特立尼达湖沥青(TLA)改性沥青及混合料.docx

特立尼达湖沥青（TLA）改性沥青及混合料
在重庆綦万高速的路用性能研究
陈 桥
(豪银有限公司)

摘要：本研究依托重庆綦万高速维修试验段对TLA改性沥青及其混合料进行了一系列室内试验研究，包括不同掺量的TLA改性沥青的技术性质试验，TLA改性沥青混合料的高温车辙试验、浸水马歇尔试验、和渗水试验。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，可应用于我国高速公路沥青路面工程中。
关键词：TLA；改性沥青；混合料；路用性能

Research on Pavement Performance of TLA Modified Asphalt and Its Mixture on qi-wan highway
Joe-chen

Abstract:A series of laboratory tests of TLA modified asphalt and its mixture were made.These included different content TLA modified asphalt technical property test, TLA modified asphalt mixture rutting test at high temperature,retained stability and freeze and thaw split test,,permeability test. The results showed that TLA can improve the performance of asphalt at high-temperature and low-high temperature and anti-aged performance, and it is very effective to improve the performance of asphalt mixture at high temperature,the capacity of moisture-resistance damage and impermeability.So it can be applied for asphalt pavement engineering of expressway in China.
Key words: TLA；Modified asphalt；mixture；pavement performance

位于南美洲的特立尼达湖是世界上最大的天然沥青湖。将开采的湖沥青送到工厂后，先进行粗炼，加热到160℃把水蒸发，然后把熔化的材料通过细筛过筛，除去各种粗的杂质，得到的产品即称为特立尼达精炼湖沥青（Trinidad Lake Asphalt，简称TLA）。由于TLA是经过了几千万年的长时间，在地壳压力和高温的作用下充分氧化形成的天然物质，所以它具有软化点高、热稳定性好、抗氧化能力强、耐油、耐酸碱、降噪、使用寿命长等\路用性能突出优点。
TLA非常坚硬，针入度太小，无法直接与矿料拌和均匀，所以不能直接使用，通常都是与普通石油沥青掺配使用。由于TLA本身是沥青，其物理和化学特性与石油沥青一致，因此与石油沥青有极好的相容性和配伍性。通过不同掺量的TLA和石油沥青掺配，可制得不同稠度、不同针入度等级质量均匀的TLA改性沥青。TLA是一种独特的天然沥青，它具有更多的凝胶体而不是溶胶结构，可通过其特有的微观尺寸和沥青质的性质提供改性后的结构性能，降低温度敏感性。软沥青质组成物的成分给TLA中的地沥青带来了优越的抗剥落性能-----大大地提高了对石料的广泛适应性。
国外将TLA应用于道路工程已有100多年的历史，现在广泛应用于欧美许多国家，有效提高了路面的使用寿命，降低了维修养护的费用。我国上世纪70～80年代曾经对TLA进行过研究，并在北京、山西、浙江等地铺筑了试验路，均表现出良好的路用性能，但由于当时TLA价格高而国产沥青价格低的原因没有在中国推广。时至今日，随着国内外沥青价格的节节上涨，TLA改性沥青价格已经与SBS改性沥青的价格基本持平或略低，再加上TLA和石油沥青极好的相容性以及TLA改性沥青混合料良好的路用性能， TLA改性沥青在我国呈现出良好的推广应用前景。自1999年至今，已在中国大陆地区一百多个大大小小的工程中得到广泛的采用。因此，深入研究TLA改性沥青及其混合料的路用性能，具有重要的经济价值和现实意义。

本研究选择重庆高速公路通常采用的AC-13和AC-20沥青混合料进行对比，在綦万高速LK27+530～LK27+200进行了湖沥青AC-20中面层和AC-13上面层的试验段施工。分别以茂名基质沥青AH-70、SBS改性沥青和TLA改性沥青（以广东茂名沥青分别添加20%TLA、25%TLA、30%TLA而成的TLA改性沥青）进行试验对比。

