硫磺改性瀝青混合料基本性能的研究

葉 茂，胡小弟，孫 權(quán)，白 桃

武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

硫磺改性瀝青混合料基本性能的研究

葉 茂，胡小弟*，孫 權(quán)，白 桃

武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

為考察硫磺改性瀝青混合料的路用性能，選取AC-13和AC-20兩種混合料類型、4種不同的硫磺摻量（硫磺占硫磺改性瀝青膠結(jié)料的質(zhì)量百分比分別為0%、30%、35%、40%）作為對比，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、漢堡車轍試驗(yàn)測試了其水穩(wěn)定性能，采用車轍試驗(yàn)、三點(diǎn)小梁彎曲試驗(yàn)和Overlay Tester試驗(yàn)分別測試了其高溫性能、低溫性能與疲勞性能，采用動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)獲得了其力學(xué)參數(shù).結(jié)果表明：添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%硫磺后，AC-13和AC-20瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了18%和26%，疲勞開裂性能有所提高，低溫性能沒有明顯改變.添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫磺，瀝青混合料的水穩(wěn)定性能明顯降低，其中AC-13瀝青混合料在添加40%硫磺時(shí)凍融劈裂強(qiáng)度比下降達(dá)22%.動(dòng)態(tài)模量測試表明硫磺改性瀝青混合料與普通瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量變化趨勢相同，但-10℃～54℃溫度區(qū)間較普通瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量要高.

硫磺改性；瀝青混合料；路用性能；動(dòng)態(tài)模量

硫磺改性瀝青是一種節(jié)能及性能優(yōu)越的路面材料.在拌合的過程中，硫磺迅速融化，與瀝青共同形成新的粘結(jié)劑，提高瀝青混合料的力學(xué)性能；同時(shí)它還能降低混合料出料溫度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果.

國內(nèi)對硫磺改性瀝青混合料的研究起步較晚，近年來中國的學(xué)者對硫磺改性瀝青的物理化學(xué)性質(zhì)、硫磺改性瀝青混合料設(shè)計(jì)、硫磺改性瀝青路面的路用性能和硫磺改性瀝青的改性機(jī)理等進(jìn)行了研究.楊云東［1］等分析了硫磺改性劑（sul?phur-extended asphalt modify，SEAM）的溫拌技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用狀況，研究結(jié)果表明，在普通瀝青混合料中添加SEAM，可以顯著降低普通瀝青混合料的拌和溫度和壓實(shí)溫度20℃～30℃，使混合料同時(shí)具有較好的降溫效果和良好的壓實(shí)特性；楊現(xiàn)茂和于墘［2-3］通過硫磺改性瀝青性能試驗(yàn)、硫磺改性瀝青混合料性能試驗(yàn)及鋪筑試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著硫磺摻量的增加，各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于普通瀝青混合料，且室溫養(yǎng)生10 d的試件，其性能明顯提高；楊錫武［4］的研究表明，SEAM的質(zhì)量摻量大于10%，能顯著提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性能；對90#基質(zhì)瀝青的改性要優(yōu)于70#，而且這種改性方法具有良好的經(jīng)濟(jì)性.

從已有的研究成果［1-4］可以發(fā)現(xiàn)：硫磺改性瀝青可以提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能，但同時(shí)也會降低其水穩(wěn)定性.但是在現(xiàn)有的研究中，對其疲勞抗裂性能以及力學(xué)性能的研究并不是很完善.本文針對硫磺改性瀝青混合料疲勞抗裂性能以及力學(xué)性能的研究不足，研究了不同硫磺摻量下2種類型的瀝青混合料（AC-13C、AC-20C）的基本性能，并對比分析了硫磺改性瀝青混合料與普通瀝青混合料在基本性能上的差異性.

