（道路与铁道工程专业论文）TLA材料性质及技术性能研究.pdf

摘要 特里尼达湖沥青( t l a ：t r i n i d a dl a k ea s p h a l t ) 是世界上最著名的天然沥青之 一，产于南美洲特里尼达岛，具有优良的路用性能。目前对t l a 的研究主要集中 在宏观使用性能方面，对t l a 的微观及改性机理方面研究较少。为此，本文从微 观角度出发对t l a 的材料性质( 包括矿质材料和沥青材料，为方便起见，以下简 称灰分和e t l a ) 及技术性能进行了分析研究。 1 ) 对于灰分，通过粒度分析、比表面积、x 衍射等相关微观试验，对其进行 了系统的研究，并选取两种合格的矿粉进行对比。结果表明：灰分的平均粒径为 7 6 6 1 x m ，比表面积为16 2 4 x10 4 c m 2 g ，其矿物主要为( c a 4 a 1 8 s i 8 0 3 2 ) h 2 0 1 8 6 6 4 和 s i 0 2 ，即主要成分为硅酸盐火山灰。通过胶浆动态剪切试验发现：在温度为6 4 ， 粉胶比为0 6 时，含灰分胶浆的抗车辙因子分别是两对比矿粉胶浆的1 7 4 倍和1 4 2 倍，条件变化时，也表明灰分对沥青胶浆高温性能的影响要大于两对比矿粉。根 据灰色理论分析发现：密度、比表面积、小于0 0 l m m 的含量、平均粒径、不均 匀系数对胶浆高温性能影响程度的大小之比为：0 9 1 0 ：o 8 8 0 ：o 8 5 9 ：0 4 3 l ： o 3 6 9 。相关技术指标和胶浆性能都表明灰分优于对比矿粉。 2 ) 通过热分析、红外光谱、动态剪切等试验对e t l a 及其胶浆进行了研究， 并与t p k 沥青和e s s o 沥青进行了对比。结果显示：与基质沥青相比，e t l a 具 有分子极性强、分子结构稳定、热稳定性好等优点，且e t l a 中含有一s 、一p 等 键，这是其抗老化性能好的原因之一。动态剪切试验表明：6 4 时，e t l a 的抗 车辙因子是t p k 沥青的3 0 倍，是e s s o 沥青的4 9 4 倍，e t l a 具有较强的高温 性能；7 4 ，粉胶比为0 8 时，e t l a 胶浆的抗车辙因子是e s s o 沥青胶浆的3 9 9 倍，e t l a 胶浆的高温性能明显优于基质沥青胶浆。 3 ) 对t l a 改性沥青，通过常规试验、热分析、红外光谱等试验从宏观、微 观角度分别进行了研究。结果表明：随着t l a 掺量的增加，高温性能、抗老化性 能得到了较好的改善，改性沥青的热稳定性逐渐增加，分子结构稳定性和分子极 性增强。在t l a 改性沥青中，e s s o 沥青、灰分和e t l a 三者的关联度之比为0 9 7 ： 0 7 3 ：0 8 0 ，灰分对t l a 改性沥青高温性能的影响因素比例为2 9 。 综上所述，灰分对t l a 改性沥青具有较大的增劲作用，e t l a 增强了改性沥 青的分子结构稳定性和热稳定性，使其具有良好的高温和抗老化等优点，灰分和 e t l a 的综合作用使t l a 改性沥青的性能得到进一步提高。 关键词：t l a ；材料性质；技术性能；灰分；胶浆；高温性能；微观试验 a bs t r a c t t l a ( t r i n i d a dl a k ea s p h a l t ) i so n eoft h em o s tf a m o u sn a t u r a la s p h a l t si nt h e w o r l d i ti sp r o d u c e di nt r i n i d a di s l a n di nt h es o u t ha m e r i c a nw i t ht h eg o o d p a v e m e n tp e r f o r m a n c e s a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c h e s o ft l am a i n l yf o c u so nt h e a p p l i c a t i o n so fm a c r op e r f o r m a n c e s i t sm i c r oa s p e c t sa n dm o d i f i e dm e c h a n i s ma r e l e s ss t u d i e d t h e r e f o r e ，t h em a t e r i a lp r o p e r t i e s ，i n c l u d i n gm i n e r a lm a t e r i a l ( c a l l e da s h ) a n da s p h a l tm a t e r i a l ( c a l l e de t l af o rs h o r t ，i e e x t r a c t i o nt l a ) ，a n dt h et e c h n i c a l p e r f o r m a n c e so f t l aw i l lb ea n a l y z