1．原材料的技术性质和TLA改性沥青的制备
1.1 基质沥青
本研究采用的基质沥青为茂名A级70号沥青，其主要技术性质见表1。
表 1 基质沥青的主要技术性质
技术指标
单位
试验值
技术要求
针入度（25℃,100g,5s）
0.1mm
61.7
60～80
软化点
℃
49.4
≥46

延度
（10℃,5cm/min）

cm

≥15
（15℃,5cm/min）
>100.0未断
≥100
密度（15℃）
g/cm3
1.021
－

1.2 特立尼达精炼湖沥青（TLA）
研究表明，经过精炼加工后的TLA由以下四种物质组成：（1）地沥青（二硫化碳可溶分）占53％～55％，它包含36％软沥青质和18％沥青质。在可溶性沥青中，含67％～70％软沥青质和30％～33％沥青质。（2）矿物质（灰分），约占36％～37％，主要成分是石英和粘土。矿物质非常精细，90％小于0.075mm，44％小于0.01mm，呈珊瑚状，在高温作用下，可将沥青轻组分吸入细孔中，其作用不同于在沥青中加矿粉。（3）4.3％矿物质的化合水。（4）3.2％有机材料（在二硫化碳中不可溶解）。现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40－2004）有给出TLA和TLA改性沥青的质量技术要求，条文中说明了是参照英国BS3690、美国ASTM D5710、特立尼达和多巴哥TIS590:2002,TIS593:2002及日本沥青路面技术指南而制定的。
表2 TLA的主要技术性质
检测项目
单位
实测值
技术要求
针入度（25℃,100g,5s）
0.1mm
2.7
0～5
软化点不小于
℃
99.6
≥90
灰分
％
35.4
33～38
密度（25℃）
g/cm3
1.381
1.3~1.5
TFOT后残留针入度比、不小于
％
74
50

指标
单位
针入度等级
试验方法
TMA-30
TMA-50
TMA-70
TMA-90
针入度25℃.100g.5s
0.1mm
20-40
40-60
60-80
80-100
T 0604
粘度135℃，不大于
Pa.s
4.0
3.8
2.7
2.1
T 0625
T 0619
闪点。不小于
℃
240
T 0611

溶解度（三氯乙烯）
%
77-90
T 0607
灰分
%
7.5-19.5
T 0614
TFOT后残留物针入度比25℃.不小于
%
58
55
52
47
T 0610
T 0604
表3 TLA改性沥青质量技术要求

1.3 集料
本研究石料均用自产于重庆中梁山的石灰岩、级配、压碎值、针片状含量等均满足规范要求。
表4 集料试验检测情况表
试验项目
检测日期
含量（%）
5-10mm(小)石灰岩级配
2012年9月20日
满足设计要求
5-10mm（小）石灰岩针片状
3.2
10-20mm(大)石灰岩级配
满足设计要求
10-20mm(大)石灰岩针片状
2.8
表 的的粗、、细达石场生产的花岗岩，它们的主要技术性质分别见表333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333
1.4 填料
填料：
1.5 TLA改性沥青的制备
参考国内外有关的研究成果，在实验室按以下方法制备TLA改性沥青：分别预热基质沥青及TLA到150℃和160℃，按一定比例将基质沥青与TLA拌和，提高温度到170℃时搅拌30分钟，即制成TLA改性沥青。

2．TLA改性沥青的性能研究
根据国外使用TLA作为改性剂的经验，通常用于沥青混凝土中掺加25%～33%的TLA，在桥面铺装使用时掺加50%～70%的TLA。因此，本研究分别采用20%、25%、30%、三种TLA掺量制备TLA改性沥青，然后进行TLA改性沥青的技术性质试验，研究TLA掺量对基质沥青路用性能的影响，并与SBS改性沥青进行试验对比。见表5。