1 試驗(yàn)部分

本研究中瀝青采用AH-70道路石油瀝青及pave-192抗剝落劑（劑量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的0.4%），集料采用石灰?guī)r，硫磺、瀝青以及集料等各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合規(guī)范［5］要求.瀝青混合料采用AC-13和AC-20礦料級配，通過馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定了AC-13和AC-20普通瀝青混合料的最佳油石比（瀝青占瀝青混合料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為4.7%和4.0%.根據(jù)硫磺產(chǎn)品指南［6］可知，硫磺通過同體積替代部分瀝青用量來達(dá)到混合料改性的目的，通?？梢蕴娲旌狭现?8%～26%同體積的基質(zhì)瀝青（最高可以替代混合料中26%的基質(zhì)瀝青），而替代混合料中0%～18%及26%～100%的基質(zhì)瀝青時(shí)，均會大大降低混合料的高溫性能或者其他路用性能，因此本研究中僅對等體積替代18%～26%（等質(zhì)量替代30%～40%）的基質(zhì)瀝青進(jìn)行研究［7］.本文中AC-13和AC-20硫磺改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，選用的硫磺占硫磺改性瀝青膠結(jié)料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，30%，35%，40%（即硫磺同體積替代18%，22%，26%的瀝青），硫磺改性瀝青混合料試件成型后均會進(jìn)行快速養(yǎng)生［6］，再對硫磺改性瀝青混合料的基本性能進(jìn)行研究［4，8-12］.

2 結(jié)果與討論

2.1 水穩(wěn)定性能研究

本研究中采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對不同摻量下硫磺改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行研究，試驗(yàn)過程參照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》［13］的要求，試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示.

表1 殘留穩(wěn)定度Tab.1 Residual stability

表2 凍融劈裂試驗(yàn)Tab.2 Freeze-thaw splitting test

由表1和表2可知：

1）由浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，加入30%～40%硫磺摻量后，馬歇爾穩(wěn)定度及浸水馬歇爾穩(wěn)定度都會隨著硫磺摻量的增加而增大，而浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定比（MS0*）則會隨著硫磺摻量的增加而降低，說明硫磺摻加量越多，對混合料的水穩(wěn)定性不利影響越大.

2）由凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過凍融循環(huán)后，隨著硫磺摻量的增加，凍融劈裂強(qiáng)度及凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR*）會逐步降低；而未進(jìn)行凍融循環(huán)前，劈裂強(qiáng)度會隨著硫磺摻量的增加而增大，說明硫磺對凍融循環(huán)比較敏感.

3）無論是AC-13還是AC-20，摻加硫磺后的瀝青混合料，經(jīng)過浸水或者凍融劈裂后的馬歇爾穩(wěn)定度都低于未摻加硫磺的普通瀝青混合料，部分情況下降幅度達(dá)32%.

2.2 高溫性能研究

參照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》［13］，采用動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)對不同摻量下硫磺改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.

圖1 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果圖Fig.1 Test results of dynamic stability

由圖1可以看出，硫磺改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度比普通瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有所提高，且在此范圍內(nèi)，隨著硫磺摻量的增加，動(dòng)穩(wěn)定度逐步增大.AC-13添加30%的硫磺比不摻加硫磺的混合料動(dòng)穩(wěn)定度提高了18%，AC-20添加30%的硫磺比不摻加硫磺的混合料動(dòng)穩(wěn)定度提高了26%，即添加賽歐鋪改性劑后能夠明顯提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能.

2.3 浸水漢堡車轍試驗(yàn)研究

浸水漢堡車轍試驗(yàn)按照美國德克薩斯州推薦的規(guī)程（Tex-242-F）［14］進(jìn)行，并以車轍深度進(jìn)行評價(jià).硫磺改性瀝青混合料浸水漢堡車轍試驗(yàn)的結(jié)果如表3所示.由表3可知：

1）AC-13的混合料中，硫磺改性瀝青混合料漢堡車轍荷載作用次數(shù)以及達(dá)到拐點(diǎn)時(shí)的作用次數(shù)在0、30%、35%、40%的硫磺摻量范圍內(nèi)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在硫磺摻量為30%時(shí)，作用次數(shù)最多，說明30%的硫磺摻量能大大提升普通瀝青混合料抗車轍變形能力；

