硫磺沥青混合料性能及硫磺掺量确定研究

周华军 丁亚亮

摘要：为了提高沥青路面抗车辙能力，SEAM（硫磺强化沥青改性剂）作为一种经济有效的材料受到人们的重视。通过室内试验，研究了SEAM沥青混合料的马歇尔性能指标、高温、水稳定性和劈裂疲劳性能，分析了不同SEAM掺量对混合料性能的影响，提出了沥青混合料中SEAM掺量的确定方法。

关键词：硫磺；改性沥青混合料；马歇尔试验；高温稳定性；硫磺掺量

沥青路面因行车舒适，养护方便而得到越来越广泛的应用。为提供安全、快速而经济的服務，沥青路面必须具有足够的强度，良好的稳定性、耐久性和平整性。道路工作者们通过改进沥青混合料设计方法，优化级配类型和加强施工控制，沥青路面的路用性能不断得到提高，但随着重载交通的不断增长以及车辆的渠化作用，车辙问题日渐成为沥青路面的主要病害。

为了提高沥青路面抗车辙能力，必须增加沥青混合料在高温下的强度和稳定性。目前常用的方法主要有采用改性沥青、高粘度沥青和其他加筋材料来提高沥青混合料的抗车辙性能。这些新材料虽然可以一定程度地改善沥青混合料的高温性能，但从经济性的角度来看，造价相对较高，很难大面积推广。因此SEAM（硫磺强化沥青改性剂）作为一种经济有效的材料受到人们的重视。通过室内试验，本文研究了SEAM改性沥青混合料的马歇尔性能指标、高温、水稳定性和劈裂疲劳性能，分析了SEAM掺量对混合料性能的影响，提出了混合料中SEAM掺量的确定方法。

1、试验沥青混合料的设计级配

配合比设计所用集料为镇江茅迪石灰岩，沥青为东海70#道路石油沥青，其中试验采用的硫磺为壳牌加拿大公司生产的硫磺颗粒SEAM。试验选用AC-25沥青混合料级配，设计结果见表1。

2、硫磺改性沥青混合料马歇尔试验分析

为了对比不同硫磺掺量沥青混合料性能的变化，分析硫磺掺量对沥青混合料性能的影响规律，试验分别选用了0%、20%、30%、40%和50%四个比例进行沥青混合料的试验。

通过马歇尔试验确定出不同硫磺掺量改性70#基质沥青混合料的最佳油石比及其物理力学指标，见表2。

注：硫磺（SEAM）掺量是指硫磺占硫磺加沥青总质量的百分比，最佳油石比中包含了硫磺质量。

分析表中数据可得出如下结论：

（1）在SEAM掺量大于20%的条件下，随着硫磺掺量的增加，其改性沥青混合料的稳定度有一定提高，但对流值的降低幅度不大，说明硫磺的加入并没有使沥青混合料变强变脆，这对于低温地区利用SEAM改性沥青路面是有利的。

（2）硫磺沥青混合料的拌和与成型温度较低（图1为SEAM掺量为40%时SEAM沥青结合料粘温曲线），但是与基质沥青相比，其成型混合料的空隙率、间隙率并没有随着硫磺的加入而明显变化，说明在一定压实温度条件下，硫磺并不会影响混合料的压实效果。

3、硫磺改性沥青混合料性能试验分析

在沥青中加入硫以后，其沥青混合料变得干硬，硫对沥青混合料高温稳定性提高的效果、对强度和水稳定性的影响等是人们关心的问题，因此，在马歇尔试验确定的不同硫磺掺量的混合料最佳配合比基础上，进一步研究了SEAM沥青混合料的路用性能。

3.1 高温稳定性

沥青混合料的高温稳定性是指在夏季高温时，在交通荷载作用下沥青路面抵抗车辙、推移、拥包等永久变形的能力。试验采用车辙试验来评价沥青混合料的高温抗车辙性能，试验结果见表3。

注：混合料中添加了抗剥落剂，且试件是在养生7天后才做的动稳定度试验。

从表3可以看出：当SEAM>20%以后，随着SEAM掺量的增大，硫磺沥青混合料的动稳定度开始提高，当掺量增加达到530%时，沥青混合料的动稳定度提高到3194次，为基质沥青的4.43倍，表明SEAM对于提高沥青混合料的高温稳定性具有显著效果。

