雷一川

(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410015)

0 概述

改性瀝青以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在公路路面工程中得到了廣泛應(yīng)用，它不僅可以改善瀝青路面的使用性能，也可以在很大程度上延長(zhǎng)其使用壽命。隨著公路建設(shè)的發(fā)展，為滿足特殊情況下對(duì)瀝青路面提出的特殊性能需要，如長(zhǎng)縱坡重荷載下抗車轍性能、鋼橋面大變形性能等，除傳統(tǒng)的瀝青改性劑外，在某些性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)的新型瀝青改性劑得到了較大發(fā)展，在實(shí)際工程中得到了不同程度的應(yīng)用，對(duì)其研究工作不斷深入。

TPS 瀝青改性劑首先作為專門(mén)的排水性瀝青路面改性劑由日本研制，并在實(shí)際工程中取得了很大成功。隨著應(yīng)用的不斷增加，對(duì)該改性瀝青的研究也不斷深入。TPS 改性瀝青最大的特點(diǎn)是60 ℃粘度高達(dá)20 000 Pa·s，對(duì)排水性瀝青混合料強(qiáng)度及耐久性的提高起到關(guān)鍵作用［1］。研究表明，TPS 改性瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、疲勞性能和彈性恢復(fù)能力均有不同程度的改善［2］。另外，TPS 改性瀝青軟化點(diǎn)高，60 ℃時(shí)粘度高，高溫時(shí)流動(dòng)性低，且不易堵塞;延伸性大，不易產(chǎn)生裂縫，與集料粘聚力大，抗剝離性強(qiáng)，高溫時(shí)粘性容易控制，瀝青不易松懈流淌，混合料離析小、容易攤鋪均勻［3］。變形性能是改性瀝青的重要指標(biāo)，工程中主要表現(xiàn)為高溫車轍變形和低溫開(kāi)裂，本文主要研究TPS 改性瀝青混合料的變形性能。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

TPS(全稱TAFPACK-Super)以熱塑性橡膠為主要成分，呈淡黃色，是一種專為排水性瀝青路面而生產(chǎn)的瀝青改性劑。本試驗(yàn)選取日本大有公司生產(chǎn)的TPS 瀝青改性劑，瀝青為Shell 70#基質(zhì)瀝青，按照文獻(xiàn)［4］的要求對(duì)基質(zhì)瀝青的基本性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，如表1所示。

表1 Shell 70#基質(zhì)瀝青基本性能指標(biāo)

試驗(yàn)用的粗集料、細(xì)集料和填料分別為玄武巖、石灰?guī)r和石灰?guī)r礦粉，按照文獻(xiàn)［5］的要求對(duì)集料和填料的各主要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。礦料級(jí)配采用AC－13，設(shè)計(jì)級(jí)配如表3示。

表2 集料試驗(yàn)結(jié)果

表3 瀝青混合料采用的級(jí)配

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)已有試驗(yàn)及廠家產(chǎn)品推薦，TPS 改性劑摻量一般為瀝青質(zhì)量的10%～18%［4］。試驗(yàn)選取4種TPS 改性劑摻量，分別為瀝青質(zhì)量的10%、12%、14%、16%。為便于分析對(duì)比，另外取基質(zhì)瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，即TPS 摻量為0%。對(duì)5 種瀝青混合料分別進(jìn)行同條件的變形性能試驗(yàn)。

1.2.1 馬歇爾試驗(yàn)

采用馬歇爾試驗(yàn)確定5 種不同TPS 摻量的瀝青混合料最佳油石比，按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ F40 －2004)所推薦的方法進(jìn)行，馬歇爾試件尺寸為Φ101.6 mm×63.5 mm。

1.2.2 車轍試驗(yàn)