2）AC-20的混合料中，在荷載作用次數(shù)均為20 000次時(shí)，硫磺改性瀝青混合料漢堡車轍的變形量在0、30%、35%、40%的硫磺摻量較普通瀝青混合料的變形要大，說明硫磺改性瀝青不能提高AC-20混合料高溫環(huán)境下的水穩(wěn)定性，在硫磺摻加量為40%時(shí)，勉強(qiáng)接近普通瀝青混合料的高溫水穩(wěn)定性；

3）AC-13混合料中達(dá)到拐點(diǎn)時(shí)作用次數(shù)的變化規(guī)律與其達(dá)到12.50 mm時(shí)荷載作用次數(shù)的變化規(guī)律相符，AC-20混合料中達(dá)到拐點(diǎn)時(shí)作用次數(shù)的變化規(guī)律與其變形量的變化規(guī)律相符，這說明浸水漢堡車轍試驗(yàn)?zāi)茉谝欢ǔ潭壬戏磻?yīng)瀝青混合料高溫性能和水穩(wěn)性能的變化規(guī)律.

表3 浸水漢堡車轍試驗(yàn)Tab.3 Flooding burger rut test

綜合硫磺改性瀝青高溫性能及水穩(wěn)定性的研究，AC-13硫磺改性瀝青混合料硫磺摻量為30%時(shí)最佳，而AC-20硫磺改性瀝青混合料硫磺摻量為40%時(shí)最佳.然而由硫磺產(chǎn)品的使用指南及本文對AC-20硫磺改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能單獨(dú)研究可知，當(dāng)硫磺摻量為40%時(shí)，其水穩(wěn)定性能降低的幅度較大，不利于其在南方多雨地區(qū)的推廣應(yīng)用.因此本文對AC-13和AC-20硫磺改性瀝青混合料的后續(xù)研究均采用30%這一摻量值.

2.4 三點(diǎn)小梁彎曲試驗(yàn)研究

三點(diǎn)小梁彎曲試驗(yàn)參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》［14］推薦的尺寸和參數(shù)進(jìn)行，以最大彎拉應(yīng)變作為評價(jià)指標(biāo).硫磺改性瀝青混合料三點(diǎn)小梁彎曲試驗(yàn)的結(jié)果如表4所示.

表4 瀝青混合料低溫（-10℃）彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of low temperature bending test

由表4可知：

1）硫磺改性瀝青混合料較普通瀝青混合料的最大抗彎拉應(yīng)變要小，說明硫磺改性劑不能改善普通瀝青混合料的低溫抗裂性能，但是硫磺改性瀝青混合料與普通瀝青混合料的最大抗彎拉應(yīng)變較為接近，相差10%左右，說明硫磺改性瀝青雖然不能改善普通瀝青混合料的低溫抗裂性能，但是也不會大幅度降低其低溫抗裂性能.

2）硫磺改性瀝青混合料較普通瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度大，說明硫磺能適度增加瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度，這種增加幅度在8%左右.

2.5 Overlay Tester（OT）試驗(yàn)研究

Overlay Tester試驗(yàn)按照美國德克薩斯州推薦的規(guī)程（Tex-248-F）［15］進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為25 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.

從表5的數(shù)據(jù)可以看出，添加硫磺改性劑后，無論AC-13還是AC-20，首圈最大拉應(yīng)力相對于普通瀝青混合料來說均有提升；且周期數(shù)進(jìn)行評價(jià)時(shí)，也可以表明，硫磺改性瀝青混合料的周期數(shù)，也要明顯高于普通瀝青混合料的周期數(shù)，這說明硫磺改性瀝青能提高普通瀝青混合料常溫下的疲勞開裂性能.

表5 硫磺改性瀝青混合料OT試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of OT tests of sulfur-modified asphalt mixture

2.6 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)研究

動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)參照美國 AASHTO TP31—94［16］的規(guī)程進(jìn)行，其試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖5所示.

由圖2～圖5可知：

1）隨著試驗(yàn)溫度的增加，無論加載波形如何，相同頻率下動(dòng)態(tài)模量總體上呈減小的趨勢.在-10℃～37℃之間，動(dòng)態(tài)模量隨著溫度的升高，其減小的趨勢比較明顯；當(dāng)溫度超過37℃時(shí)，動(dòng)態(tài)模量減小的趨勢趨于穩(wěn)定.

