TPS改性沥青及沥青混合料路用性能研究

收稿日期 : 2007207217 作者简介 : 马濉溪 (1971 - ) ,男 ,安徽濉溪人 ,淮北市市政工程管理处工程师。 TPS 改性沥青及沥青混合料路用性能研究 马濉溪 (淮北市市政工程管理处 , 安徽 淮北 　235000) 摘要 :分析新型添加剂 TPS 的特性及改性沥青评价方法 ,采用常规性能试验及 SHRP 试验测试分析了不同 TPS 掺量对基质沥青的感温性能、高温性能、低温性能的影响 ,对 TPS 添加剂的改性作用进行综合评价。同时对 TPS 改性沥青混合料的路用性能进行了综合评价 ,并与基质沥青及 SBS 改性沥青混合料作对比分析。试验结 果证明 , TPS 添加剂能明显改善沥青及沥青混合料的各项性能 ,随着掺量的增加 ,沥青性能得到逐步改善 ,同时 也存在最佳掺量 ,超过该掺量后 ,性能改善不明显 ,甚至会起到相反的作用。 关键词 :道路工程 ; 沥青 ; TPS ; 性能试验 ; 评价分析 中图分类号 :U416. 217 　　文献标识码 :A 　　文章编号 :167128275 (2007) 0520068203 　　1 　概述 由于我国高速公路的建设起步晚 ,技术力量的储备较 少 ,经济基础较差 ,以及我国的气候和交通荷载条件恶劣 , 车辆超载严重 ,优质的道路石油沥青等原材料缺乏等原因 , 铺筑的高速公路路面结构还存在种种问题 ,一些路段的建 设水平并不如人意 ,甚至通车几年就发生了车辙、开裂、泛 油、坑槽等早期损坏现象 ,不得不进行大面积维修。不仅对 社会、交通造成了很大的影响 ,在经济上也造成了很大的损 失。实践 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 ,通过一定工艺 ,在沥青中加入一定剂量和种 类的添加剂 ,能显著改善道路石油沥青的某些性能 ,有些添 加剂甚至对沥青混合料的几乎所有性能都有所提高 ,因此 在沥青混合料中加入添加剂对提高沥青路面的使用性能 , 延长路面的使用寿命 ,具有十分重要的意义。 本文针对新型沥青添加剂 TPS 的特性 ,对添加了 TPS 的沥青及沥青混合料性能进行测试研究 ,并与基质沥青及 SBS 改性沥青进行综合对比分析。 2 　TPS添加剂特性 TPS (全称 TA FPACK - Super) 是一种专为排水性沥 青路面而生产的沥青改良添加剂。TPS 是以热塑性橡胶 为主要成分 , 再配以粘结性树脂和增塑剂等其他成分 , 用 机械搅拌混合方式能使普通沥青改良成为排水性沥青路面 用的高粘度粘结剂。TPS 特点如表 1 所示。 表 1 　TPS 的特点 特点 效果 软化点高 ,60 ℃ 时粘度高 高温时流动性低 ,不易堵塞 延伸性大 不易产生裂缝 与石料凝聚力 大 ,抗剥离性强 石料不易飞散 高温时粘性得 到控制 沥青不易松懈流淌 ,不附着在装载车上 ,混 合料不易出现离析、不易成团 ,容易摊铺均 匀 ,操作方便 TPS 改性沥青属于高粘度改性沥青 ,其最大特点是 60 ℃粘度高达 20000 Pa ·s。有研究表明沥青 60 ℃粘度对 提高排水性沥青混合料强度及耐久性起着关键性作用。使 用 TPS 改性剂不仅能使排水性路面用沥青结合料达到所 需要求 ,而且在实际使用的沥青工厂及施工现场的使用性 能也能大幅度的得以改善。 3 　改性沥青评价方法 关于改性沥青及改性沥青混合料的性能评价指标和方 法 ,国际上还没有统一 ,不过有一点是共同的 ,那就是不能 完全照搬普通沥青的评价指标。这是因为 ,改性沥青中的 改性剂总的来说 ,它并没有与沥青发生化学反应 ,主要是物 理的分散、均混、吸附、交联。无论分散的如何均匀 ,那也不 可能成为完全的均质体 ,仍然相当于在沥青均质体中混进 了杂质 ,是两相或多相的混合体。 现行评价改性沥青的方法有三大类 : (1) 采用沥青性能指标的变化程度来衡量 ,如针入度、 软化点、延度、粘度、脆点的变化程度。变化值越大 ,改性效 果越好。由于对广大工程人员来说 ,这些指标测定方法简 单 ,意义明确 ,容易接受 ,所以是目前生产上最常用的方法。 (2) 针对改性沥青的特点开发的试验方法 ,如弹性恢 复试验、测力延度试验、粘韧性试验、冲击板试验、离析试验 等。 (3) 美国 SHRP 提出的沥青结合料性能 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 。SHRP 声称此规范既适用于普通沥青 ,也适用于改性沥青。 考虑到 TPS 拌和过程较长 ,改性沥青制作过程中基质 沥青会有一定程度的老化 ,因此 ,为了避免这种影响 ,按改 性沥青的制作工艺将基质沥青采用相同的方法、相同的时 间进行模拟加工 ,与改性沥青进行对比。 