《武汉工程大学学报》 2017年04期
366-371
出版日期：2017-10-14
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
硫磺改性沥青混合料基本性能的研究
硫磺改性沥青是一种节能及性能优越的路面材料. 在拌合的过程中，硫磺迅速融化，与沥青共同形成新的粘结剂，提高沥青混合料的力学性能；同时它还能降低混合料出料温度，实现节能减排的效果.
国内对硫磺改性沥青混合料的研究起步较晚，近年来中国的学者对硫磺改性沥青的物理化学性质、硫磺改性沥青混合料设计、硫磺改性沥青路面的路用性能和硫磺改性沥青的改性机理等进行了研究. 杨云东［1］等分析了硫磺改性剂（sulphur-extended asphalt modify，SEAM）的温拌技术在实际工程中的应用状况，研究结果表明，在普通沥青混合料中添加SEAM，可以显著降低普通沥青混合料的拌和温度和压实温度20 ℃~30 ℃，使混合料同时具有较好的降温效果和良好的压实特性；杨现茂和于墘［2-3］通过硫磺改性沥青性能试验、硫磺改性沥青混合料性能试验及铺筑试验，发现随着硫磺掺量的增加，各项性能指标均优于普通沥青混合料，且室温养生10 d的试件，其性能明显提高；杨锡武［4］的研究表明，SEAM的质量掺量大于10%，能显著提高沥青混合料的高温稳定性和抗疲劳性能；对90#基质沥青的改性要优于70#，而且这种改性方法具有良好的经济性.
从已有的研究成果［1-4］可以发现：硫磺改性沥青可以提高沥青混合料的高温抗车辙性能，但同时也会降低其水稳定性. 但是在现有的研究中，对其疲劳抗裂性能以及力学性能的研究并不是很完善. 本文针对硫磺改性沥青混合料疲劳抗裂性能以及力学性能的研究不足，研究了不同硫磺掺量下2种类型的沥青混合料（AC-13C、AC-20C）的基本性能， 并对比分析了硫磺改性沥青混合料与普通沥青混合料在基本性能上的差异性.
1 试验部分
本研究中沥青采用AH-70道路石油沥青及pave-192抗剥落剂（剂量为基质沥青质量的0.4%），集料采用石灰岩，硫磺、沥青以及集料等各项性能指标均符合规范［5］要求. 沥青混合料采用AC-13和AC-20矿料级配，通过马歇尔设计方法确定了AC-13和AC-20普通沥青混合料的最佳油石比（沥青占沥青混合料的质量分数）分别为4.7%和4.0%. 根据硫磺产品指南［6］可知，硫磺通过同体积替代部分沥青用量来达到混合料改性的目的，通常可以替代混合料中18%~26%同体积的基质沥青（最高可以替代混合料中26%的基质沥青），而替代混合料中0%~18%及26%~100%的基质沥青时，均会大大降低混合料的高温性能或者其他路用性能，因此本研究中仅对等体积替代18%~26%（等质量替代30%~40%）的基质沥青进行研究［7］. 本文中AC-13和AC-20硫磺改性沥青混合料配合比设计，选用的硫磺占硫磺改性沥青胶结料的质量分数分别为0，30%，35%，40%（即硫磺同体积替代18%，22%，26%的沥青），硫磺改性沥青混合料试件成型后均会进行快速养生［6］，再对硫磺改性沥青混合料的基本性能进行研究［4，8-12］.
2 结果与讨论
2.1 水稳定性能研究
本研究中采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对不同掺量下硫磺改性沥青混合料的水稳定性进行研究，试验过程参照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》［13］的要求，试验结果如表1和表2所示.
由表1和表2可知：
1）由浸水马歇尔实验结果可知，加入30%~40%硫磺掺量后，马歇尔稳定度及浸水马歇尔稳定度都会随着硫磺掺量的增加而增大，而浸水马歇尔残留稳定比（MS0*）则会随着硫磺掺量的增加而降低，说明硫磺掺加量越多，对混合料的水稳定性不利影响越大.
2）由冻融循环试验结果可知，经过冻融循环后，随着硫磺掺量的增加，冻融劈裂强度及冻融劈裂强度比（TSR*）会逐步降低；而未进行冻融循环前，劈裂强度会随着硫磺掺量的增加而增大，说明硫磺对冻融循环比较敏感.
3）无论是AC-13还是AC-20，掺加硫磺后的沥青混合料，经过浸水或者冻融劈裂后的马歇尔稳定度都低于未掺加硫磺的普通沥青混合料，部分情况下降幅度达32%.
2.2 高温性能研究
参照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》［13］，采用动稳定度试验对不同掺量下硫磺改性沥青混合料的高温稳定性进行研究，试验结果如图1所示.
由图1可以看出，硫磺改性沥青混合料的动稳定度比普通沥青混合料的动稳定度有所提高，且在此范围内，随着硫磺掺量的增加，动稳定度逐步增大. AC-13添加30%的硫磺比不掺加硫磺的混合料动稳定度提高了18%，AC-20添加30%的硫磺比不掺加硫磺的混合料动稳定度提高了26%，即添加赛欧铺改性剂后能够明显提高沥青混合料的高温抗车辙性能.