2）摻入一定量的硫磺改性劑不會改變普通瀝青混合料溫度-動(dòng)態(tài)模量的變化趨勢.

圖2 AC-13普通瀝青混合料溫度-動(dòng)態(tài)模量示意圖Fig.2 Temperature-dynamic modulus diagram of AC-13 conventional asphalt mixture

圖3 AC-13硫磺改性瀝青混合料溫度-動(dòng)態(tài)模量示意圖Fig.3 Temperature-dynamic modulus diagram of AC-13 sulfur-modified asphalt mixture

圖4 AC-20普通瀝青混合料溫度-動(dòng)態(tài)模量示意圖Fig.4 Temperature-dynamic modulus diagram of AC-20 conventional asphalt mixture

圖5 AC-20硫磺改性瀝青混合料溫度-動(dòng)態(tài)模量示意圖Fig.5 Temperature-dynamic modulus diagram of AC-20 sulfur-modified asphalt mixture

3 結(jié) 語

1）摻入一定量硫磺改性劑會降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但影響幅度不大且均能滿足規(guī)范的要求.

2）動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)表明硫磺改性劑能夠提高普通瀝青混合料的高溫性能.

3）浸水漢堡車轍試驗(yàn)表明，摻入一定量的硫磺改性劑對不同類型的普通瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性影響效果不同.

4）三點(diǎn)小梁彎曲試驗(yàn)表明，摻入一定量的硫磺改性劑能提高普通瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度，同時(shí)對普通瀝青混合料的低溫性能有一定的負(fù)面影響，但影響幅度不大.

5）OT試驗(yàn)表明，摻入一定量的硫磺改性劑能提高普通瀝青混合料的疲勞抗裂性能.

6）動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)表明，摻入一定量的硫磺改性劑不會改變普通瀝青混合料溫度-動(dòng)態(tài)模量的變化趨勢.

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本文編輯：苗 變

Basic Performance of Sulfur-Modified Asphalt Mixture

YE Mao，HU Xiaodi*，SUN Quan，BAI Tao
School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

The sulfurs with mass fraction of 0%，30%，35%and 40%were respectively added into two types of asphalt mixtures（AC-13 and AC-20），and the properties of sulfur-modified asphalt mixture in pavement were explored.The moisture resistance of sulfur-modified asphalt mixture was measured by immersion Marshall test，freeze-thaw splitting test and Hamburg rutting test，and the high temperature performance，low temperature performance and fracture resistance were evaluated by Rutting test，three-point bending beam test and Overlay Tester，respectively.Besides，the mechanistic properties were obtained by the dynamic modulus test.The results show that the dynamic stability values of asphalt mixtures AC-13 and AC-20 with sulfur mass fraction of 30%increase respectively by 18%and 26%，and their bending tensile strengths also enhance，but their low temperature performances do not change.The moisture resistance of asphalt mixture reduces significantly after adding different mass fraction of sulfur，the tensile strength ratio of sulfur modified asphalt mixtures AC-13 decreases by 22%with adding sulfur mass fraction of 40%.Dynamic module test indicates that the variation tendency was similar between the sulfur modified asphalt mixture and the conventional asphalt mixture，however，the dynamic modulus values of sulfur-modified asphalt mixture are higher in a temperature range of-10℃to 54℃.

sulfur-modify；asphalt mixture；pavement performance；dynamic modulus

U414

A

10.3969∕j.issn.1674?2869.2017.04.010

2017-01-11

湖北省交通運(yùn)輸廳科研項(xiàng)目（2013-731-2-5）

葉 茂，碩士研究生.E-mail：277136548@qq.com

*通訊作者：胡小弟，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師.E-mail：1246493105@qq.com

葉茂，胡小弟，孫權(quán)，等.硫磺改性瀝青混合料基本性能的研究［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（4）：366-371.

YE M，HU X D，SUN Q，et al.Basic performance of sulfur modified asphalt mixture［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（4）：366-371.

1674-2869（2017）04-0366-06