4 　TPS改性沥青性能分析 采用高速剪切机将添加了 TPS 改性剂的沥青剪切搅 拌均匀后测定 TPS 的感温性能 ,高温性能 ,低温性能 ,为了 避免试验的误差 ,应尽量采用同一批次的 TPS 改性沥青进 行相应的试验分析。 ·86· 第 6 卷 　第 5 期 2007 年 10 月 淮北职业技术学院学报 J OU RNAL OF HUA IBEI PROFESSIONAL AND TECHN ICAL COLL EGE Vol. 6 No. 5 Oct12007 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 411 　TPS 改性沥青的感温性分析 在基质沥青中添加不同比例的 TPS 改性剂后 ,分别测 定其 15 ℃,25 ℃,30 ℃的针入度 ,并计算针入度指数 ,以分 析 TPS 对沥青胶结料感温性能的影响 ,试验结果如表 2 所 示。 表 2 　不同 TPS 掺量的沥青针入度及针入度指数变化 TPS 15 % 12 % 9 % 6 % 3 % 同等老化基质沥青 15 ℃针入度 / 011mm 20144 211 42 2018 2013 20 1916 25 ℃针入度 / 011mm 41128 441 22 461 94 521 82 5610 58 30 ℃针入度 / 011mm 641 2 681 54 761 24 851 92 971 74 1051 8 针入度指数 1137 1124 0147 - 0128 - 0188 - 1125 从上述试验结果可以看出 , TPS 改性沥青的 25 ℃、 30 ℃针入度随着改性剂掺量的增加而减小 ,但是 15 ℃针入 度随改性剂掺量增加略有增加 ,且大于老化后的基质沥青 的 15 ℃针入度 ,这主要是由于稠度不变温度的存在造成 的。稠度不变温度为在此温度下 ,无论掺不掺加改性剂 ,掺 多少 ,沥青的针入度几乎保持不变 ,高于此温度时 ,随着改 性剂的剂量增加 ,针入度减小 ,低于此温度时 ,随着改性剂 的剂量增加 ,针入度增加。TPS 的 15 ℃针入度大于老化后 的基质沥青的 15 ℃针入度的原因是 TPS 的稠度不变温度 较高 ,通过诺谟图计算得出 TPS 的稠度不变温度为 17 ℃左 右。 与老化后的基质沥青相比 , TPS 加入后沥青的针入度 指数明显增大 ,掺量较高时针入度指数也较大 ,说明 TPS 改性沥青的温度敏感性降低。 412 　沥青胶结料的高温性能 目前普遍认为 ,美国的 SHRP 指标体系与沥青路面的 使用性能间具有较好的相关性 ,可更有效的反映沥青路面 的实际使用效果。而根据相关的研究所做的稠度试验的结 果表明 ,稠度试验评判结果与 SHRP 试验评判结果有非常 好的相关性。利用稠度试验不仅可以测试沥青的稠度、粘 度 ,同时可对沥青中添加的改性剂进行评判。高温时基质 沥青的粘度值和稠度值可以认为是相等的 ,表明普通沥青 在高温下的变形几乎全部为不可恢复的塑性变形 ,而改性 沥青在高温下粘度明显低于稠度 ,表明其总变形中存在明 显的弹性变形 ,而此部分弹性变形可卸载后恢复 ,因此有利 于减少沥青路面在高温下的累积变形 ;同时基质沥青和改 性沥青的回弹率的差异也证明了这一点。 采用软化点与 45 ℃下的稠度测试来反映不同掺量 TPS 添加剂对基质沥青高温性能的改性作用 ,相应的试验 结果如表 3 所示。 表 3 　加入 TPS 添加剂后的软化点及稠度指标变化 TPS 15 % 12 % 9 % 6 % 3 % 同等老化基质沥青 45 ℃稠度 9977 9137 6243 4222 3292 3206 软化点 > 80 ℃ > 80 ℃ 781 9 ℃ 5018 ℃ 49 ℃ 481 4 由试验结果可见 ,加入 TPS 添加剂后 ,沥青胶结料的 软化点随着改性剂掺量的增加而升高 ,掺量达到一定程度 后软化点都大于 80 度 ,说明改性后沥青具有良好的高温性 能。 TPS 加入后稠度增大 ,表明沥青的总变形中弹性变形 部分的增大 ,此部分弹性变形可卸载后恢复 ,沥青路面在满 载高温下的累积变形可以得到有效的减少 ,从而高温性能 得到改善。普通沥青与改性沥青之间的稠度和粘度之间通 常有 3～7 倍的差别 ,这也进一步表明改性沥青具有更好的 抵抗高温变形的能力。 413 　沥青胶结料的低温性能及弹性恢复 采用延度及 SHRP 的直接拉伸 (D TT) 和简支梁弯曲 蠕变 (BBR)试验来测定不同 TPS 掺量对基质沥青的低温 性能的改善作用。同时测定了 TPS 改性沥青的弹性恢复 能力 ,相应的试验结果如表 4 所示。 