e da r i ds t u d i e dt h r o u g ht h er e l e v a n tt e s t s 1 ) t h ea s hw a sr e s e a r c h e di nas y s t e m a t i cw a yb yt h eg r a d i n ga n a l y s i s ，t h e s p e c i f i cs u r f a c ea r e at e s t ，xr a yd i f f r a c t i o na n do t h e rr e l a t e dm i c r ot e s t s ，a n d2 q u a l i f i e dm i n e r a lp o w d e r sw e r ec h o s e na sc o m p a r i s o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e a v e r a g ep a r t i c l es i z eo fa s hi s7 6 6 1 x m t h es p e c i f i cs u r f a c ea r e ai s 16 2 4 x10 q c m z g ， t h em i n e r a l sa r e ( c a 4 a i s s i 8 0 3 2 ) h 2 0 is 6 6 4a n ds i 0 2 ，n a m e l yi t sm a i nc o m p o s i t i o ni s s i l i c a t ev o l c a n i ca s h t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t so fd y n a m i cs h e a rr h e o m e t e r ，i ti s f o u n d ：a tat e m p e r a t u r eo f6 4 a n dar a t i oo ff i l l e rt oa s p h a l to f0 6 ，t h eg s i n 6o f m o r t a rc o n t a i n i n ga s hi s1 7 4t i m e sa n d1 4 2t i m e so ft h e2c o m p a r e dm i n e r a lp o w d e r m o r t a r s ，r e s p e c t i v e l y w h e nt h ec o n d i t i o n sa r ec h a n g e d ，i ta l s os h o w st h a tt h ea s ho n t h eh i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e so fa s p h a l tm o r t a ri sg r e a t e rt h a nt h e2c o m p a r e d m i n e r a lp o w d e rm o r t a r s a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fg r a ya n a l y s i s ，i ti sf o u n dt h a tt h e r a t i oo fd e n s i t y , s p e c i f i cs u r f a c ea r e a ，l e s st h a no 01m mo fc o n t e n t ，a v e r a g ep a r t i c l e s i z ea n dn o n u n i f o r mc o e f f i c i e n ti m p a c t e dt ot h eh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e so ft h e a s p h a l tm o r t a ri s ：0 910 ：0 8 8 0 ：0 8 5 9 ：0 4 31 ：0 3 6 9 a l lt h er e l e v a n tt e c h n i c a l i n d e x e sa n dt h ep e r f o r m a n c e so fm o r t a rs h o wt h a tt h ea s hi sb e t t e rt h a nt h ec o m p a r e d m i n e r a lp o w d e r s 2 1t h ee t l aa n di t sm o r t a rw e r er e s e a r c h e db yt h et e s t so ft h e r m a la n a l y s i s ， i n f r a r e ds p e c t r u m ，d y n a m i cs h e a rr h e o m e t e ra