但下降趨勢(shì)逐漸變緩，對(duì)下降趨勢(shì)進(jìn)行回歸擬合發(fā)現(xiàn)其符合用指數(shù)方程y=D·eEx(見表4)。這說明摻入TLA可以改善瀝青的高溫性能，這是由于TLA中的灰分與瀝青質(zhì)的含量高，灰分可以與基質(zhì)瀝青發(fā)生交聯(lián)作用形成了結(jié)構(gòu)瀝青，此外添加TLA提高了改性瀝青中瀝青質(zhì)的比例，從而提高了瀝青膠體的剛度，以上兩方面的共同作用提高了瀝青的高溫性能，導(dǎo)致了針入度的減小[6-7]。由表4可見，隨SBR摻量增加，系數(shù)D逐漸減小而系數(shù)E的絕對(duì)值逐漸增大，D的減小說明了不摻TLA時(shí)，SBR單獨(dú)改性也能改善瀝青的高溫性能；而E的絕對(duì)值增大則說明了隨SBR摻量的增大，TLA對(duì)瀝青的高溫性能改善效果會(huì)更顯著，證明SBR與TLA復(fù)合改性對(duì)高溫性能的提升要好于SBR或TLA單一改性，這是由于兩者復(fù)合改性在瀝青內(nèi)部構(gòu)成更穩(wěn)定的網(wǎng)狀構(gòu)造，對(duì)高溫性能的提升更有效。

對(duì)比圖2(a)與(b)，當(dāng)SBR摻量為0%時(shí)，由5%增到30%的TLA，針入度降低了48.1%；而當(dāng)TLA摻量為5%時(shí)，由0%增至4%的SBR，針入度降低了16.4%。相比于SBR，TLA對(duì)復(fù)合改性瀝青的高溫性能的改善效果更顯著。

表3 針入度隨SBR摻量變化的二次多項(xiàng)式方程回歸擬合Table3 RegressionfittingofpenetrationwiththechangeofSBRcontent瀝青種類ABCR25%TLA -0.640.0561.491.00010%TLA-0.53-0.6152.620.97620%TLA-1.031.2141.701.00030%TLA-0.32-1.5831.920.989

表4 針入度隨TLA摻量變化的指數(shù)方程回歸擬合Table4 RegressionfittingofpenetrationwiththechangeofTLAcontent瀝青種類DER20%SBR69.18-0.0260.9982%SBR69.12-0.0300.9863%SBR64.08-0.0310.9884%SBR61.56-0.0370.999

根據(jù)規(guī)范JTG E20-2011[15]，針入度的對(duì)數(shù)lgP與測(cè)得該針入度時(shí)的溫度呈線性關(guān)系式(1)，用線性回歸方程的系數(shù)A和常數(shù)項(xiàng)K可以計(jì)算出針入度指數(shù)PI式(2)和當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2式(3)。通過15、25、30 ℃針入度計(jì)算出的PI與T1.2分別見圖3、圖4。

lgP=AT+K

(1)

PI=30/(1+50A)-10

(2)

T1.2=(lg1.2-K)/A

(3)

圖3 TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的PI指數(shù)Figure 3 PI index of TLA and SBR composite modified asphalt

圖4 TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)Figure 4 Equivalent brittle point of TLA and SBR composite modified asphalt

PI是評(píng)價(jià)瀝青感溫性的指標(biāo)，PI越大，溫度敏感性越小。由圖3可見，在SBR摻量相同時(shí)，隨TLA摻量的增大，PI均逐漸增大。說明摻入TLA降低了瀝青的溫度敏感性。此外，0%SBR的PI折線在最下方，2%SBR與3%SBR的PI折線相交在中部，4%SBR的PI折線在最上方。說明隨著SBR摻量的增大，PI也基本是隨之增大的，摻入SBR可以降低TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的感溫性。當(dāng)TLA摻量為30%時(shí)，不同SBR摻量的復(fù)合改性瀝青的PI非常接近，說明當(dāng)TLA摻量高時(shí)，SBR對(duì)感溫性的改善效果不明顯。

T1.2是評(píng)價(jià)瀝青低溫性能的指標(biāo)，T1.2越大，對(duì)應(yīng)瀝青的低溫性能越差。由圖4可見，在SBR摻量相同時(shí)，隨TLA摻量的增大，T1.2均逐漸增大；在TLA摻量相同時(shí)，隨TLA摻量的增大，T1.2均逐漸減小。說明摻入TLA對(duì)TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的低溫性能不利，摻入SBR則可以有效改善復(fù)合改性瀝青的低溫性能。

