1、新型硫磺特种沥青混合料技术应用研究摘要：改性沥青混合料由于其优异的路用性能，在较短的时期内在我国较大范围都进行了广泛的应用。但是改性沥青由于其粘度较大，导致其在进行混合料生产时需要在较高的温度，而且在进行施工时也对温度有较高的要求，尤其是对于中国北方寒冷地区，改性沥青混合料的应用时期较短，从而限制了实际工程应用。硫磺特种混合料技术是一种新型的沥青混合料技术，它是基于硫磺沥青混合料技术再结合特种沥青的优异性能后形成硫磺特种沥青混合料。和常规改性沥青混合料相比，硫磺特种沥青混合料在性能方面满足改性沥青混合料前提下，不仅能够在较低的温度下进行生产和施工，减少燃油消耗；而且其综合成本比改性沥青混合料具
2、有较大优势。本文基于硫磺沥青混合料的技术，系统对比研究了改性沥青混合料和硫磺特种沥青混合料的路用性能。结合室内研究成果深入探讨硫磺特种沥青混合料技术的应用前景。 关键词：改性沥青混合料；硫磺特种沥青混合料；高温稳定性能；节能减排；成本节约 中图分类号： TE08 文献标识码： A 1 引言 随着国民经济的快速发展，公路运输越来越繁忙，超载也成为高速公路运输过程的一种常态。而且我国由于幅员辽阔，各地区气候环境差异较大，各地的施工工艺水平也不尽相同。尤其是在北方寒冷地区，我国很多地区路面由于气温低压实度不足，而产生车辙等病害。 对于热沥青混合料路面而言，碾压是路面施工的最后的一道工艺，是决定路面施
3、工质量的关键工序，沥青路面的压实度对于热沥青路面的强度和耐久性有着巨大的影响。部分地区施工季节短，工期要求紧，从而出现很多在不利季节下施工的情况，最终由于沥青混合料降温快而造成碾压困难，导致沥青路面压实度不足，从而形成早期车辙损坏。相关研究表明：在渠化交通条件下，若压实不足，压实度每降低 1，标准压实度相应的空隙率会增加 1，沥青混合料的疲劳寿命将要降低约35，从而加速沥青的老化和水损坏，最终影响沥青路面的长期使用性能。 针对这种实际情况，国内很多科研单位开发出许多新型的温拌技术，用于提高路面压实度，保证施工质量，典型代表如基于乳化平台的易密实混合料设计技术，通过化学表面活性剂配置成皂液的形式
4、直接加入拌合缸，与沥青，石料进行搅拌，在化学表面活性剂和水膜共同作用下改变了沥青短暂的动力粘度，从而提高了较低温度下的拌和性能，但由于在使用过程中石料温度的降低，导致混合料中残留的水分不能够完全蒸发，影响混合料的水温定性能。 硫磺改性沥青混合料技术近几年在国内许多省份都有应用，其可在沥青混合料拌和过程中直接加入拌和仓，按常规方法拌和后形成硫磺改性沥青混合料。该添加剂一方面可以作为粘结料，替代普通沥青混合料中 1826的沥青，同时该添加剂熔点接近 115C，可在熔解后完全溶于沥青，并显著降低其粘度，使得沥青混合料的生产温度和压实温度降低 2030C。 硫磺沥青混合料改性剂，是经过特别处理的石油炼
5、制副产晶，由硫磺、烟雾抑制剂、塑性添加剂和气味添加剂组成，主要成分为硫磺。常温下为半球状黑褐色固体颗粒，运输时既不需要高温贮存，也不需要贮罐，可以同石料一样方便的储存和运输。 硫磺特种沥青混合料技术由于硫磺的掺入，降低了沥青混合料的粘度，不仅能够降低沥青混合料的生产温度，而且由于硫磺材料的独特特性，硫磺沥青混合料的降温速率远远低于常规沥青混合料，对于长运距施工项目和低温施工项目具有很大优势。而硫磺改性沥青混合料技术既可以替代部分沥青，同时又可以大幅提高沥青混合料的高温性能，在混合料综合成本上也具有很大优势，因此具有较大的推广应用空间。 硫磺在沥青中作用机理为部分硫磺与沥青呈化学结合，溶解在沥青
6、中，这一部分硫磺作为沥青稀释剂，使粘稠的沥青变得稀释；另一部分硫磺分散在沥青相中，溶解和分散的硫磺最终都形成结晶，作为结构强度增强剂，达到对沥青和沥青混合料的改性，显著提高普通沥青混合料的路用性能，尤其是沥青混合料的高温稳定性能。研究表明，使用硫磺替代普通沥青后混合料的部分路用性能，如水稳定性能和低温性能有一定程度的降低。基于这种现状，研究开发出硫磺替代特种沥青形成硫磺特种沥青混合料，使混合料的整体性能都能够达到改性沥青混合料的技术要求，但在混合料成本上相比改性沥青混合料又有较大的优势。 2 硫磺特种沥青混合料设计方法 2.1 硫磺特种沥青混合料室内实验温度 图 1 硫磺沥青胶结料粘温曲线 根