表5 茂名基质沥青AH-70、SBS改性沥青、TLA改性沥青性能指标汇总
检测项目

类别
针入度（25℃ 0.1mm）
软化点（℃）
延度（cm）
密度（g/m3）
灰分含量（%）
技术要求
实则值
技术要求
实测值
技术要求
实测值
技术要求
实测值

AH-70沥青
60-80
61.7
≧46
49.4
≧100（15℃）
≧100.0未断
-
1.021

SBS改性沥青
40-60
53.7
≧60
72.9
≧20（5℃）
35.2
-
1.024

TLA

湖
沥
青
掺
量
20%
20-40
39.0
-
54.0
-
200.0未断（25℃）
-
1.087

25%
20-40
38.0
-
55.2
-
109.7（25℃）
-
1.087

30%
20-40
34.0
-
57.8
-
85.9（25℃）
-
1.098

100%
0-5
4.7
≧90
﹥90
-
12.3
1.3-1.5
1.308
36.6

从表5可以看出以下几点：

（1）SBS改性沥青比基质沥青提高了一个针入度等级，软化点也有所提高，TLA改性沥青又比SBS改性沥青再提高一个针入度等级，这是其它一般沥青改性剂难以达到的。同SBS改性沥青相比，花同样多的钱，TLA改性沥青混合料能把道路承载能力的等级比SBS改性沥青混合料提高了一个等级。
（2）随着TLA掺量的增加，改性沥青各个温度的针入度均下降，软化点、当量软化点和粘度均上升，表明掺加TLA后，沥青的高温稳定性能得到了提高，而且TLA掺量较大时，改性效果更明显。
（3）随着TLA掺量的增加，改性沥青的延度下降，但这并不能说明改性沥青的低温抗裂性下降了。这是因为在TLA中含有35.4％的矿物质细粉，而细粉对延度值和当量脆点均有影响，延度试验中发现TLA改性沥青试件断裂时延度仪振动较大，同时能听到较大的断裂声音，表明TLA改性沥青的内聚力很大，以致影响试验结果，所以不能采用延度和当量脆点来评价TLA改性沥青的低温性能，但可以考虑采用测力延度来评价。
（4）从其它项目薄膜烘箱试验结果可以看出（广东佛山外环、见下表6），随着TLA掺量的增加，改性沥青的质量损失和软化点增值增大，针入度比和延度比在0～50％TLA掺量时呈下降趋势，当TLA掺量超过50％时呈上升趋势，但这不能说明TLA改性沥青的抗老化性能下降了。这是因为在TLA中含有少量挥发性物质，所以在薄膜烘箱试验后会出现上述结果，但当TLA的挥发性物质蒸发完后，TLA是非常稳定、耐久的粘结剂。

表6 埃索AH-70基质沥青中六种不同比例TLA掺量的改性沥青性质
试验项目
单位
0％
20％
33％
40％
45％
50％
70％
100％
针入度
15℃
0.1mm
19.2
13.5
10.5
7.8
7.2
6.5
4.2
1.1
25℃
0.1mm
64.0
45.8
31.5
27.8
22.8
20.0
10.8
2.7
30℃
0.1mm
120.7
88.8
62.7
49.2
43.3
34.7
17.0
4.3
相关系数

1
1
0.997
0.999
0.999
1
0.999
1
针入度指数PI

-1.79
-1.92
-1.57
-1.84
-1.64
-1.24
-0.13
0.08
T800
℃
45.6
47.7
51.9
52.5
54.6
58.1
70.9
87.5
T1.2
℃
-7.6
-4.3
-3.2
-0.3
0.1
-0.1
1.7
16.0
软化点
℃
48.5
51.3
53.5
56.0
58.2
60.4
67.0
99.6
延 度25℃
cm
≥150
121.8
119.9
70.1
64.2
51.0
12.2
1.1
灰分
％
－
－
9.3
11.9
－
－
－
35.4
粘度，135℃
Pa·s
0.40
0.58
0.72
0.95
-
1.22
3.42
40.82
相对密度（25℃）
g/cm3
1.030
-
1.103
1.133
-
-
-
1.381
薄膜烘箱试验
质量损失
％
0.01
-0.25
-0.33
-0.49
-0.66
-0.68
-0.73
-1.12
针入度25℃
0.1mm
59.3
40.3
25.2
22.3
16.7
12.5
7.7
2.0
针入度比
％
92.7
88.0
79.9
80.2
73.2
62.5
70.8
75.0
软化点增值
℃
0.8
1.1
1.7
3.6
2.5
4.4
3.2
4.1
延度比
％
97.9
94.5
92.8
89.3
85.0
47.9
69.5
78.8

