硫磺改性瀝青混合料基本性能的研究

葉 茂，胡小弟，孫 權，白 桃

武漢工程大學資源與土木工程學院，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，白 桃

武漢工程大學資源與土木工程學院，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料的質量百分比分別為0%、30%、35%、40%）作為對比，采用浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、漢堡車轍試驗測試了其水穩定性能，采用車轍試驗、三點小梁彎曲試驗和Overlay Tester試驗分別測試了其高溫性能、低溫性能與疲勞性能，采用動態模量試驗獲得了其力學參數.結果表明：添加質量分數為30%硫磺后，AC-13和AC-20瀝青混合料動穩定度分別提高了18%和26%，疲勞開裂性能有所提高，低溫性能沒有明顯改變.添加不同質量分數的硫磺，瀝青混合料的水穩定性能明顯降低，其中AC-13瀝青混合料在添加40%硫磺時凍融劈裂強度比下降達22%.動態模量測試表明硫磺改性瀝青混合料與普通瀝青混合料動態模量變化趨勢相同，但-10℃～54℃溫度區間較普通瀝青混合料動態模量要高.

硫磺改性；瀝青混合料；路用性能；動態模量

硫磺改性瀝青是一種節能及性能優越的路面材料.在拌合的過程中，硫磺迅速融化，與瀝青共同形成新的粘結劑，提高瀝青混合料的力學性能；同時它還能降低混合料出料溫度，實現節能減排的效果.

國內對硫磺改性瀝青混合料的研究起步較晚，近年來中國的學者對硫磺改性瀝青的物理化學性質、硫磺改性瀝青混合料設計、硫磺改性瀝青路面的路用性能和硫磺改性瀝青的改性機理等進行了研究.楊云東［1］等分析了硫磺改性劑（sul?phur-extended asphalt modify，SEAM）的溫拌技術在實際工程中的應用狀況，研究結果表明，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溫度20℃～30℃，使混合料同時具有較好的降溫效果和良好的壓實特性；楊現茂和于墘［2-3］通過硫磺改性瀝青性能試驗、硫磺改性瀝青混合料性能試驗及鋪筑試驗，發現隨著硫磺摻量的增加，各項性能指標均優于普通瀝青混合料，且室溫養生10 d的試件，其性能明顯提高；楊錫武［4］的研究表明，SEAM的質量摻量大于10%，能顯著提高瀝青混合料的高溫穩定性和抗疲勞性能；對90#基質瀝青的改性要優于70#，而且這種改性方法具有良好的經濟性.

從已有的研究成果［1-4］可以發現：硫磺改性瀝青可以提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能，但同時也會降低其水穩定性.但是在現有的研究中，對其疲勞抗裂性能以及力學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（劑量為基質瀝青質量的0.4%），集料采用石灰巖，硫磺、瀝青以及集料等各項性能指標均符合規范［5］要求.瀝青混合料采用AC-13和AC-20礦料級配，通過馬歇爾設計方法確定了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量分數）分別為4.7%和4.0%.根據硫磺產品指南［6］可知，硫磺通過同體積替代部分瀝青用量來達到混合料改性的目的，通常可以替代混合料中18%～26%同體積的基質瀝青（最高可以替代混合料中26%的基質瀝青），而替代混合料中0%～18%及26%～100%的基質瀝青時，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%（等質量替代30%～40%）的基質瀝青進行研究［7］.本文中AC-13和AC-20硫磺改性瀝青混合料配合比設計，選用的硫磺占硫磺改性瀝青膠結料的質量分數分別為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行快速養生［6］，再對硫磺改性瀝青混合料的基本性能進行研究［4，8-12］.

2 結果與討論

2.1 水穩定性能研究

本研究中采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對不同摻量下硫磺改性瀝青混合料的水穩定性進行研究，試驗過程參照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》［13］的要求，試驗結果如表1和表2所示.

表1 殘留穩定度Tab.1 Residual stability

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

由表1和表2可知：

1）由浸水馬歇爾實驗結果可知，加入30%～40%硫磺摻量后，馬歇爾穩定度及浸水馬歇爾穩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，對混合料的水穩定性不利影響越大.