7、据胶结料(硫磺与沥青)的粘温曲线图，确定胶结料(硫磺+沥青)的拌和温度为 130140，击实成型温度为 120130。硫磺沥青混合料的拌和温度可以比普通热拌沥青混合料低 2030，下表为在进行室内对比试验验证时采用的温度。 表 1 沥青混合料室内试验温度表 2.2 硫磺 沥青混合料粘结料最佳用量的确定 硫磺沥青混合料配比设计主要是确定硫磺和沥青的最佳用量，根据当前的研究成果，其具体步骤如下： （1）采用马歇尔混合料设计方法，对普通沥青混合料作马歇尔试验，求出其最佳的沥青用量； （2）将求得的沥青用量 A 以及初定的硫磺与沥青的质量比(本项目采用硫磺：沥青= 35:65 替代比例进行设计)，计算
8、硫磺质量分数 PS，代入下式，求得硫磺+特种沥青的质量分数，即 (硫磺+特种沥青)% 其中：A常规混合料设计中沥青用量 R硫磺替代系数，常取经验推荐值 1.9 PS总粘结料中的硫磺重量百分比 G=沥青比重 （3）根据硫磺、沥青的用量和设计好的集料级配制作马歇尔试件，测试其马歇尔稳定度等性能指标。 2.3 本文采用的级配及胶结料用量 （1）矿料级配 采用普通沥青混合料、Thiopave 普通沥青混合料、Thiopave 特种沥青混合料、SBS 改性沥青混合料四种沥青混合料，应用相同的混合料级配。分别为沥青路面常用的上面层 AC-13C 级配类型，中面层 AC-20C 级配类型。沥青混合料 AC-
9、13C 和 AC-20C 的矿料合成级配见表 2。 表 2 AC-13C 和 AC-20C 的矿料合成级配 （2）胶结料用量 采用马歇尔设计方法完成了普通沥青混合料、Thiopave 普通沥青混合料、Thiopave 特种沥青混合料、SBS 改性沥青混合料四种沥青混合料四种沥青混合料的设计，确定了胶结料的含量与体积指标毛体积相对密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度及马歇尔稳定度、流值之间的关系，最终按照公路沥青及其混合料实验规程制定的方法得到了最佳胶结料的用量。该研究中四种沥青混合料 AC-13C 和 AC-20C 的胶结料含量见表 3。 表 3 四种沥青混合料 AC-13C 和 AC-20C
10、 的胶结料用量 由上述数据可以看出，对于相同矿料级配下的沥青混合料，胶结料类型的改变不会影响胶结料的用量，即普通沥青混合料、Thiopave 普通沥青混合料、Thiopave 特种沥青混合料、SBS 改性沥青混合料四种沥青混合料中，Thiopave 普通沥青混合料、Thiopave 特种沥青混合料在 AC-13C 沥青混合料中沥青用量均为 3.79%，硫磺改性剂用量均为 2.04%，四种类型的胶结料等体积沥青用量均为 4.9%；在 AC-20C 沥青混合料中沥青用量均为 3.41%，硫磺改性剂用量均为 1.83%，四种类型的胶结料等体积沥青用量均为 4.4%。 （3）原材料技术指标要求 表 4
11、SBS 1-D 型改性沥青技术指标要求 表 570# A 级道路石油沥青技术要求 特种沥青是一种壳牌公司专门为配合硫磺使用而研发的一种特殊配方的改性沥青，具体指标要求如表 6 所示： 表 6 特种沥青技术指标要求 硫磺改性剂选用由壳牌（中国）有限公司生产的硫磺沥青混合料改性剂，其物理化学指标见表 7 所示。 表 7 硫磺沥青混合料改性剂的物理化学指标 图 2 硫磺在混合料中结晶 3 路用性能评价 为了不同混合料的路用特性，以上述的初选原材料和推荐级配作为既定条件，分别对普通沥青混合料、Thiopave 普通沥青混合料、Thiopave 特种沥青混合料、SBS 改性沥青混合料四种沥青混合料进行了