综上所述，TLA能改善沥青的路用性能，而且掺量越大改性效果越明显，但是TLA掺量过大会使得改性沥青的粘度较大而造成施工较困难，同时会提高TLA改性沥青的成本。因此，本研究综合考虑选择20％和25％、30%的TLA掺量制备TLA改性沥青进行混合料的路用性能研究。
3． TLA改性沥青混合料路用性能研究
本研究路用性能试验采用在最佳油石比时的合成级配AC-13和AC-20并分别拌制基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料、20％TLA改性沥青混合料、25%TLA改性沥青混合料和30％TLA改性沥青混合料成型试件。

表7 AC-13沥青混合料性能各项指标对比试验结果汇总表
类型
AC-13
(AH-70)
AC-13
(SBS)
AC-13
(20%TLA)
AC-13
(25%TLA)
AC-13
(30%TLA)
技术要求
油石比（%）
5.0
5.0
5.5
5.5
5.5
-
理论最大相对密度(g/cm3)
2.509
2.508
2.526
2.526
2.528

试件毛体积密度（g/cm3）
2.390
2.400
2.408
2.411
2.417

流值（0.1mm）
23.8
33.8
30.1
28.6
21.5
15-40
稳定度（KN）
13.80
15.52
17.80
18.42
17.67
﹥8
饱和度（%）
67.3
69.6
66.3
67.5
68.0
65-75
孔隙率（%）
4.7
4.3
4.7
4.5
4.4
3-6
矿料间隙率%(VMA)
14.5
14.1
13.8
14.0
14.1
≥14.0
动稳定度（次/mm）
1788
＞1500
4104
4848
5166
5678
＞3000
浸水马歇尔残留稳定度（%）
87.1
≥80
87.9
91.2
92.0
93.5
≥85

表8 AC-20沥青混合料性能各项指标对比试验结果汇总表
类型
AC-20
(AH-70)
AC-20
(SBS)
AC-20
(20%TLA)
AC-20
(25%TLA)
AC-20
(30%TLA)
技术要求
油石比（%）
4.2
4.2
4.6
4.6
4.6
-
理论最大相对密度(g/cm3)
2.538
2.545
2.560
2.540
2.543
-
试件毛体积密度（g/cm3）
2.430
2.430
2.450
2.446
2.444
-
流值（0.1mm）
28.6
37.9
33.5
26.7
24.5
15-40
稳定度（KN）
17.67
18.95
18.73
18.7
20.43
﹥8
饱和度（%）
67.2
66.1
64.8
71.1
69.9
65-75
孔隙率（%）
4.3
4.5
4.3
3.9
3.9
3-6
矿料间隙率%(VMA)
13.0
13.0
12.2
12.9
13.0
≥13.0
动稳定度（次/mm）
2480
＞1500
4213
5107
6918