表 4 　TPS 改性剂不同掺量下的沥青低温及弹性恢复性能变化 TPS 15 % 12 % 9 % 6 % 3 % 同等老化基质沥青 15 ℃延度/ cm 80 93 133 118 > 150 > 150 5 ℃延度/ cm 62 64 52 37 18 11 5 弹性恢复/ % 100 % 100 % 95 % 55 % 20 % - 6 ℃D T T 1 %切线模量/ MPa 10819 1111 8 断裂应变 11 57 11 47 断裂时拉伸应力 11 35 11 33 - 12 ℃D T T 1 %切线模量/ MPa 5919 16917 23913 断裂应变 21 0 1187 11 67 01 77 断裂时拉伸应力 0185 2136 31 21 21 14 - 18 ℃D T T 1 %切线模量/ MPa 130 32216 断裂应变 2123 11 18 断裂时拉伸应力 1189 31 61 - 12 ℃BBR m 值 01 378 01 382 01393 01401 劲度 S 126 147 165 167 - 18 ℃BBR m 值 01 308 01 264 劲度 S 125 312 ·96· 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　淮北职业技术学院学报 　　　　　　　　　　　　　　2007 年第 5 期 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　　对于 15 ℃延度 ,掺入改性剂后 ,延度随着掺量的增加 而减小 ,但是在拉伸过程中可以明显感觉到拉力变大 ,低温 延度与低温开裂性能关系密切 ,虽然延度降低 ,但是拉力变 大 ,抵抗开裂的能力得到增强。对于 5 ℃延度 ,加入 TPS 改 性剂后延度不断增大 ,表明低温性能得到了改善。 在 D TT 试验中 ,当掺量大于等于 9 %后 , - 12 ℃下都 能保证断裂应变大于 1 % ,且随着掺量的增加 ,断裂应变增 加 ,同时 1 %切线模量下降。在 - 18 ℃下 ,具有相同的规 律。掺量在 6 %及以下时 ,在 - 6 ℃情况下 ,随着掺量的增 加 ,1 %切线模量减小 ,断裂应变增大 ,变形能力随着掺量的 增加而增加 ,低温性能得到加强。 如果沥青弹性恢复好 ,路面在荷载作用下产生的变形 , 能在荷载通过后迅速恢复 ,从而留下的残余变形小 ,有良好 的自愈性。可以看到随着 TPS 改性剂的增加弹性恢复能 力增强 ,超过一定掺量后 ,弹性恢复为 100 %。 5 　TPS改性沥青混合料路用性能 与传统的改性剂相比 , TPS 的一个很大的优势在于它 可以直接投入到拌和的混合料中以生产 TPS 改性沥青混 合料 根据前述 TPS 沥青胶结料试验及厂家推荐的 TPS 用 量 ,采用 1315 %的 TPS 掺量 ,用比较常用的车辙试验 ,低温 弯曲破坏试验 ,冻融劈裂试验 ,应变控制的小梁疲劳试验分 别评价 TPS 改性沥青混合料的高温性能 ,低温性能 ,水稳 定性能及抗疲劳性能。 对于聚合物改性沥青混合料 ,改性剂有一个冷却固化 的过程 ,为此将试件成型后放置 48h 以上 ,待完全固化后进 行试验。试验结果如表 5 所示。 表 5 　TPS 改性沥青混合料路用性能测试 沥青种类 车辙试验 低温弯曲破坏试验 冻融劈裂试验 小梁疲劳试验 动稳定度/ (次/ mm) 变形量/ mm 弯拉强度/ MPa 最大弯拉应变 劈裂强度比/ % 结束劲度 循环次数 基质沥青 1280 1815 71 84 01001034 8315 2708 86500 TPS 5720 21 2 10127 01001366 92 2763 754705 SBS 改性沥青 4080 21 5 10130 01001895 91 2733 292080 　　表中的试验数据显示 , TPS 改性沥青混合料的高温性 能 ,水温性能及抗疲劳性能均优于 SBS 改性沥青混合料 ,低 温性能略低于 SBS 改性沥青混合料 ,但是相对于基质沥青 仍有很大的改善。可以看到 , TPS 添加剂可以很好的改善 沥青混合料的路用性能。 6 　结论 对新型添加剂 TPS 不同掺量下改性沥青高温、低温和 感温性能的测试分析结果表明 : TPS 能很好的改善沥青性 能 ,随着 TPS 掺量的增加沥青的各项性能都得到明显的改 善 ,试验结果显示 TPS 的最优掺量在 12 %至 15 %之间 ,而 更具体最优掺量的确定 ,则依赖于想要改善的性能的主次 性 ,同时也取决于使用的基质沥青。 TPS能够很好的改善沥青混合料的各项路用性能。但 是不同掺量下的沥青混合料性能变化规律以及针对混合料 路用性能的最优掺量的确定还有待更进一步深入的研究。 参考文献 : [1 ] 　陈平. 我国沥青指标的试验评价及附加指标的研究 [D ]. 南京 :东南大学 ,2005. 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