n ds oo n ，a n d2o t h e rm a t r i xa s p h a l t s ( t p ka n de s s o ) w e r em a d ea sc o m p a r i s o n s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：c o m p a r e dw i t h t h e2m a t r i xa s p h a l t s ，t h ee t l ah a v et h e s ea d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gs t r o n g e rm o l e c u l e p o l a r ，m o r es t a b i l i t yo fm o l e c u l a rs t r u c t u r e ，b e t t e rt h e r m a ls t a b i l i t ya n ds oo n i n a d d i t i o n ，t h ee t l ac o n t a i n s s ，一pa n do t h e rb o n d sw h i c hi so n eo ft h er e a s o n sf o ri t s a n t i a g i n g t h et e s t i n gw i t ht h ed y n a m i cs h e a rr h e o m e t e rs h o w st h a tt h eg s i n 6o f e t l ai s3 0t i m e so ft p ka s p h a l ta n d4 9 4t i m e so fe s s oa s p h a l ta tat e m p e r a t u r eo f 6 4 ，r e s p e c t i v e l y , s ot h ee t l ah a sb e t t e rh i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e s a t a i i t e m p e r a t u r eo f 7 4 a n d ar a t i oo f f i l l e rt oa s p h a l to f 0 8 ，t h eg s i n 5o f e t l am o r t a r i s3 9 9t i m e so ft h ee s s om a t r i xa s p h a l tm o r t a r , s ot h eh i g h - t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c e so fe t l am o r t a ri so b v i o u s l yb e t t e rt h a nt h em a t r i xa s p h a l tm o r t a r s 3 ) t h et l am o d i f i e da s p h a l t sw e r er e s e a r c h e db yt h et e s t so f t h ec o n v e n t i o n a l t e s t s ，t h e r m a la n a l y s i sa n di n f r a r e ds p e c t r u mi nam a c r oa n dm i c r ow a y t h er e s u l t s s h o wt h a t ：w i t ht h ei n c r e a s i n go fm i x i n ga m o u n t so ft l a ，t h ep e r f o r m a n c e sof h i g h t e m p e r a t u r ea n da n t i - a g i n ga r ei m p r o v e d ，t h et h e r m a ls t a b i l i t yo fm o d i f i e d a s p h a l ta r ei n c r e a s e dg r a d u a l l y , a n dt h es t a b i l i t y o fm o l e c u l a rs t r u c t u r ea n dt h e m o l e c u l ep o l a ra r ee n h a n c e d i nt h et l am o d i f i e da s p h a l t ，t h er a t i oo fr e l a t i o n a l d e g r e eo fe s s o ，a s ha n de t l a i s0 9 7 ：o 7 3 ：0 8 0 t h ep r o p o r t i o no fe f f e c tf a c t o ro f a s hi m p a