抗剪切強(qiáng)度不足是導(dǎo)致瀝青路面車轍形成的主要原因之一，當(dāng)瀝青混合料受到的剪切應(yīng)力超過(guò)自身所能承受的抗剪強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生剪切破壞，在實(shí)際工程中以車轍的形式表現(xiàn)出來(lái)［6］。評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫抗變形性能的試驗(yàn)方法有多種，如以抗剪強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)的三軸剪切試驗(yàn)方法，以動(dòng)穩(wěn)定度和相對(duì)變形作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的車轍試驗(yàn)。車轍試驗(yàn)是對(duì)瀝青路面在輪載作用下產(chǎn)生車轍的模擬，直觀簡(jiǎn)單，評(píng)價(jià)指標(biāo)動(dòng)穩(wěn)定度與瀝青路面的車轍深度有較好的相關(guān)性。本試驗(yàn)采用車轍試驗(yàn)，以動(dòng)穩(wěn)定度和相對(duì)變形來(lái)評(píng)價(jià)TPS 改性瀝青混合料的高溫變形性能。試驗(yàn)溫度取60 ℃，試件為300 mm ×300 mm×50 mm 碾壓成型的車轍板，試驗(yàn)方法嚴(yán)格按照規(guī)范［4］執(zhí)行。

1.2.3 劈裂試驗(yàn)

裂縫是瀝青混合料路面典型的病害之一，溫縮裂縫是瀝青混合料路面裂縫較常見(jiàn)的形式。研究表明瀝青路面在17 ℃左右發(fā)生的溫度急聚變化極易產(chǎn)生溫縮裂縫［7］。目前，評(píng)價(jià)改性瀝青低溫性能的方法較多，主要有小梁彎曲試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，通過(guò)不同試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而評(píng)價(jià)其低溫變形性能。材料應(yīng)同時(shí)具有較高的強(qiáng)度和應(yīng)變松弛能力，才有較好的低溫抗裂性［8］。論文從瀝青混合料產(chǎn)生裂縫的根本原因出發(fā)，采用其它指標(biāo)對(duì)現(xiàn)有的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)充和完善。從本質(zhì)來(lái)講，材料的斷裂過(guò)程也是材料吸收外界能量的過(guò)程，材料斷裂前吸收的能量越多，其抗裂性就越好。通過(guò)劈裂試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理分析，對(duì)TPS 改性瀝青混合料低溫變形性能的評(píng)價(jià)引入能量比指標(biāo)。TPS 改性瀝青混合料的變形性能與瀝青、TPS 摻量和混合料級(jí)配等都有密切的關(guān)系。因此，首先固定瀝青種類、集料類型、級(jí)配等變量，對(duì)不同TPS 摻量的瀝青混合料進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，用能量比并結(jié)合劈裂強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)TPS改性瀝青混合料的變形性能。

劈裂試驗(yàn)嚴(yán)格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20 －2011)中規(guī)定的操作方法，試驗(yàn)溫度為15 ℃，采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，尺寸為Φ101.6 mm ×63.5 mm，每種 TPS 摻量制作 3 個(gè)試件，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)儀器為MTS810。

2 馬歇爾試驗(yàn)

不同TPS 摻量的瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4所示。

表4 不同TPS 摻量的瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表4可以看出，隨著TPS 摻量的增加，瀝青混合料最佳油石比增加，毛體積密度逐漸減小，空隙率和流值增加;經(jīng)TPS 改性的瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度比基質(zhì)瀝青混合料都有一定程度的提高，隨TPS摻量的增加馬歇爾穩(wěn)定度先增大后減小，在TPS 摻量為12%時(shí)出現(xiàn)最大值11.79 kN。說(shuō)明TPS 對(duì)瀝青混合料馬歇爾動(dòng)穩(wěn)定度的提高有很大的積極作用，同時(shí)存在最佳摻量。經(jīng)TPS 改性的瀝青稠度增加，瀝青膜變厚，最佳油石比增加，空隙比增大，另外與集料粘聚力大，抗剝離性強(qiáng)，表現(xiàn)穩(wěn)定度增大。

3 車轍試驗(yàn)

