硫磺复合改性剂对沥青及沥青混合料性能的影响

2021-03-31贺炜

山西交通科技 2021年1期

贺炜

（山西省交通科技研发有限公司，山西太原 030032）

0 引言

聚合物改性沥青施工所带来的巨大的能源与资源消耗、居高不下的生产成本、大量排放的温室气体以及可怕的环境污染将会使人类付出巨大的代价，严重制约社会经济的健康发展[1-2]。传统的改性沥青混合料技术已不符合时代发展的理念，主要原因是在拌和、摊铺及碾压时需要较高的温度，在生产和施工过程中不仅要消耗大量能源，而且排放大量的废气和粉尘，影响周围的环境质量和施工人员的身体健康，与此同时沥青还会产生热老化现象影响其路用性能[3-5]。吴静秋[6]应用99.7%纯度的硫磺改性剂对70号A级道路石油沥青混合料进行改性研究，通过马歇尔试验方法，研究了不同含量的硫磺改性剂对改性沥青混合料的高温性能、低温性能、抗水损性能、疲劳性能影响研究，分析测试表明：硫磺改性剂对沥青混合料的高温性能和疲劳性能有明显效果，但对于低温性能、抗水损性能有负面影响，综合对比考虑，建议最佳硫磺改性剂添加量在20%～30%。

通过文献分析目前尚未发现有硫磺与EVA等功能性材料共混接枝改性制得改性剂，本文通过将硫磺与EVA、增塑剂等按一定比例混合后造粒制得硫磺复合改性剂，将成型后的改性剂分别以10%、20%、30%和40%的比例掺入70号和90号沥青中进行对基质沥青的替代和改性。并以10%～40%改性剂对AC-20级配沥青混合料进行改性，测试相关性能。

1 原材料

a）硫磺北京天塑胶贸易公司。

b）EVA 天津聚海贸易有限公司。

c）活性炭太原市福源物资供应站。

d）塑化剂上海紫一试剂厂。

e）钙粉灵寿县百胜矿产品加工厂。

表1 硫磺主要成分及其含量

表2 EVA主要性能

2 改性剂制备

准确称取一定量的硫磺、EVA、活性炭、钙粉、塑化剂等置于反应容器中充分混匀，然后置于温度为200℃±20℃的油浴中加热并开始搅拌，待固体硫磺、EVA等熔化后，继续搅拌30 min，直到混合物呈黑色时将其按一定的流速滴入冷水槽中，快速冷却成黑色颗粒状，即制得实验用硫磺复合改性剂，待后续改性沥青与改性沥青混合料按比例要求添加时使用。

3 试验方法

按照改性沥青及改性沥青混合料制备方法，将所制得的改性剂分别以10%、20%、30%和40%的比例掺入70号和90号沥青中进行对基质沥青的替代和改性，并据此改性沥青的方法制得不同含量改性剂的AC-20沥青混合料。

4 结果与讨论

4.1 改性沥青性能

将所制得的改性剂分别以10%、20%、30%和40%的比例掺入70号和90号沥青中进行对基质沥青的替代和改性。试验中发现不同替代量与沥青混溶的难易程度不同。10%和20%的替代量可于160℃下与沥青搅拌混溶，30%和40%的替代量可于160℃下与沥青剪切15 min混溶。随替代比例的增加，改性聚合物与基质沥青的混溶难度加大。表3和表4分别为不同改性剂加量对70号基质沥青三大指标和布氏黏度的影响，表5和表6分别为不同改性剂加量对90号基质沥青三大指标和布氏黏度的影响。

表3 不同硫磺改性剂加量对70号基质沥青三大指标影响

表5 不同硫磺改性剂加量对90号基质沥青三大指标影响

表6 不同硫磺改性剂加量对90号基质沥青布氏黏度影响

由表中数据可见，该改性剂在提高沥青材料高温性能的同时可对低温性能有所改善，这与EVA材料本身良好的弹性、柔韧性以及掺入增塑剂的作用有关。整体上随着改性剂掺量的增加，软化点不断提高，延度整体仍呈现下降趋势，材料黏度的增加导致施工温度的提升。

4.2 改性沥青混合料

研究中选取AC-20级配，以10%硫磺改性剂加量为例进行混合料试验并测试其相关性能。在级配确定之后通过马歇尔击实试验确定混合料的最佳沥青用量。根据经验，预估10%硫磺改性剂加量下最佳油石比为4.50，以0.50为单位间隔向两侧扩展，分别选择3.50、4.00、4.50、5.00、5.50 拌制5组沥青混合料，双面击实75次成型试件。测定沥青混合料试件的密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、流值、稳定度等参数，测试结果如表7。

表7 10%硫磺改性聚合物替代量油石比试验数据

由上述结果确定10%硫磺改性聚合物替代量下沥青混合料的最佳油石比为4.3%。相应沥青混合料测试结果见表8。

表8 10%硫磺改性聚合物替代量沥青混合料结果

沥青混合料的高温稳定性是一项重要的路用性能检测指标，它能反映在夏季高温（通常为 60℃）环境下，沥青混合料在经车辆荷载作用后抵抗车辙、推移和拥包等永久变形能力的高低。理论上沥青混合料高温稳定性的形成机理来源于沥青结合料的高温黏结性和矿料级配的嵌挤作用。国外关于此项指标的经典研究成果认为：沥青混合料的高温稳定性60%取决于矿料级配间的嵌挤作用，40%取决于沥青结合料的黏结特性。