c t i n go nh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c ei s2 9 t oc o n c l u d i n g ，t h ea s h h a sag r e a t e rs t r e n g t h e n e da c t i o nt ot h et l am o d i f i e d a s p h a l t t h ee t l ae n h a n c e st h es t a b i l i t yo fm o l e c u l a rs t r u c t u r ea n dt h et h e r m a l s t a b i l i t yf o rm o d i f i e da s p h a l t s ，s ot h a tt h et l a w i l lh a v eag o o dp e r f o r m a n c e sofh i g h t e m p e r a t u r ea n da n t i a g i n ga n ds oo n t h ep e r f o r m a n c e so ft l am o d i f i e da s p h a l t u n d e rt h ei n t e g r a t i v ea c t i o n so fa s ha n de t l aa r em a d ef u r t h e ri m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：t l a ；m a t e r i a lp r o p e r t i e s ；t e c h n i c a lp e r f o r m a n c e s ；a s h ；m o r t a r ； h i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ；m i c r o - t e s t i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：套j - 嗍砂男年胁月卢日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在 年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名耆爻岁 导师签 e t 期： 如p 扩年亿月p 日 日期：柳年易月jf i 1 1 问题的提出 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代中期，以京津塘高速公路为契机，我国高速公路进入了飞速 发展的时期。随着经济高速稳定的发展，截至2 0 0 7 年底，我国公路通车总里程达 3 5 7 3 万公里，其中高速公路5 3 6 万公罩。其中，沥青混凝土路面约占9 0 。沥 青路面因其良好的行车舒适性和优越的使用性能，在国内外也得到了广泛应用。 现代公路运输业的发展，使得交通量迅猛增长，重载、超载情况加剧，交通 渠化愈趋明显，对道路材料质量提出越来越高的要求，普通沥青已很难适应这一 要求。另外，沥青路面在如桥面铺装、机场跑道以及其它一些恶劣气候条件地区 的路面和一些特别重要的公路上的应用，对沥青结合料性质也有更高的要求，普 通沥青已很难胜任，对沥青进行改性提高其性能成了道路建设者的首要选择。实 践表明，针对气候特点和交通荷载要求使用性能良好的改性沥青，不仅可以显著 提高沥青路面的使用寿命，同时可以明显改善沥青路面的使用功能，降低维修养 护工作量与养护成本，从而保证沥青路面为公路交通提供安全、舒适、经济的通 行条件【1 1 。 我国目前应用的改性沥青大多是聚合物改性沥青，且在我国道路建设中得到 了广泛应用1 2 1 。从沥青改性手段来看，改性沥青可分为工艺改性、结构改性和改 性剂改性等；从改性剂类型来看，有非聚合物改性和聚合物改性。前者主要有填 料、天然沥青、纤维、抗剥离剂、抗老化剂和抗氧化剂等，后者则主要有热塑性 弹性体、树脂类和橡胶类等【3 】。聚合物改性剂的类型主要有p e 、e v a 、s b r 、c r 、 s b s 等。但是大多数聚合物改性剂，都不易与沥青相溶，由于聚合物沥青改性剂 的这一特点，决定了在生产和工艺设备等方面需要较大的投资，如特殊的剪切设 备和较高的能源消耗，以使改性剂与沥青能够充分溶合。在运输和储存上，则需 要加热保温和不间断搅拌，防止改性剂与沥青的分层与离析，用户使用十分不便， 从而限制了这类改性沥青的应用【4 1 。 天然沥青作为改性剂，就可以避免这些问题。特立尼达湖沥青( t r i n i d a dl a k e a s p h a l t ，简称t l a ) 是世界上最有名的天然沥青【5 1 ，在南美西印度群岛特立尼达境 内的沥青湖( 图1 1 和图1 2 ) 中，蕴藏了将近1 2 0 0 万吨的湖沥青就是一种天然改性 剂，因此它作为一种沥青改性剂掺加到石油沥青中，两者有良好的混融性。 