2.1.2軟化點(diǎn)

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著TLA和SBR的增大，軟化點(diǎn)均逐漸增大，意味著TLA和SBR均可以改善瀝青的高溫性能，這是由于TLA增加了瀝青質(zhì)比例，TLA中的灰分發(fā)生交聯(lián)作用形成結(jié)構(gòu)瀝青，而SBR吸附TLA與基質(zhì)瀝青中的瀝青質(zhì)形成了更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[6，7，10]。當(dāng)SBR摻量為0%時(shí)，由5%增到30%的TLA，軟化點(diǎn)增大了48.4%；而當(dāng)TLA摻量為5%時(shí)，由0%增至4%的SBR，軟化點(diǎn)僅增大了8%。相對(duì)于SBR，TLA能更好地改善瀝青的高溫性能，這與根據(jù)針入度得出的結(jié)論相吻合。

圖5 軟化點(diǎn)結(jié)果Figure 5 The results of softening point

2.1.3延度

延度試驗(yàn)(5 ℃)結(jié)果見圖6。由圖6(a)可見，隨著SBR摻量增大，復(fù)合改性瀝青的延度逐漸增大但趨勢(shì)逐漸放緩，當(dāng)SBR摻量達(dá)到3%后，延度增加十分緩慢。對(duì)上升趨勢(shì)進(jìn)行回歸擬合發(fā)現(xiàn)其符合用二次多項(xiàng)式y(tǒng)=A·x2+B·x+C(見表5)。說明摻入SBR可以改善瀝青的低溫抗裂性，從改善低溫性能與節(jié)約成本兩方面綜合考慮，建議SBR摻量為3%。在低溫環(huán)境和荷載作用下，瀝青最初會(huì)出現(xiàn)銀紋，隨著荷載的增大，銀紋逐漸發(fā)展、延伸形成破壞性的裂紋，導(dǎo)致瀝青開裂。而SBR在復(fù)合改性瀝青中的形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能抑制銀紋繼續(xù)發(fā)展，使其不能發(fā)展成裂紋，只要網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并未完全破壞，就能保證瀝青在低溫下的繼續(xù)延展，從而改善了瀝青的低溫抗裂性能[11-12]。由表5可見，常數(shù)C隨TLA摻量增加而減小，這說明TLA單一改性會(huì)使瀝青延度降低。

圖6 TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的5℃延度Figure 6 The results of 5 ℃ ductility tests

表5 延度隨SBR摻量變化的二次多項(xiàng)式方程回歸擬合Table5 RegressionfittingofpenetrationwiththechangeofSBRcontent瀝青種類ABCR25%TLA-0.112.4919.470.99610%TLA-0.333.0715.440.99320%TLA-0.503.9510.191.00030%TLA-0.282.975.750.993

由圖6(b)可見，隨著TLA摻量增大，延度逐漸減小且減小趨勢(shì)逐漸變緩，說明摻入TLA對(duì)復(fù)合改性瀝青低溫性能不利，這是由于TLA的摻入增大了復(fù)合改性瀝青中瀝青質(zhì)的比例，使瀝青的剛度增大、柔韌性降低。對(duì)減小趨勢(shì)進(jìn)行回歸擬合發(fā)現(xiàn)其符合用指數(shù)方程y=D·eEx(見表6)，由表6可見，隨SBR摻量的增大，系數(shù)D逐漸增大，而系數(shù)E的絕對(duì)值先減小到3%的SBR時(shí)又緩慢增加。這說明摻入SBR能改善瀝青的低溫性能，且能減弱TLA對(duì)瀝青低溫性能的負(fù)面影響的顯著程度，但SBR摻量最好不要超過3%。

表6 針入度隨TLA摻量變化的指數(shù)方程回歸擬合Table6 RegressionfittingofpenetrationwiththechangeofTLAcontent瀝青種類DER20%SBR25.11-0.0480.9952%SBR28.67-0.0330.9823%SBR29.61-0.0280.9844%SBR31.24-0.0290.992