不同TPS摻量的瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5所示。

表5 不同TPS 摻量的瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，TPS 改性瀝青混合料相比基質(zhì)瀝青混合料，動(dòng)穩(wěn)定度有了非常大的提高，動(dòng)穩(wěn)定度最大值是基質(zhì)瀝青混合料的近3 倍，相對(duì)變形也有大幅減小;隨著TPS 摻量的增加，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度先增大后減小，相對(duì)變形先減小后增大。動(dòng)穩(wěn)定度越大，相對(duì)變形越小，瀝青混合料的高溫變形性能越好。TPS 存在最佳摻量14%，動(dòng)穩(wěn)定度最大為4 236 次/mm，相對(duì)變形最小為2.5，此時(shí) TPS 改性瀝青混合料的高溫變形性能最好。基質(zhì)瀝青加入TPS 后稠度增大，說(shuō)明TPS 改性瀝青混合料總變形中彈性變形部分增大，該部分彈性變形在卸載后可恢復(fù)，瀝青路面在荷載作用下高溫的累積變形可有效減少，從而高溫變形性能得到改善?；|(zhì)瀝青經(jīng)TPS 改性后，稠度和粘度有了極大提高，說(shuō)明TPS 改性瀝青具有更好的抗高溫變形能力。

4 劈裂試驗(yàn)

4.1 劈裂試驗(yàn)分析

為保證劈裂試驗(yàn)過(guò)程中獲取的水平變形的準(zhǔn)確性，本試驗(yàn)不直接測(cè)量試件的水平變形，而是采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20－2011)中提供的方法來(lái)計(jì)算試件的水平變形。不同TPS 摻量的瀝青混合料劈裂試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同TPS 摻量的瀝青混合料劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從表6所示的劈裂試驗(yàn)結(jié)果可以得出，TPS 改性瀝青混合料相比基質(zhì)瀝青混合料，劈裂抗拉強(qiáng)度和勁度模量都有不同程度的提高，破壞拉伸應(yīng)變有不同程度的減小，說(shuō)明TPS 對(duì)瀝青混合料的抗裂性能有重要影響。隨TPS 摻量的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，在摻量為12%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度最大為1.240 MPa，是基質(zhì)瀝青混合料的1.3 倍多。隨TPS摻量的增加，勁度模量先增大后減小，與劈裂抗拉強(qiáng)度存在同樣的變化規(guī)律，勁度模量的最大值同樣出現(xiàn)在TPS 摻量為12%的點(diǎn)上。因此，TPS 改性劑對(duì)瀝青混合料的低溫變形性能的影響存在最佳摻量。

瀝青混合料中TPS 的摻入使得劈裂抗拉強(qiáng)度和勁度模量都有不同程度的提高，從劈裂抗拉強(qiáng)度提高的角度來(lái)看，TPS 的加入使得瀝青混合料的低溫變形能力得到加強(qiáng)，但從勁度模量的提高來(lái)看則又表明低溫變形能力被削弱，該狀況在文獻(xiàn)［9］中也有說(shuō)明。勁度模量大則材料的應(yīng)力松弛能力弱，反之則強(qiáng)。較高的抗拉強(qiáng)度和較低的勁度模量可使材料具有較好的低溫變形能力。因此，單從劈裂強(qiáng)度的變化來(lái)分析TPS 改性瀝青混合料的變形性能帶有一定的片面性。

4.2 能量比分析

為便于從能量角度分析瀝青混合料變形性能，根據(jù)試驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)繪制不同TPS 摻量的瀝青混合料劈裂試驗(yàn)水平變形和荷載的變化曲線，如圖1所示。