t l a 沥青在改性时只需在一定的温度下直接投入拌缸搅拌即可，大大简化了 工艺，降低了投资，成品改性沥青十分稳定，在生产、存储、运输和使用等方面 也很简便。t l a 由沥青质、树脂和油分及部分不溶物组成，较小的针入度、高软 化点及少量矿物质灰分，使得t l a 改性沥青在高温性能方面有较好的表现。此类 改性沥青相对s b s 等改性沥青具有更为出色的路用性能：酎老化、耐高温、抗水 损害、粘附性强等i ”。工程实践表明，用t l a 作改性剂的改性沥青以其优越的路 用性能在很大程度上预防了沥青路面病害的出现，应用前景十分广阔。 凹i l 特里尼达湖圈i2 特里尼选湖沥青( 未加t ) 图i3 桶装t l a 由于t l a 的良好路用性能，国内部分地区开始应用，但是国内对t l a 改性 的机理方面的研究还比较少，特别是微观方面的研究更少。为此本文通过相关 试验对t l a 及其改性沥青的材料性质和技术性能进行深入研究，以探讨其改性机 理。 1 2 国内外研究概况 通常认为t l a 是中新世纪后期由某种粘稠沥青涌出地面后形成的。地壳下 陷、海水侵蚀，沥青湖沉积了大量枯土和淤泥，其中一部分渗入沥青，形成一种 淤泥、粘土、水、沥青的粘性混合物。矿物质主要由石英和粘土矿物质组成，矿 物质粒径非常小，由于这些矿物质具有坚硬的特点和稳定结构，使该沥青具有了 独特的特点和性能l ”。t l a 提炼方式很简单，先用轻轨牵引机械从湖面将沥青刮 起来，然后通过铁路输送到分解蒸馏器，在相对低温下进行水合作用，除去杂质 和水分即可装箱运输。 根据据相关文献研究，t l a 具有以下特性【6 一i ： 1 ) t l a 含有3 5 3 9 的矿物质f 灰分) ，其针入度、延度非常小。t l a 的密 度太( 13 9 9 c m 3 1 4 4 9 c m 3 ) ，液化后的t l a 改性沥青储存时，t l a 沥青中的矿物 质易沉淀而影响改性沥青的质量。同时，t l a 的稠度大，使得t l a 改性沥青从 管子流入拌和锅的速度慢，从而使混合料拌和时间比正常的增加1 0 s 左右。 2 ) t l a 的软化点高达9 5 9 9 ，比普通石油沥青高1 倍左右，其液化时 间也比石油沥青的长许多，混合温度高达l7 0 l8 0 。 3 ) t l a 沥青成分中沥青质和胶质含量较高，这正是石油沥青所缺乏的。同时 它常年与环境共存，性质很稳定，因而t l a 改性沥青混凝土具有良好的高温稳定 性、低温抗裂性、耐久性、抗老化性能及抗剥落性能。 4 ) 相比石油沥青的溶胶结构，t l a 具有更多的凝胶体，胶体不稳定指数为 o 6 8 。由于其特有的微观尺寸和沥青质的性质，t l a 提高了改性后沥青的结构性 能并改善了结合料的感温性。 1 2 1 国外研究概况 国外将t l a 应用于道路工程已有1 0 0 多年的历史，现已广泛应用于欧美许多 国家【l o 1 1 1 。早在1 8 8 0 年，美国华盛顿特区在几个城市街道的路面工程中已应用 了t l a 。英国伦敦的主要街道和高速公路在热压式沥青混凝土路面上普遍应用了 t l a 改性沥青，从而能抵挡慢速重型车辆引起的变形，抗滑及使用周期长，许多 高速公路的服务寿命已经超过3 0 年。在德国柏林和几个州的高速公路、环城公路 的几百公里的路面上使用了t l a 改性沥青。混合料包括浇注式沥青混凝土和沥青 玛蹄脂，在3 0 多年的使用中，节省了大量的结构维护费用，表现出在极寒冷的气 候条件下很低的感温性和粘结剂的韧性。 国外许多道路工程学者都对t l a 改性沥青做了比较深入的研究，其研究结果 表明1 1 2 16 】：t l a 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，一般都是作为改性剂使用，通常在沥青混凝土中掺加2 0 - 4 0 的 t l a ，在桥面铺装使用时掺加5 0 - - 一7 0 的t l a 。 w i t c z a k 通过测定不同温度下的动态模量、径向模量和壳牌方法的劲度模量， 研究了t l a 改性沥青混合料的弹性模量性质。所选用的集料级配的最大粒径为 1 2 5 m m ，相应的最佳结合料含量6 0 t 1 1j 。在6 0 7 0 级沥青中掺加t l a ( 1 5 4 5 ) ，弹性模量随掺量的增加而变化。t l a 改性沥青混合料模量与基质沥青结合 料( 不掺t l a ) 模量的比例用r m 表示，结果表明，分别在2 、4 、8 和16 h z 下所对 应的r 珊平均值随t l a 掺量增加而增加。温度越高，t l a 混合料产生的模量相对 越高，而随后则更粘稠( 或更小弹性) 。可以看出，在总混合料中掺加2 t l a ( 相 对于结合料中t l a 的比例为3 3 ) 提供了最优化的处理，超过这个值，r m 值提高 的比率下降，但数值仍然提高。 美国科氏公司研究结果表明，掺加了2 5 t l a 和5 s b s 的t l a 复合改性沥 青路面结构经2 万次荷载碾压后，车辙深度远低于高速公路不大于1 0 m m 的标准。 再加压2 万次，试件的车辙深度仅增加1 0 1 2 m m ，说明在路面结构的上面层被 碾压密实后，复合改性的沥青混凝土的抗变形能力被充分地体现出来。 