9118
＞3000
浸水马歇尔残留稳定度比（%）
83.5
≥80
91.5
94.4
91.0
88.1
≥85

3．1 高温稳定性研究
大量的试验已经证明，马歇尔稳定度试验主要是用于确定沥青混合料配合比设计的最佳油石比和施工质量管理，并不能正确地反映沥青路面的抗车辙能力，而车辙试验结果与沥青路面地高温稳定性有较好的相关性。因此，本研究采用车辙试验评价TLA改性沥青混合料的高温稳定性，TLA改性沥青混合料60℃车辙试验结果见表7。按照我国沥青路面气候分区重庆市属夏炎热冬冷区（1－3区），《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定1－3区普通沥青混合料动稳定度不小于1000次/mm，改性沥青混合料动稳定度不小于2800次/mm，本次试验的动稳定度均满足规范要求。比较三种混合料试验结果，20％TLA改性青混合料的总变形比普通沥青混合料的总变形大幅度减小，动稳定度大幅度提高；甚至优于SBS改性沥青，而25％TLA改性青混合料的总变形又比20％TLA改性青混合料的总变形有所减小，动稳定度进一步提高，表明TLA改性沥青混合料抗车辙能力远大于普通沥青混合料和SBS改性沥青混合料，具有优良的高温稳定性，而且TLA掺量越大（30%时），TLA改性沥青混合料的高温稳定性越好。与SBS改性沥青混合料相比，30%掺量TLA湖沥青混合料的动稳定度提高了38%-116%。这是不得了的贡献，花再多的钱也是值得的。
3.2 水稳定性研究
沥青混合料的水稳定性，即沥青路面抵抗受水的侵蚀逐渐产生沥青膜剥离、掉粒、松散、坑槽而破坏的能力。由于水分的存在不仅降低了沥青本身的粘聚力，也破坏了沥青路面中沥青与矿料的粘结力，在汽车车轮动态荷载下沥青从石料表面剥离、脱落，造成了沥青路面各种水损害现象的发生。本研究采用浸水马歇尔试验方法来评价TLA改性沥青混合料的水稳定性，TLA改性沥青混合料浸水马歇尔试验结果见表9
表9 AC-16、AC-20湖沥青混合料水稳定性试验检测结果
混合料类型
浸水前马歇尔稳定度MS(kN)
浸水48h后的马歇尔稳定度MS1(kN)
残留稳定度MS0(%)
规范要求MS0(%)
AC-13
13.88
13.46
96.9
≥85
AC-20
12.16
11.49
94.5
≥85
按我国沥青路面气候分区重庆市属夏炎热东冷区，《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定夏炎热冬冷区普通沥青混合料的残留稳定度要求不小于80％，改性沥青混合料的残留稳定度要求不小于85％，本次试验的残留稳定度均满足要求。比较三种混合料试验结果，基质沥青混合料残留稳定度<20％TLA改性青混合料的残留稳定度<25％TLA改性青混合料的残留稳定度，而且30％TLA改性青混合料的残留稳定度比25％TLA改性青混合料的残留稳定度有较大提高，表明TLA改性沥青混合料抗水损害能力比普通沥青混合料要大，具有优良的水稳定性，而且TLA掺量越大，TLA改性沥青混合料的水稳定性越好。
3.3 抗渗性研究
利用轮碾机成型车辙试件，脱模架起进行TLA改性青混合料渗水试验，《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定渗水系数不大于120 ml/min，本次试验除基质沥青混合料渗水系数不满足规范要求，其余均满足规范要求。比较三种混合料试验结果，基质沥青混合料的渗水系数>SBS改性沥青混合料的渗水系数>20％TLA改性青混合料的渗水系数，表明TLA改性沥青混合料抗渗性比普通沥青混合料和SBS改性沥青混合料都要好，而且TLA掺量越大，TLA改性沥青混合料的抗渗性越好。
4. 结语
（1）本研究并结合其他TLA项目能看出：TLA能改善沥青的高温稳定性、感温性、低温抗裂性和抗老化性能，但是其低温抗裂性和抗老化性能不适合采用常规指标延度和薄膜烘箱试验针入度比来评价。
（2）TLA能明显提高沥青混合料的高温稳定性、水稳定性和抗渗性，关键是能极大地提高路面的重载荷能力，并经久不坏（耐老化），可应用于我国各种等级公路沥青路面工程中。

参考文献：
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