12、设计。 根据项目研究的目标，本研究从提高沥青混合料的高温性能着手，通过在沥青混合料中加入新型的硫磺改性剂，实现混合料高温性能的提高。与此同时，对沥青混合料的低温及水文性能进行检验，确定硫磺改性剂的加入后各性能均能满足规范要求，并且不损失混合料的其他性能。3.1 高温稳定性评价 按照上述车辙试验方法测定普通沥青混合料、Thiopave 普通沥青混合料、Thiopave 特种沥青混合料、SBS 改性沥青混合料四种沥青混合料的动稳定度来评价各种沥青混合料的高温性能，并通过动稳定度值来评价其高温性能的优劣，四种沥青混合料的动稳定度值见表 8。 表 8 四种沥青混合料的动稳定度值 图 3 四种沥青混合料
13、的动稳定度值 由上述数据可知，首先在动稳定值方面，SBS 改性沥青混合料Thiopave 特种沥青混合料Thiopave 普通沥青混合料普通沥青混合料。其次，无论是普通沥青还是特种沥青，在添加了硫磺改性剂后，其混合料的的动稳定度均远远大于规范要求的指标，即在加入硫磺改性剂后，沥青混合料的抗车辙性能得到了有效的提升。最后，用特种沥青替换普通沥青并加入硫磺改性剂，沥青混合料的动稳定度值迅速提升，并接近于 SBS 改性沥青混合料的动稳定度值，由此可以得知用特种沥青替换普通沥青并加入硫磺改性剂能够更好的实现沥青混合料抗车辙能力的提高。 （2）其他路用性能 对沥青混合料的低温性能的评价，本文采用公路工程
14、沥青及其混合料试验规程JTG E20-2011 中制定的低温小梁弯曲试验测定小梁弯曲破坏应变来评价。低温小梁弯曲试验是将沥青混合料经轮碾成型为300mm300mm50mm 的板块，然后切割成 30mm35mm250mm 的小梁。将其置于 MTS 试验机内，试验温度为-10，以 50mm/min 的加载速率加压，由此测定试件的破坏强度及其对应的应变。 表 9 四种沥青混合料的弯曲破坏应变值 图 4 四种沥青混合料的低温弯曲破坏应变 由上述可知，AC-13C 和 AC-20C 两种级配类型中，70#普通沥青混合料、Thiopave 普通沥青混合料、Thiopave 特种沥青混合料、SBS 改性沥青
15、混合料的小梁弯曲破坏应变均满足规范要求，其中，弯路破坏应变值的规律如下：SBS 改性沥青混合料Thiopave 普通沥青混合料Thiopave 特种沥青混合料，由此可知，SBS 改性沥青混合料具有最优的抗低温开裂能力。对于 Thiopave 普通沥青混合料，其低温性能较弱，仅比规范要求值大 5%以内，因此，在应用 Thiopave 抗车辙技术的过程中，需要考虑用特种沥青替换普通沥青，由此可以实现低温性能的大力提升，并且促进混合料高温与低温的性能平衡，并且 Thiopave 特种沥青混合料的经济性比 SBS 改性沥青混合料好。 对沥青混合料的水稳定性能的评价，本文采用公路工程沥青及其混合料试验规
16、程JTG E20-2011 中制定的冻融劈裂试验测定冻融前后劈裂强度比和浸水马歇尔试验测定残留稳定度来评价。对 70#普通沥青混合料、Thiopave 普通沥青混合料、Thiopave 特种沥青混合料、SBS 改性沥青混合料四种沥青混合料水稳定性能试验结果见下图表。 表 10 四种沥青混合料的冻融劈裂强度比 图 5 四种沥青混合料的冻融劈裂强度比 表 11 四种沥青混合料的残留稳定度 图 6 四种沥青混合料的残留稳定度 由上表可知，AC-13C 和 AC-20C 两种级配类型中，普通沥青混合料、Thiopave 普通沥青混合料、Thiopave 特种沥青混合料、SBS 改性沥青混合料的冻融劈裂强度比、残留稳定度值均满足规范对混合料的抗水损害能力要求。其中冻融劈裂强度比值的规律如下：SBS 改性沥青混合料Thiopave 特种沥青混合料Thiopave 普通沥青混合料普通沥青混合料，残留稳定度值的规律如下：SBS 改性沥青混合料Thiopave 特种沥青混合料Thiopave 普通沥青混合料普通沥青混合料。由此可见，SBS