通常情况下，在沥青混凝土中使用时，掺加2 0 - - 4 0 ，桥面铺装使用时， 掺加5 0 7 0 。在t l a 性质方面国外做了大量的研究，已经总结出了一套t l a 改性沥青技术要求和t l a 质量标准。如美国的t l a 改性沥青技术要求( a s t m d 5 7 1 0 9 5 ) ，英国的t l a 质量标准( b s 3 6 9 0 ) 1 7 】，分别如表1 1 和表1 2 。 表1 1t l a 改性沥青技术要求( 美国，a s t md 5 7 1 0 9 5 ) 指标t m a lt m a 2t m a 3t m a 4 针入度( 2 5 ) ( 0 i m m ) 4 0 - 5 56 0 - - - - 7 58 0 1 0 01 2 0 - 1 5 0 粘度( 13 5 。c ) ( p a 一) 3 8 5 2 7 52 1 5之1 7 5 延度( 2 5 。c ，5 e m m i n ) ( c m ) 之1 0 0之1 0 0之1 0 0芝1 0 0 闪点( ) 2 3 2 2 3 2 2 3 2 2 3 2 溶解度( ) 7 7 9 07 7 9 07 7 - 9 07 7 - 9 0 密度( 2 54 c ) ( g c m 3 ) 实测记录 软化点( ) 旋转薄膜无机质( 灰分) ( ) 7 5 1 9 5 加热试验 针入度比( 2 5 ) ( ) 5 5 5 2 4 7 4 2 ( 1 6 3 * c ，7 5 m i n ) 延度( 2 5 c ) ( e m ) 5 0 5 0 2 7 5芝1 0 0 表1 2t l a 质量标准( 英国，b s - 3 6 9 0 ) 指标规格 针入度( 2 5 ) ( 0 i m m ) 2 士2 软化点( ) 9 3 - 9 9 加热损失( 1 6 3 ) ( ) 2 0 溶解度( ) 5 2 5 5 灰分含量( ) 3 5 3 9 2 5 相对密度1 3 9 1 4 4 1 2 2 国内研究概况 我国早在2 0 世纪7 0 年代8 0 年代曾经对t l a 表示过浓厚的兴趣，交通部 曾组织北京、河北、山西、浙江、江苏等许多地方都铺筑过t l a 改性沥青的试验 路段，显示出其具有良好的路用性能【4 1 。 在我国，t l a 首次大批量使用是从1 9 9 9 年江阴长江大桥采用t l a 改性沥青 作为桥面铺装的主要材料以后，珠海淇澳大桥、重庆嘉陵江大桥、钱塘江大桥、 东海大桥才都采用了t l a 改性沥青，均表现出了令业内人士欣喜的优良路用性能 【1 8 】 o 公路方面，1 9 9 9 年北京至张家口的1 1 0 国道延庆段修筑了3 k m t l a 改性沥青 试验段，该路由于通行山西省出来的大吨位运煤车，超载严重，致使该路段破烂 不堪，路况极差，且屡修屡坏，经过8 年的考验，该试验段仍完好如初。2 0 0 2 年， 北京二环路进行大修时，上面层采用了s m a 1 3 混合料，结合料采用“t l a + s b s 复合改性沥青，发挥了t l a 和s b s 各自的优势【l9 1 。 机场建设方面，北京的首都机场和上海的虹桥机场都采用了t l a 作为其加铺 罩面的基本材料，因其能满足机场跑道抗高温、耐低温和抗疲劳开裂的要求，又 具有强度高、凝结性好、冷却快的特性【2 0 1 。 近几年，武汉的绕城高速公路和佛山一环城际快速干线工程均大面积使用了 t l a 改性沥青，其中武汉的绕城高速公路东北段9 4 k m 的6 c m 中面层均采用了 t l a 改性沥青，而佛山一环城际快速干线东线全长3 5 7 2 k m 的主辅路4 c m 上面层 和6 c m 中面层均采用了t l a 改性沥青，且通车两年来，整体性能优良。总体来 讲，t l a 改性沥青在国内的应用取得了令人信服的成绩。与此同时，国内一些单 位也对t l a 做了许多相关研究1 2 1 1 。 广西区交通规划勘察设计研究院的陈强等人详细研究了t l a 改性沥青的性 能，并且与s b s 改性沥青进行了对比。试验采用t l a 与重交石油沥青的掺加比 例为2 5 ：7 5 、3 0 ：7 0 、5 0 ：5 0 ，基质沥青为伊朗利曼a h 9 0 沥青、中 油a h 9 0 沥青、南海a h 7 0 沥青，由沥青三大指标试验和老化试验确定t l a 最 佳掺量为2 5 。用了相同集料、级配的沥青混合料进行性能对比试验，发现t l a 改性沥青混合料的性能不亚于s b s 的性能【2 2 1 。 交通部公路科研所沈金安分析了t l a 对沥青基本性质的影响、对沥青混合料 弹性模量的影响、t l a 改性对疲劳寿命的影响以及在相同疲劳寿命的条件下，t l a 改性沥青混合料对设计厚度的有效影响【2 3 1 。 东南大学的倪富健针对t l a 的特性研究了t l a + s b s 复合改性沥青的掺配工 艺、掺配比例，同时还通过沥青混合料性能试验，研究了掺配t l a 对混合料高、 低温及强度性能的影响。发现动稳定度较s b s 改性沥青提高7 1 1 4 ，且总变形 量明显减少，低温弯曲破坏应变提高2 0 ，劈裂强度提高4 3 1 8 。