硫磺改性剂对沥青混合料力学性能影响的试验研究

杨 磊，张洪刚，庞 婵

(1.广西金石高速公路有限公司，广西 南宁 530003；2.广西交通科学研究院有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

在沥青混合料中添加硫磺改性剂可以替代26%～30%左右的沥青用量，还可以使沥青混合料的性能得到改善，尤其是高温抗车辙能力提高。早在20世纪初，国外就开展了硫磺沥青混合料的研究工作，并铺筑了多条硫磺沥青路面，路用效果较好。国内相关高校及科研单位对硫磺沥青改性机理及路用性能开展了很多研究工作，并已铺筑30多条硫磺沥青应用路及试验段。纵观国内外硫磺沥青相关技术研究，多集中于硫磺沥青改性机理、合理掺量、路用性能等方面，对硫磺沥青混合料的高温稳定性能、水稳定性能等研究较为成熟；但对硫磺沥青混合料的力学性能研究较少，对硫磺沥青混合料的材料力学响应、力学性能与路用性能相关性及机理解释研究较少。因此，本文对添加硫磺改性剂的沥青混合料进行了抗压强度、劈裂强度、贯入剪切强度、弯拉强度等力学行为进行了试验研究，通过分析强度及变形规律掌握其力学响应特性，从力学性能角度分析硫磺改性剂对沥青混合料性能的影响。

1 原材料及配合比试验

本文试验所用石料为石灰岩，取自广西石埠石场，所用石料密度及吸水率如表1所示。沥青采用泰国产的泰普克70#道路石油沥青，沥青性能指标如表2所示。

本文试验中，沥青混合料级配类型采用AC-20C型，合成级配设计曲线如表3所示。通过马歇尔试验确定了普通沥青混合料AC-20C的最佳油石比为4.2，根据等体积替换确定了硫磺沥青混合料AC-20C的最佳油石比为5.3%，其中硫磺与沥青的掺量质量比为40∶60，并添加了0.8%(占沥青质量比例)的抗剥落剂。普通沥青混合料与硫磺沥青混合料AC-20C的体积指标如表4所示。

表1 石灰岩吸水率及密度试验结果表

表2 70#道路石油沥青性能指标试验结果表

表3 AC-20C型级配设计结果表

表4 沥青混合料AC-20C的马歇尔试验体积指标表

2 硫磺沥青混合料的抗压强度试验

本文采用圆柱体单轴压缩试验评价硫磺沥青混合料的抗压强度。为能更好地模拟实际路面碾压成型状态，本次试验成型采用SGC旋转压实，成型试件为直径150 mm、高150 mm的圆柱体。试验温度为15 ℃，加载速度为2 mm/min，加载试验设备采用100 kN压力试验机。按照JTJ052-2000试验规程进行试验，每组试验3个试件，试验结果如表5所示。

表5 两种类型沥青混合料抗压强度试验对比结果表

由抗压强度试验结果可知：(1)硫磺沥青混合料的最大破坏荷载和抗压强度比普通沥青混合料大，抗压强度增长约15.6%；(2)硫磺沥青混合料强度增大的同时，其抵抗竖直变形能力也在增强，当沥青混合料达到极限破坏强度时，普通沥青混合料竖直变形已达7.70 mm，硫磺沥青混合料的竖直变形为6.92 mm，在承受相同外界竖直荷载作用时，硫磺沥青混合料产生的竖直变形更小，即硫磺沥青混合料不易产生较大的竖向变形，刚度较大。

3 硫磺沥青混合料的劈裂强度试验

本文采用圆柱体间接拉伸试验(劈裂试验)评价硫磺沥青混合料的劈裂强度。采用马歇尔击实与SGC旋转压实分别成型两组不同试件，SGC成型试件为直径150 mm、高150 mm的圆柱体，切割成直径150 mm、高95 mm的标准劈裂试件。试验温度为15 ℃，加载速度为50 mm/min，试验设备为100 kN压力试验机。按照JTJ052-2000试验规程进行劈裂试验，每组试验3个试件，试验结果如表6、表7所示。

表6 马歇尔击实条件下两种类型

表7 SGC旋转压实条件下两种类型

由表6及表7可知：(1)两种不同试件成型方式下，硫磺沥青混合料的劈裂强度均比普通沥青混合料的劈裂强度提高；(2)采用SGC旋转压实成型试件时，硫磺沥青混合料的劈裂强度增长幅度大于马歇尔击实成型的试件劈裂强度增长幅度。

4 硫磺沥青混合料的弯曲试验

为评价硫磺沥青混合料在规定温度和加载速度时弯曲破坏的力学性质，对硫磺沥青混合料进行了小梁弯曲试验以评价其抗弯拉力学性能。试件成型及尺寸：利用轮碾机成型30 cm×30 cm×5 cm的车辙板，切制成长25 cm×宽3 cm×高5 cm的棱柱体小梁。试验温度为15 ℃，加载速度为50 mm/min，试验设备为100 kN压力试验机。按照JTJ052-2000试验规程进行试验，每组试验3个试件，试验结果如表8所示。