2.3 浸水汉堡车辙试验研究
浸水汉堡车辙试验按照美国德克萨斯州推荐的规程（Tex-242-F） ［14］进行，并以车辙深度进行评价. 硫磺改性沥青混合料浸水汉堡车辙试验的结果如表3所示. 由表3可知：
1）AC-13的混合料中，硫磺改性沥青混合料汉堡车辙荷载作用次数以及达到拐点时的作用次数在0、30%、35%、40%的硫磺掺量范围内均呈现先增大后减小的趋势，且在硫磺掺量为30%时，作用次数最多，说明30%的硫磺掺量能大大提升普通沥青混合料抗车辙变形能力；
2）AC-20的混合料中，在荷载作用次数均为20 000次时，硫磺改性沥青混合料汉堡车辙的变形量在0、30%、35%、40%的硫磺掺量较普通沥青混合料的变形要大，说明硫磺改性沥青不能提高AC-20混合料高温环境下的水稳定性，在硫磺掺加量为40%时，勉强接近普通沥青混合料的高温水稳定性；
3）AC-13混合料中达到拐点时作用次数的变化规律与其达到12.50 mm时荷载作用次数的变化规律相符，AC-20混合料中达到拐点时作用次数的变化规律与其变形量的变化规律相符，这说明浸水汉堡车辙试验能在一定程度上反应沥青混合料高温性能和水稳性能的变化规律.
综合硫磺改性沥青高温性能及水稳定性的研究，AC-13硫磺改性沥青混合料硫磺掺量为30%时最佳，而AC-20硫磺改性沥青混合料硫磺掺量为40%时最佳. 然而由硫磺产品的使用指南及本文对AC-20硫磺改性沥青混合料水稳定性能单独研究可知，当硫磺掺量为40%时，其水稳定性能降低的幅度较大，不利于其在南方多雨地区的推广应用. 因此本文对AC-13和AC-20硫磺改性沥青混合料的后续研究均采用30%这一掺量值.
2.4 三点小梁弯曲试验研究
三点小梁弯曲试验参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》［14］推荐的尺寸和参数进行，以最大弯拉应变作为评价指标. 硫磺改性沥青混合料三点小梁弯曲试验的结果如表4所示.
由表4可知：
1）硫磺改性沥青混合料较普通沥青混合料的最大抗弯拉应变要小，说明硫磺改性剂不能改善普通沥青混合料的低温抗裂性能，但是硫磺改性沥青混合料与普通沥青混合料的最大抗弯拉应变较为接近，相差10%左右，说明硫磺改性沥青虽然不能改善普通沥青混合料的低温抗裂性能，但是也不会大幅度降低其低温抗裂性能.
2）硫磺改性沥青混合料较普通沥青混合料的抗弯拉强度大，说明硫磺能适度增加沥青混合料的抗弯拉强度，这种增加幅度在8%左右.
2.5 Overlay Tester（OT）试验研究
Overlay Tester试验按照美国德克萨斯州推荐的规程（Tex-248-F） ［15］进行，试验温度为25 ℃，试验结果如表5所示.
从表5的数据可以看出，添加硫磺改性剂后，无论AC-13还是AC-20，首圈最大拉应力相对于普通沥青混合料来说均有提升；且周期数进行评价时，也可以表明，硫磺改性沥青混合料的周期数，也要明显高于普通沥青混合料的周期数，这说明硫磺改性沥青能提高普通沥青混合料常温下的疲劳开裂性能.
2.6 动态模量试验研究
动态模量试验参照美国AASHTO TP31—94［16］的规程进行，其试验结果如图2~图5所示.
由图2~图5可知：
1）随着试验温度的增加，无论加载波形如何，相同频率下动态模量总体上呈减小的趋势. 在
-10 ℃~37 ℃之间，动态模量随着温度的升高，其减小的趋势比较明显；当温度超过37 ℃时，动态模量减小的趋势趋于稳定.
2）掺入一定量的硫磺改性剂不会改变普通沥青混合料温度-动态模量的变化趋势.
3 结 语
1）掺入一定量硫磺改性剂会降低沥青混合料的水稳定性，但影响幅度不大且均能满足规范的要求.
2）动稳定度试验表明硫磺改性剂能够提高普通沥青混合料的高温性能.
3）浸水汉堡车辙试验表明，掺入一定量的硫磺改性剂对不同类型的普通沥青混合料的高温性能和水稳定性影响效果不同.
4）三点小梁弯曲试验表明，掺入一定量的硫磺改性剂能提高普通沥青混合料的抗弯拉强度，同时对普通沥青混合料的低温性能有一定的负面影响，但影响幅度不大.
5）OT试验表明，掺入一定量的硫磺改性剂能提高普通沥青混合料的疲劳抗裂性能.
6）动态模量试验表明，掺入一定量的硫磺改性剂不会改变普通沥青混合料温度-动态模量的变化趋势.