另外，通过 a a p a 进行沥青加铺层反射裂缝试验研究发现混合料的疲劳寿命提高5 7 1 4 。综 合各种结果表明：t l a 复合改性沥青在混合料高温性能、强度性能以及疲劳性能 方面提高尤其显著，同时，低温抗裂性和水稳性等方面都得到了良好的改善1 2 4 。 长沙理工大学的李强根据文献【2 5 】的t l a 改性沥青针入度预估公式，根据掺 配试验的结果提出了具有普遍适用性的t l a 改性沥青预估公式，为工程应用上确 定t l a 改性沥青中t l a 的掺量提供了参考。 长安大学王晓燕通过对t l a 等四种天然沥青在组分等方面进行了有关研究， 通过对比发现t l a 沥青中的沥青质和胶质含量较高，并对其相关的针入度，延度 等指标联系起来在组分方面对天然沥青对石油沥青路用性能的改善做了相关的研 究 2 6 1 。 长沙理工大学查旭东教授及其课题组成员结合佛山一环城际快速干线项目对 t l a 改性沥青及其混合料进行了较为详尽的研究。其主要研究有：1 ) t l a 改性沥 青配伍性研究。结合常规指标试验、红外光谱试验、热重试验以及s h r p 试验等， 分别对由埃索、壳牌、泰普克、富腾和中海基质沥青配制的不同掺量的t l a 改性 沥青的各项性能进行分析，主要分析了t l a 改性沥青的抗变形能力、抗老化性能、 感温性能、热稳定性、高温稳定性以及低温抗裂性，综合考虑t l a 对基质沥青的 改性效果和经济性，得出性价比优良的t l a 掺量范围，并且提出基质沥青的性能 优劣基本决定了其配制的t l a 改性沥青性能的好坏【婚1 。2 ) t l a 改性沥青混合料 疲劳性能研究。用疲劳能耗分析法分析了四点小梁弯曲疲劳试验的数据。得出了 t l a 改性沥青混合料和e s s o 沥青混合料的疲劳方程，分别为：肌= 4 2 6 2 9 n r o 5 6 9 t 和孵= 1 1 3 1 0 0 n ，n 4 站1 。并对t l a 改性沥青混合料的疲劳寿命进行了预估，分别考 虑了荷载间歇时间、裂缝扩展过程、行车荷载横向分布系数、不利季节天数等因 素的影响，对疲劳方程进行了修正，得出了疲劳寿命预估方程，以能将室内疲劳 方程的结果更好地应用于实际路面设计。方程为： m = 6 0 8 0 x 1 0 4 s ，。0 3 3 ， 札= 8 0 9 3 x 1 0 9 仃。5 0 3 8 【2 7 1 。3 ) 灰分对t l a 改性沥青及其混合料研究。t l a 改性沥青 路面的施工，围绕灰分对4 0 t l a 改性沥青及其混合料的性能影响进行了系统研 究，提出了t l a 改性沥青混合料抽提检验的配合比修正公式，并据此分析了灰分 离析影响混合料性能的原因，提出了4 0 t l a 改性沥青的灰分含量控制范围为 1 1 5 1 8 0 ，最长允许沉降时间为1 2 0 m i n t 2 8 1 。4 ) 对t l a 改性沥青混合料配合 比及其相关性能进行了分析研究，并对t l a 改性沥青混合料配合比检验方法进行 了修正 2 9 , 3 0 1 。 我国公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 为适应我国的实际需要， 参考国外的t l a 及t l a 改性沥青技术要求，制定了t l a 及t l a 改性沥青的质 量参考要求，如表1 3 和表1 4 。其中，条文说明天然沥青可以单独与石油沥青混 合使用或与其他改性沥青混融后使用，且其质量要求宜根据其品种参照相关标准 和成功的经验执行。 在国外对t l a 的研究起步较早，已有1 0 0 多年的历史，现已广泛应用于欧美 等国家的公路工程、机场工程、桥面铺装领域，并取得了良好的效果。一些国家 已经建立了一套比较完整的t l a 及t l a 改性沥青的质量技术标准，而在我国， 目前的研究还基本停留在室内试验和一些小规模的试验路上，虽取得了良好的效 果，但大规模的工程应用还比较少，相关的研究不够深入。同时，国内t l a 改性 沥青及其混合料的技术标准、评价指标、施工工艺和质量控制等方面还不完善， 主要来源于国外的经验。其次，大部分研究都是从宏观的角度进行研究，在t l a 改性机理微观方面的研究比较少。因此，有必要从微观方面着手对t l a 的材料性 质和技术性能进行系统深入的研究，从而对t l a 及其改性机理有比较全面的认 识。 表1 3t l a 质量技术要求 指标单位技术要求试验方法 针入度( 2 5 ，1 0 0 9 ，5 s ) o 1 m m 0 - - 5 t0 6 0 4 软化点t r b 9 0t 0 6 0 6 灰分 3 3 3 8t 0 6 1 4 2 5 密度 g c m 3 1 3 1 5t 0 6 0 3 t f o t 后残留针入度比 5 0 t 0 6 0 4 表1 4t l a 改性沥青质量技术要求 针入度等级 试验方 指标 单位 t m a 3 0 t m a 5 0 t m a 一7 0t m a 9 0法 针入度( 2 5 ，1 0 0 9 ，5 s )0 1 m m2 0 4 0 4 0 6 0 6 0 - 8 0 8 0 - l o ot 0 6 0 4 t 0 6 2 5 粘度( 1 3 5 ) p a s4 o3 82 72 5 t 0 6 1 9 闪点 2 4 0 t 0 6 1 l 溶解度( 三氯乙烯) 7 7 9 0 t 0 6 0 7 灰分7 5 1 9 5 t 0 6 1 4 t f o t 后残留针入度比t 0 6 l o 之5 8 芝5 55 2 4 7 ( 2 5 ) t 0 6 0 4 1 3 主要研究内容 在已有关于t l a 研究的基础上，本研究利用x 衍射、红外光谱、扫描电镜 等先进手段对t l a 中灰分和e t l a 的性质以及t l a 改性沥青技术性能进行研究。 