2.1.4布氏旋轉(zhuǎn)黏度

瀝青的黏度代表著瀝青抵抗流動(dòng)剪切的能力，旋轉(zhuǎn)黏度越大代表著瀝青的在高溫條件下抵抗車轍變形能力越好。TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度如圖7所示，隨著TLA和SBR增加，旋轉(zhuǎn)黏度值均有所提高，這表示兩者均能改善瀝青的高溫性能。當(dāng)SBR摻量為0%時(shí)，由5%增到30%的TLA，旋轉(zhuǎn)粘度增大了322.4%；而當(dāng)TLA摻量為5%時(shí)，由0%增至4%的SBR，旋轉(zhuǎn)粘度僅增大了77.6%。相對(duì)于SBR，TLA能更好地改善瀝青的高溫性能。黏度值過大不利于瀝青混合料的施工，因此規(guī)范JTG F40-2004[14]要求135 ℃的旋轉(zhuǎn)黏度不得超過3.0 Pa·s。由圖可見，SBR/TLA瀝青的135 ℃黏度值均滿足規(guī)范要求。

圖7 135 ℃布氏黏度結(jié)果Figure 7 135 ℃ viscosity test results

2.2 流變性能

2.2.1中高溫流變性能

DSR試驗(yàn)得到指標(biāo)為：復(fù)合模量G*和相位角δ。G*表征瀝青在相應(yīng)的溫度和頻率下抵抗剪切變形的能力，G*越高表示瀝青的抗流變性能越強(qiáng)；δ表征瀝青從受到應(yīng)力(應(yīng)變)到自身產(chǎn)生應(yīng)變(應(yīng)力)的時(shí)間差，δ越小表示瀝青越接近彈性固體，反之則更接近粘性流體[6]。美國(guó)SHRP以車轍因子G*/sinδ作為評(píng)價(jià)瀝青高溫抗車轍能力的指標(biāo)，G*/sinδ與瀝青的高溫性能呈正相關(guān)。DSR試驗(yàn)得到的G*和δ見圖8，根據(jù)70 ℃G*和δ計(jì)算的車轍因子見圖9。

由圖8可見，在相同的溫度和SBR摻量下，隨著TLA增加，TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的G*增大而δ減小。所有G*隨溫度變化曲線(G*-T曲線)幾乎分為兩部分，5%TLA與10%TLA的G*-T曲線接近，10%TLA與20%TLA的G*-T曲線相差較遠(yuǎn)，20%TLA與30%TLA的G*-T曲線接近。以上說明TLA可以提高瀝青的高溫抗變形能力，5%～20%的TLA對(duì)G*的提升迅速，當(dāng)TLA摻量超過20%后，TLA對(duì)G*的提高不明顯。對(duì)比各分圖可見，在相同的溫度和TLA摻量時(shí)，隨著SBR增加，TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的G*增大而δ減小，這說明SBR對(duì)改善瀝青的高溫抗變形能力也有積極作用。

由圖9可見，在相同的SBR摻量下，隨著TLA摻量的增加，改性瀝青的車轍因子均逐漸增大，但幅度在20%TLA時(shí)開始變緩，說明摻入TLA可以改善瀝青的高溫性能，從改善高溫性能與節(jié)約成本兩方面綜合考慮，建議TLA摻量為20%。在相同的TLA摻量下，隨著SBR摻量的增加，車轍因子也是逐漸增大，說明SBR同樣能能改善瀝青的高溫性能。當(dāng)TLA摻量為5%時(shí)，4%的SBR與2%的SBR的車轍因子相差4.1 kPa；當(dāng)TLA摻量為30%時(shí)，4%的SBR與2%的SBR的車轍因子僅相差0.5 kPa，說明隨著TLA摻量的增加，SBR摻量對(duì)含SBR復(fù)合改性瀝青的車轍因子的影響逐漸減小。

圖8 復(fù)合模量及相位角Figure 8 Complex modulus and phase angle

圖9 70 ℃時(shí)TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的車轍因子Figure 9 Rutting factor of TLA / SBR composite modified asphalt

2.2.2低溫流變性能

BBR試驗(yàn)?zāi)艿玫綖r青在低溫環(huán)境下的勁度模量S和蠕變速率m。S表示瀝青的硬度，S越大代表瀝青越硬脆、越容易開裂；m值是S隨時(shí)間變化的速率，m值越大，S隨時(shí)間變化越快，在荷載作用下應(yīng)力更容易分散，低溫性能越好[6]。BBR試驗(yàn)結(jié)果見圖10。

圖10 低溫彎曲梁蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果Figure 10 Low-temperature bending beam rheological test results