2）由凍融循環試驗結果可知，經過凍融循環后，隨著硫磺摻量的增加，凍融劈裂強度及凍融劈裂強度比（TSR*）會逐步降低；而未進行凍融循環前，劈裂強度會隨著硫磺摻量的增加而增大，說明硫磺對凍融循環比較敏感.

3）無論是AC-13還是AC-20，摻加硫磺后的瀝青混合料，經過浸水或者凍融劈裂后的馬歇爾穩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規程》［13］，采用動穩定度試驗對不同摻量下硫磺改性瀝青混合料的高溫穩定性進行研究，試驗結果如圖1所示.

圖1 動穩定度試驗結果圖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穩定度比普通瀝青混合料的動穩定度有所提高，且在此范圍內，隨著硫磺摻量的增加，動穩定度逐步增大.AC-13添加30%的硫磺比不摻加硫磺的混合料動穩定度提高了18%，AC-20添加30%的硫磺比不摻加硫磺的混合料動穩定度提高了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 浸水漢堡車轍試驗研究

浸水漢堡車轍試驗按照美國德克薩斯州推薦的規程（Tex-242-F）［14］進行，并以車轍深度進行評價.硫磺改性瀝青混合料浸水漢堡車轍試驗的結果如表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以及達到拐點時的作用次數在0、30%、35%、40%的硫磺摻量范圍內均呈現先增大后減小的趨勢，且在硫磺摻量為30%時，作用次數最多，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，在荷載作用次數均為20 000次時，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混合料高溫環境下的水穩定性，在硫磺摻加量為40%時，勉強接近普通瀝青混合料的高溫水穩定性；

3）AC-13混合料中達到拐點時作用次數的變化規律與其達到12.50 mm時荷載作用次數的變化規律相符，AC-20混合料中達到拐點時作用次數的變化規律與其變形量的變化規律相符，這說明浸水漢堡車轍試驗能在一定程度上反應瀝青混合料高溫性能和水穩性能的變化規律.

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

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

2.4 三點小梁彎曲試驗研究

三點小梁彎曲試驗參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》［14］推薦的尺寸和參數進行，以最大彎拉應變作為評價指標.硫磺改性瀝青混合料三點小梁彎曲試驗的結果如表4所示.

表4 瀝青混合料低溫（-10℃）彎曲試驗結果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度大，說明硫磺能適度增加瀝青混合料的抗彎拉強度，這種增加幅度在8%左右.

2.5 Overlay Tester（OT）試驗研究

Overlay Tester試驗按照美國德克薩斯州推薦的規程（Tex-248-F）［15］進行，試驗溫度為25 ℃，試驗結果如表5所示.

從表5的數據可以看出，添加硫磺改性劑后，無論AC-13還是AC-20，首圈最大拉應力相對于普通瀝青混合料來說均有提升；且周期數進行評價時，也可以表明，硫磺改性瀝青混合料的周期數，也要明顯高于普通瀝青混合料的周期數，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試驗結果Tab.5 Results of OT tests of sulfur-modified asphalt mixture

2.6 動態模量試驗研究

動態模量試驗參照美國 AASHTO TP31—94［16］的規程進行，其試驗結果如圖2～圖5所示.

由圖2～圖5可知：

1）隨著試驗溫度的增加，無論加載波形如何，相同頻率下動態模量總體上呈減小的趨勢.在-10℃～37℃之間，動態模量隨著溫度的升高，其減小的趨勢比較明顯；當溫度超過37℃時，動態模量減小的趨勢趨于穩定.

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-動態模量的變化趨勢.

圖2 AC-13普通瀝青混合料溫度-動態模量示意圖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-動態模量示意圖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-動態模量示意圖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-動態模量示意圖Fig.5 Temperature-dynamic modulus diagram of AC-20 sulfur-modified asphalt mixture

3 結 語

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

2）動穩定度試驗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定性影響效果不同.

4）三點小梁彎曲試驗表明，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度，同時對普通瀝青混合料的低溫性能有一定的負面影響，但影響幅度不大.

5）OT試驗表明，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）動態模量試驗表明，摻入一定量的硫磺改性劑不會改變普通瀝青混合料溫度-動態模量的變化趨勢.

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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

湖北省交通運輸廳科研項目（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，碩士研究生導師.E-mail：1246493105@qq.com

葉茂，胡小弟，孫權，等.硫磺改性瀝青混合料基本性能的研究［J］.武漢工程大學學報，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