3.2 水稳定性能

沥青混合料水稳定性是指沥青与矿料之间形成粘附力后，水对沥青的置换作用而引起沥青剥落的抵抗程度。冻融劈裂是在规定条件下对沥青混合料进行冻融循环，测定混合料试件在受到冻融前后劈裂破坏的强度比，以评价沥青混合料的水稳定性，试验结果见表4。

从表4可以看出：虽然SEAM对沥青混合料的劈裂强度比影响较小，但在掺量增加到50%条件下，混合料的劈裂强度比小于80%，所以为保证硫磺沥青混合料具有足够的水稳定性，硫磺的掺量宜小于50%。

3.3 疲劳性能

沥青混凝土的疲劳性能与沥青路面的使用寿命密切相关，尤其路面的中、下面层对该性能要求更高。劈裂疲劳试验结果见表5。

从表5可以看出：SEAM掺量为20%时，沥青混合料的疲劳寿命略有提高，但随着硫磺掺量的增加，沥青混合料的疲劳寿命开始下降，达到50%掺量时，疲劳寿命只有普通沥青混合料的32.3%，因此SEAM的掺量不宜过大。

4、SEAM掺量的确定

沥青混合料中掺加不同量的SEAM，则SEAM改性沥青混合料析出的晶体形成的网状结构也会不同，导致沥青混合料的强度等性能也会大不相同。掺加不同比例的SEAM可以得到不同性能的SEAM沥青混合料，SEAM掺加的比例越大则刚性越大。一般来说掺加50%以上将得到“全刚性”的混合料，此时SEAM可以替代40%的沥青，这种路面具有优异的抗车辙性能，但是柔性较低；掺加40%左右的SEAM将得到“半刚性”的混合料，此时可以替代30%的沥青，这种SEAM沥青混合料的稳定性比常规沥青混合料高，因此路面具有较高的抗车辙性能；掺加30%左右的SEAM将得到“软”沥青混合料，此时可以替代约205左右的沥青，这种SEAM沥青混合料的性能与常规沥青混合料基本相似，路用性能略好一些，与常规沥青混合料相比，使用较少的压实功作用即可得到较好的压实度，主要的优点是可以节约沥青的使用量。采用不同SEAM掺入量按照m（SEAM）∶m（Asphalt）比例拌和的SEAM改性沥青混合料，随着m（SEAM）∶m（Asphalt）的增大，马歇尔稳定度不断增大，说明SEAM改性沥青混合料的强度可以用控制SEAM的掺入量来进行调节。

由此可见，使用SEAM改性沥青混合料时，采用什么样的m（SEAM）∶m（Asphalt）比例，要根据修建道路的功能需要和路面设计的强度、刚度等要求来选择确定。

SEAM用量的计算采取等体积替换的原则，通过如下公式进行：

式中：A为常规沥青混合料设计中沥青含量（重量百分比）；

R为SEAM替代系数，半刚性、柔性面层一般取R=1.8～1.9；

PS为最终结合料中SEAM重量比；

Gb为沥青相对密度。

计算出（SEAM+沥青）总结合料的用量，然后分别计算SEAM和瀝青的用量，如下：

SEAM%=（SEAM+沥青）%×PS 式（2）

沥青用量=（SEAM+沥青）%×（1-PS） 式（3）

5、结论

（1）SEAM改性沥青混合料在一段时间养生后才具有较好的高温稳定性，即硫磺可以提高沥青混合料的抗车辙性能；

（2）在合适的SEAM掺量下，SEAM改性沥青混合料在提高沥青混合料的高温稳定性时不会影响沥青混合料的水稳定性，但抗疲劳性能略有降低；

（3）通过不同SEAM掺量的沥青混合料的试验结果可以确定：下面层AC-25合适的m（SEAM）∶m（Asphalt）为40：60时，能够保证SEAM改性沥青混合料的各项性能满足规定的要求。

参考文献：

[1]冯卡.SEAM沥青混合料路用性能评价与改善技术研究[D].2008

[2]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）

[3]王春明.SEAM沥青混合料路用性能评价方法研究[D].2007

[4]冯洪林.SEAM沥青混合料的试验结果与技术性能分析[J].黑龙江交通科技，2008，31（4）

[5]盛晓军，刘黎萍，孙立军.SEAM沥青混合料水损坏研究[A].2008年国际交通技术创新与应用大会暨国际交通基础设施建设与养护技术大会论文集[C].2008

作者简介：

周华军，男，助理工程师，出生于1986年10月20日，江苏东交工程检测有限公司。