圖1 劈裂試驗(yàn)水平變形－荷載曲線

瀝青混合料試件的斷裂過(guò)程分為兩部分，一是從起始位移到最大荷載位移的過(guò)程;一是從最大荷載位移到試件明顯斷裂位移的過(guò)程，試件斷裂吸收能量的過(guò)程也分為這兩部分。試件從最大荷載位移到試件明顯斷裂位移在整個(gè)斷裂過(guò)程總位移中占很大比重［9］，所以從最大荷載位移到明顯斷裂位移的水平位移－荷載變化曲線也能定性分析評(píng)價(jià)不同TPS 摻量的瀝青混合料的變形性能。從圖1可以看出，相比普通瀝青混合料TPS 改性瀝青混合料在達(dá)到最大荷載后，荷載下降速度放緩，說(shuō)明試件在最大荷載之后的承載能力有一定程度的增強(qiáng)，抵抗開(kāi)裂破壞繼續(xù)發(fā)展的能力得到了提高。由此說(shuō)明，TPS對(duì)提高瀝青混合料抵抗開(kāi)裂破壞繼續(xù)發(fā)展方面有一定的增強(qiáng)效果。

由于不同TPS 摻量的瀝青混合料破壞荷載大小不同，為進(jìn)一步分析不同TPS 摻量對(duì)瀝青混合料抵抗開(kāi)裂繼續(xù)發(fā)展的能力的影響，有必要將不同TPS 摻量的瀝青混合料水平變形—荷載曲線納入同一參考點(diǎn)下進(jìn)行分析，為此將圖1水平變形—荷載曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，將曲線上的荷載分別除以破壞荷載，水平位移分別除以破壞荷載時(shí)的水平位移，兩坐標(biāo)軸均轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱單位，如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化水平變形－荷載曲線

從圖2可以明顯看出，TPS 改性瀝青混合料水平變形－荷載曲線在破壞荷載后的曲線都在普通瀝青混合料的上方，且不同TPS 摻量的瀝青混合料水平變形－荷載曲線在破壞荷載后的曲線所處的位置不同，其位置由高到低分別對(duì)應(yīng)12%、10%、14%、16%，說(shuō)明TPS 對(duì)提高瀝青混合料抵抗開(kāi)裂破壞繼續(xù)發(fā)展的能力有很好的提高，同時(shí)也說(shuō)明不同TPS摻量對(duì)瀝青混合料這方面能力的提高有不同的影響，存在最佳摻量為12%，在該摻量下曲線下降速度最為緩慢，提高效果最明顯。

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，試件發(fā)生明顯斷裂時(shí)的水平位移都集中在1 mm 附近，試件發(fā)生斷裂的整個(gè)過(guò)程可視為水平位移增大到1 mm 的過(guò)程。為從試件斷裂的整個(gè)過(guò)程來(lái)分析不同TPS 摻量的瀝青混合料變形能力，計(jì)算水平位移為1 mm 時(shí)荷載－變形曲線下的面積A，該面積反映試件在整個(gè)斷裂過(guò)程中吸收能量的大小，即反映瀝青混合料變形能力的大小。為便于分析比較，將計(jì)算的不同TPS 摻量的瀝青混合料水平位移為1 mm 時(shí)變形－荷載曲線下的面積除以普通瀝青混合料相應(yīng)的面積，并定義該指標(biāo)為能量比，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

從表7的計(jì)算結(jié)果可以看出，TPS 改性瀝青混合料試件的能量比相對(duì)普通瀝青混合料有不同程度的增加，且隨TPS 摻量的增加改性瀝青混合料的能量比先緩慢增加再快速減小，中間出現(xiàn)峰值，摻量為12%時(shí)，TPS 改性瀝青混合料的能量比最大為1.45，相對(duì)普通瀝青混合料提高了45%。說(shuō)明TPS 在一定摻量范圍內(nèi)，瀝青混合料的能量比存在最佳摻量為12%。在TPS 摻量小于最佳摻量時(shí)能量比增幅不明顯，在TPS 摻量大于最佳摻量時(shí)降幅明顯，說(shuō)明相對(duì)于最佳摻量的瀝青混合料，TPS 摻量超過(guò)最佳摻量時(shí)對(duì)瀝青混合料的能量比有明顯的抑制作用。由此可以得出，在一定摻量范圍內(nèi)，TPS 改性劑可以增加瀝青混合料在整個(gè)斷裂過(guò)程中所吸收的能量，最終反映出TPS 對(duì)瀝青混合料低溫變形性能有良好的促進(jìn)作用，且摻量在12%時(shí)的促進(jìn)作用最為明顯。