主要的研究内容包括：t l a 灰分研究；t l a 灰分对沥青胶浆的影响；e t l a 微观 分析研究；e t l a 及其胶浆使用性能分析研究；t l a 改性沥青及其改性机理研究 等。 根据上述研究内容，采取的研究路线( o h 图1 4 ) 为： 1 ) 灰分性质的研究。将萃取分离得到的灰分进行粒度分析、比表面积、扫 描电镜、x 衍射等试验，对t l a 灰分进行综合分析，然后选取对比矿粉进行相 关试验研究，分析t l a 灰分的特殊性所在。同时，对t l a 灰分胶浆性能进行研 究。通过沥青胶浆的高温性能试验，通过改变试验过程中的应力、角速度、温 度以及粉胶比等参数，研究t l a 灰分在沥青胶浆中的作用。选取两种对比矿粉 和t l a 灰分比较，分析t l a 灰分在t l a 改性沥青中的影响大小。 2 ) e t l a 性质的研究。通过对分离的沥青进行红外扫描、热分析、扫描电镜、 沥青四组分等相关试验，从分子结构、官能团、界面特性、热稳定性以及组分 等角度研究沥青。通过和选取的两种基质沥青e s s o 和t p k 沥青进行对比，分 析e t l a 的相关特殊性。通过沥青胶浆的高温性能试验，并改变试验过程中的 应力、角速度、温度以及粉胶比等参数，研究t l a 在沥青胶浆中的作用。选取 e s s o 沥青进行胶浆对比，分析e t l a 和灰分在t l a 改性沥青中的影响大小。 3 ) t l a 改性沥青技术性能的研究。通过宏观试验对改性沥青的相关性能进 行分析，并且分析改性沥青中各个组成部分的影响因素的大小；通过红外扫描、 热分析、扫描电镜等微观试验进行相关分析，分析t l a 改性沥青在官能团、热 稳定性、沥青和灰分表面结合性等方面的变化。 图1 4 本文研究路线图示 第二章t l a 中矿质材料性质研究 t l a 中矿质材料( 灰分) 是其重要组成部分，也是t l a 改性沥青中重要的组成 部分。它对t l a 及其改性沥青性能具有非常重要的影响，因此对灰分的相关指标 ( 如密度、平均粒径、比表面积) 的研究具有非常重要的意义。本章主要从粒度分 析、比表面积、表面形态以及矿物组成等方面进行分析，并且与选取的普通填料 进行对比试验，分析灰分的特殊性并对其进行评价。本次研究采用湖南益阳新鑫 水泥厂( 矿粉l ，为石灰岩) 和广东清远高桥矿粉厂( 矿粉2 ，为玄武岩) 生产的两种 合格矿粉作为对比试验。 2 1 试验材料制备工艺 本研究是对t l a 中灰分和e t l a 以及改性沥青技术性质的研究，因此分离出 沥青和灰分是关键。为此，将t l a 溶于三氯乙烯中制成溶液，并尝试了以下几种 主要分离方法： 1 ) 用沥青抽提器直接分离沥青和灰分。由于沥青抽提器的分离主要是依靠离 心力作用，在离心力的作用下灰分和溶剂向滤纸移动，由于滤纸的过滤特性，一 部分溶剂混合溶解的沥青被分离处来，但是由于t l a 灰分的粒径非常小，而且含 量比较大，随着试验的进行，灰分慢慢地聚集到滤纸上，将滤纸的空隙堵死，还 未分离的基本上流不出来，造成试验中断，如果打开抽提器的上盖除去堵塞的灰 分，由于在打开过程中滤纸发生移动，再拧紧上盖后开始将有部分灰分被离心机 甩出，造成试验t l a 分离不彻底。其次，分离后的溶液中可能含有少量的纤维造 成沥青微观研究成分的干扰。在对分离的沥青灰分含量测定后发现仍然含有1 0 左右，因此该方法不合适。 2 ) 采用滤纸直接过滤。滤纸有慢速、中速、快速之分，以及有定量、定性滤 纸之分，试验中它们的过滤的颗粒粒径都比较大，而灰分的最小粒径小于0 1 9 m ， 基本上不满足试验精度的要求。更重要的是，由于t l a 灰分的粒径小，随着试验 的进行，灰分将滤纸的空隙堵塞，过滤速度急速变慢，后续试验无法完成。最后 通过空气压缩机对滤纸加压力，效果也不明显。再者试验也会有部分滤纸纤维的 影响。因此该方法不合适。 3 ) 采用t l a 溶液离心结合多次萃取的方法。由于沥青溶液的大颗粒灰分在 重力的作用下会下沉，部分小粒径则悬浮在溶液中。将上层的溶液慢慢倒入到离 心机( 图2 1 ) 的试管中，由于离心机的转速可以达到4 0 0 0 r m i n ，而且离心半径为 1 5 c m ，离心力非常大，达到重力加速度的1 0 5 倍，离心效果比较理想。2 0 - - 一3 0 分 - 2 2 密度试验 幽23 提取的灰分 密度是填料的重要指标之一，研究表明填料的密度对沥青胶浆具有较大的影 响。本试验主要通过李氏比重瓶的方法进行。灰分用煤油作为测量