表8 沥青混合料小梁弯曲试验结果表

由表8小梁弯曲试验结果可知：(1)与普通沥青混合料相比，硫磺沥青混合料的破坏荷载及抗弯拉强度减小，抗弯拉强度减小26.3%；(2)与普通沥青混合料相比，硫磺沥青混合料跨中最大挠度减小32.3%，弯拉应变减小57.1%，即硫磺沥青混合料抗弯拉变形能力下降；(3)与普通沥青混合料相比，硫磺沥青混合料的劲度模量增长43.4%。综上说明硫磺沥青混合料较普通沥青混合料而言变硬变脆，硫磺沥青混合料柔韧性降低，致使其抗弯拉强度与抗弯拉变形(应变)能力下降。

5 硫磺沥青混合料的剪切(贯入)强度试验

国内外已有研究表明路面产生车辙的主要原因与沥青混合料抗剪强度不足直接相关。2009年，长沙理工大学设计出圆环剪切试验方法，研究表明圆环剪切试验能较好模拟沥青混合料的抗剪切性能。为评价硫磺沥青混合料的高温抗剪切性能，本文试验参照长沙理工大学的试验方法，对普通沥青及硫磺沥青混合料进行了圆环剪切试验。

试件成型及尺寸：采用SGC旋转压实机成型φ150×150 mm的试件，然后切制成高度55±3 mm的圆柱体。

加载设备：可精确控制(电脑自动控制)加载速率的100 kN压力试验机。

加载压头尺寸：采用半径为25 mm的压头。

圆环尺寸：内径为100 mm的圆环。

加载速率：考虑到道路中的车辆荷载越接近静载，沥青混合料的力学响应越不利，故试验加载速率取为1 mm/min。

试验温度：采用与车辙试验相同的试验温度60 ℃。

表9 普通沥青混合料与硫磺沥青

由表9可知：(1)与普通沥青混合料相比，硫磺沥青混合料的贯入破坏荷载和贯入剪切强度均比普通沥青混合料大，贯入剪切强度增长约12.8%；(2)与普通沥青混合料相比，60 ℃下在贯入剪切荷载作用下，硫磺沥青混合料贯入位移明显减小，减小幅度约30.7%，即硫磺沥青混合料在高温剪切作用下不易产生较大的变形。由此表明，在60 ℃温度条件下，硫磺沥青混合料的抗剪切强度及抗变形能力增强，因此其高温抗车辙能力增强；(3)经圆环贯入剪切试验后，试件的裂缝形式不同，硫磺沥青混合料的裂缝在纵向上贯穿整个试件，且表面裂缝较多，而普通沥青混合料的裂缝未贯穿整个试件，如图1所示。

图1 圆环贯入试验试件破坏现象对比示例图

6 结语

本文对添加了硫磺改性剂的沥青混合料进行抗压强度、劈裂强度、贯入剪切强度、弯拉强度等力学行为的试验研究，结果表明：普通沥青混合料添加硫磺改性剂后，强度及抗变形能力增强，然而硫磺沥青混合料的抗弯拉强度及抗弯拉变形能力下降，即硫磺沥青混合料强度、刚度增强，但柔韧性有所下降，在路用性能表现上即硫磺沥青混合料的高温抗变形能力、低温抗弯拉强度有所下降。

[1]SEAM沥青路面施工技术指南[R].壳牌(中国)有限责任公司，2006.

[2]鲁正兰，孙立军，周朝晖.高性能SEAM改性沥青混合料设计及其性能[J].石油学报(石油加工)，2005，21(5)：73-78.

[3]杨锡武，熊世银.硫磺改性沥青混合料性能及机理研究[J].湖南科技大学学报(自然科学版)，2009，24(3)：61-67.

[4]岳贞菊，杨锡武，赖增成.SEAM改性沥青的化学改性机理分析[J].交通科技与经济，2008，10(1)：4-5.

[5]马青娜，李国芬，赵苏政.SEAM改性沥青混合料高温性能研究[J].山西建筑.2008，34(5)：201-203.

[6]杨大田，夏文军，杨锡武.SEAM沥青混合料高温稳定性[J].长沙理工大学学报(自然科学版)，2008，5(4)：18-22.

[7]王春明，郑志超，李 平.SEAM沥青混合料与普通沥青混合料路用性能分析[J].北京建筑工程学院学报，2007，23(4)：18-22.

[8]孙立军.沥青路面结构行为理论[D].上海：同济大学出版社，2003.

[9]黄 拓.沥青混合料剪切性能试验方法研究[D].长沙：长沙理工大学，2009.