表7 不同TPS 摻量的瀝青混合料能量比結(jié)果

5 結(jié)論

1)TPS 改性瀝青混合料相比基質(zhì)瀝青混合料，動(dòng)穩(wěn)定度大大提高，相對(duì)變形大大減小。TPS 最佳摻量為14%時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度最大，相對(duì)變形最小，改性瀝青混合料的高溫變形性能最好。

2)劈裂試驗(yàn)結(jié)果可以看出，TPS 改性瀝青混合料相比基質(zhì)瀝青混合料，劈裂抗拉強(qiáng)度和勁度模量都有不同程度的提高，破壞拉伸應(yīng)變有不同程度的減小，說(shuō)明TPS 對(duì)瀝青混合料的抗裂性能有著重要影響。隨TPS 摻量的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)峰值。摻量為12%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度最大，此時(shí)的瀝青混合料低溫變形性能最佳。

3)通過(guò)對(duì)各瀝青混合料試件從最大荷載位移到試件明顯斷裂位移過(guò)程的荷載－水平位移變化曲線的分析，發(fā)現(xiàn)TPS 對(duì)提高瀝青混合料抵抗開(kāi)裂破壞繼續(xù)發(fā)展的能力有一定的增強(qiáng)效果，不同TPS 摻量的瀝青混合料抵抗開(kāi)裂破壞繼續(xù)發(fā)展的能力不同，存在最佳摻量12%，在該摻量下曲線下降速度最慢，提高效果最明顯。

4)在劈裂試驗(yàn)分析中發(fā)現(xiàn)，用劈裂抗拉強(qiáng)度和勁度模量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)同時(shí)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫變形性能，可能得出相反的結(jié)果。為深入分析，從瀝青混合料整個(gè)斷裂過(guò)程吸收的能量出發(fā)，引入了能量比的概念，以能量比作為瀝青混合料低溫變形性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出TPS 摻量在12%時(shí)，瀝青混合料的低溫變形能力最優(yōu)，與劈裂強(qiáng)度得出的結(jié)論一致。

5)綜合車轍試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和能量比分析，重點(diǎn)考慮TPS 改性瀝青混合料變形性能時(shí)，TPS 摻量宜取12%～14%。目前，TPS 改性劑價(jià)格較高，對(duì)其在工程中的大量使用起到了一定程度的限制作用，但在對(duì)瀝青路面變形性能要求較高的特殊路段，如長(zhǎng)縱坡重荷載交通下的路段、鋼橋面路段等，可以嘗試推廣使用，并在實(shí)踐中對(duì)TPS 改性瀝青作更為深入的研究。

［1］鄧喜昌，龐立果.TPS 高粘度改性瀝青在OGFC 路面中的應(yīng)用研究［J］.山西建筑，2009，35(4):205 －206.

［2］張 銳，黃曉明，趙永利，等.加入新型添加劑的瀝青混合料路用性能研究［J］.公路交通科技，2006，23(11):27 －30.

［3］馬濉溪.TPS 改性瀝青及瀝青混合料路用性能研究［J］.淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(5):68 －70.

［4］JTG E20 －2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［5］JTG E42 －2005，公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［6］孟曉慧.改性瀝青混合料抗變形性能試驗(yàn)研究［D］.呼和浩特:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2013.

［7］張 銳，黃曉明，侯曙光，等.新型瀝青添加劑TPS 的性能［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2006，6(4):36 －40.

［8］陳華鑫，胡長(zhǎng)順，張爭(zhēng)奇.纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，32(4):82 －86.

［9］郭乃勝，趙穎華，孫略倫.纖維摻量對(duì)聚酯纖維瀝青混凝土韌性的影響［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2006，6(4):32 －35.