由圖10(a)可見：在固定的TLA與SBR摻量下，隨溫度的下降，S逐漸增大，驗(yàn)證了瀝青隨溫度降低會(huì)變硬。在固定的TLA摻量及溫度下，S隨SBR摻量的增大而逐漸減小；在固定的SBR摻量及溫度下，S隨TLA摻量的增大而增大。由圖10(b)可見：在固定的TLA與SBR摻量下，隨溫度的下降，m逐漸減小，這說明瀝青在低溫情況下不容易分散應(yīng)力，而容易開裂。在固定的TLA摻量及溫度下，m隨SBR摻量的增大而逐漸增大；在固定的SBR摻量及溫度下，m隨TLA摻量的增大而減小。說明摻入TLA對(duì)TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的低溫性能不利，而摻加SBR能增加瀝青的柔韌性，提高瀝青的低溫抗裂性。

由圖10可見，即使當(dāng)SBR摻量達(dá)到3%，20%TLA在低于-12 ℃、30%TLA在低于-18 ℃時(shí)的S與m仍然不能滿足Superpave的規(guī)定[16](加載60 s時(shí)，S≤300 MPa，m≥0.3)，因此處于低溫性能方面的考慮，建議TLA的摻量不超過20%。

2.3 抗老化性能

用短期老化、長(zhǎng)期老化后25 ℃的殘留針入度比殘留針入度比(見圖11)來(lái)評(píng)價(jià)TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的抗老化性能。殘留針入度比是指老化后瀝青的針入度占未老化瀝青的針入度的百分比，殘留針入度比越大，瀝青的抗老化性能越好[3]。

圖11 殘留針入度比Figure 11 Residual penetration ratio

由圖11可見，隨TLA摻量的增大，2%SBR短期、長(zhǎng)期老化后的殘留針入度比與3%SBR短期老化后的殘留針入度比均逐漸增大，當(dāng)TLA摻量超過20%后，殘留針入度比的增大趨勢(shì)很緩慢；隨TLA摻量的增大，3%SBR長(zhǎng)期老化后的殘留針入度比先增大后減小，拐點(diǎn)在20%TLA。在5%～20%的TLA，隨SBR摻量的增大，短期、長(zhǎng)期老化后的殘留針入度比均有所增大；在30%的TLA，隨SBR摻量的增大，短期老化后的殘留針入度比增加幅度很微弱，而長(zhǎng)期老化后的殘留針入度比卻有所下降。對(duì)比SBR，TLA對(duì)瀝青抗老化性能的改善效果更顯著。以上描述說明：摻加5%～20%的TLA能有效改善TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的抗老化性能，但當(dāng)摻量超過20%，TLA對(duì)抗老化性能有改善已不明顯甚至有負(fù)面效果。在5%～20%的TLA，增大SBR摻量能改善瀝青的抗老化性能；在30%TLA，增大SBR摻量會(huì)損害瀝青的抗老化性能。從抗老化性能改善效果來(lái)看，推薦TLA摻量為20%。

3 結(jié)論

a.隨TLA摻量的增大，軟化點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)粘度、針入度指數(shù)均增大，針入度呈指數(shù)下降；隨SBR摻量的增大，軟化點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)粘度、針入度指數(shù)均增大，針入度減小。SBR與TLA都能改善TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的高溫性能和感溫性。對(duì)比TLA，SBR對(duì)瀝青高溫性能的改善效果更顯著。

b.隨TLA摻量增大，當(dāng)量脆點(diǎn)增大，5℃延度呈指數(shù)下降；隨SBR摻量增大，5℃延度增大，當(dāng)量脆點(diǎn)減小。TLA對(duì)瀝青低溫性能不利，摻加SBR能改善瀝青的低溫性能。從改善低溫性能與節(jié)約成本兩方面綜合考慮，建議SBR摻量為3%。

c.隨著SBR與TLA摻量增加，G*和車轍因子都逐漸增大，δ逐漸減小，說明SBR和TLA都能改善瀝青的高溫抗變形能力。當(dāng)TLA摻量超過20%后，TLA對(duì)的G*和車轍因子的改善效果減弱，從改善高溫性能與節(jié)約成本兩方面綜合考慮，建議TLA摻量為20%。

d.摻入TLA會(huì)使TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的S值增大、m值減小，對(duì)瀝青的低溫性能不利；摻入SBR會(huì)使S值減小、m值增大，改善瀝青的低溫抗裂性。為滿足Superpave對(duì)低溫性能的規(guī)定，建議TLA的摻量不超過20%。

e.摻加TLA能改善TLA/SBR復(fù)合改性瀝青的抗老化性能，但TLA的摻量不宜超過20%。在5%～20%的TLA，SBR能改善瀝青的抗老化性能；在30%的TLA，增大SBR摻量會(huì)損害瀝青的抗老化性能。