硫磺改性劑對瀝青混合料力學性能影響的試驗研究

楊 磊，張洪剛，龐 嬋

(1.廣西金石高速公路有限公司，廣西 南寧 530003；2.廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

在瀝青混合料中添加硫磺改性劑可以替代26%～30%左右的瀝青用量，還可以使瀝青混合料的性能得到改善，尤其是高溫抗車轍能力提高。早在20世紀初，國外就開展了硫磺瀝青混合料的研究工作，并鋪筑了多條硫磺瀝青路面，路用效果較好。國內(nèi)相關(guān)高校及科研單位對硫磺瀝青改性機理及路用性能開展了很多研究工作，并已鋪筑30多條硫磺瀝青應(yīng)用路及試驗段?？v觀國內(nèi)外硫磺瀝青相關(guān)技術(shù)研究，多集中于硫磺瀝青改性機理、合理摻量、路用性能等方面，對硫磺瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能等研究較為成熟；但對硫磺瀝青混合料的力學性能研究較少，對硫磺瀝青混合料的材料力學響應(yīng)、力學性能與路用性能相關(guān)性及機理解釋研究較少。因此，本文對添加硫磺改性劑的瀝青混合料進行了抗壓強度、劈裂強度、貫入剪切強度、彎拉強度等力學行為進行了試驗研究，通過分析強度及變形規(guī)律掌握其力學響應(yīng)特性，從力學性能角度分析硫磺改性劑對瀝青混合料性能的影響。

1 原材料及配合比試驗

本文試驗所用石料為石灰?guī)r，取自廣西石埠石場，所用石料密度及吸水率如表1所示。瀝青采用泰國產(chǎn)的泰普克70#道路石油瀝青，瀝青性能指標如表2所示。

本文試驗中，瀝青混合料級配類型采用AC-20C型，合成級配設(shè)計曲線如表3所示。通過馬歇爾試驗確定了普通瀝青混合料AC-20C的最佳油石比為4.2，根據(jù)等體積替換確定了硫磺瀝青混合料AC-20C的最佳油石比為5.3%，其中硫磺與瀝青的摻量質(zhì)量比為40∶60，并添加了0.8%(占瀝青質(zhì)量比例)的抗剝落劑。普通瀝青混合料與硫磺瀝青混合料AC-20C的體積指標如表4所示。

表1 石灰?guī)r吸水率及密度試驗結(jié)果表

表2 70#道路石油瀝青性能指標試驗結(jié)果表

表3 AC-20C型級配設(shè)計結(jié)果表

表4 瀝青混合料AC-20C的馬歇爾試驗體積指標表

2 硫磺瀝青混合料的抗壓強度試驗

本文采用圓柱體單軸壓縮試驗評價硫磺瀝青混合料的抗壓強度。為能更好地模擬實際路面碾壓成型狀態(tài)，本次試驗成型采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實，成型試件為直徑150 mm、高150 mm的圓柱體。試驗溫度為15 ℃，加載速度為2 mm/min，加載試驗設(shè)備采用100 kN壓力試驗機。按照JTJ052-2000試驗規(guī)程進行試驗，每組試驗3個試件，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 兩種類型瀝青混合料抗壓強度試驗對比結(jié)果表

由抗壓強度試驗結(jié)果可知：(1)硫磺瀝青混合料的最大破壞荷載和抗壓強度比普通瀝青混合料大，抗壓強度增長約15.6%；(2)硫磺瀝青混合料強度增大的同時，其抵抗豎直變形能力也在增強，當瀝青混合料達到極限破壞強度時，普通瀝青混合料豎直變形已達7.70 mm，硫磺瀝青混合料的豎直變形為6.92 mm，在承受相同外界豎直荷載作用時，硫磺瀝青混合料產(chǎn)生的豎直變形更小，即硫磺瀝青混合料不易產(chǎn)生較大的豎向變形，剛度較大。

3 硫磺瀝青混合料的劈裂強度試驗

本文采用圓柱體間接拉伸試驗(劈裂試驗)評價硫磺瀝青混合料的劈裂強度。采用馬歇爾擊實與SGC旋轉(zhuǎn)壓實分別成型兩組不同試件，SGC成型試件為直徑150 mm、高150 mm的圓柱體，切割成直徑150 mm、高95 mm的標準劈裂試件。試驗溫度為15 ℃，加載速度為50 mm/min，試驗設(shè)備為100 kN壓力試驗機。按照JTJ052-2000試驗規(guī)程進行劈裂試驗，每組試驗3個試件，試驗結(jié)果如表6、表7所示。

表6 馬歇爾擊實條件下兩種類型

表7 SGC旋轉(zhuǎn)壓實條件下兩種類型

由表6及表7可知：(1)兩種不同試件成型方式下，硫磺瀝青混合料的劈裂強度均比普通瀝青混合料的劈裂強度提高；(2)采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實成型試件時，硫磺瀝青混合料的劈裂強度增長幅度大于馬歇爾擊實成型的試件劈裂強度增長幅度。

4 硫磺瀝青混合料的彎曲試驗

為評價硫磺瀝青混合料在規(guī)定溫度和加載速度時彎曲破壞的力學性質(zhì)，對硫磺瀝青混合料進行了小梁彎曲試驗以評價其抗彎拉力學性能。試件成型及尺寸：利用輪碾機成型30 cm×30 cm×5 cm的車轍板，切制成長25 cm×寬3 cm×高5 cm的棱柱體小梁。試驗溫度為15 ℃，加載速度為50 mm/min，試驗設(shè)備為100 kN壓力試驗機。按照JTJ052-2000試驗規(guī)程進行試驗，每組試驗3個試件，試驗結(jié)果如表8所示。

表8 瀝青混合料小梁彎曲試驗結(jié)果表

由表8小梁彎曲試驗結(jié)果可知：(1)與普通瀝青混合料相比，硫磺瀝青混合料的破壞荷載及抗彎拉強度減小，抗彎拉強度減小26.3%；(2)與普通瀝青混合料相比，硫磺瀝青混合料跨中最大撓度減小32.3%，彎拉應(yīng)變減小57.1%，即硫磺瀝青混合料抗彎拉變形能力下降；(3)與普通瀝青混合料相比，硫磺瀝青混合料的勁度模量增長43.4%。綜上說明硫磺瀝青混合料較普通瀝青混合料而言變硬變脆，硫磺瀝青混合料柔韌性降低，致使其抗彎拉強度與抗彎拉變形(應(yīng)變)能力下降。

5 硫磺瀝青混合料的剪切(貫入)強度試驗

國內(nèi)外已有研究表明路面產(chǎn)生車轍的主要原因與瀝青混合料抗剪強度不足直接相關(guān)。2009年，長沙理工大學設(shè)計出圓環(huán)剪切試驗方法，研究表明圓環(huán)剪切試驗?zāi)茌^好模擬瀝青混合料的抗剪切性能。為評價硫磺瀝青混合料的高溫抗剪切性能，本文試驗參照長沙理工大學的試驗方法，對普通瀝青及硫磺瀝青混合料進行了圓環(huán)剪切試驗。

試件成型及尺寸：采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實機成型φ150×150 mm的試件，然后切制成高度55±3 mm的圓柱體。

加載設(shè)備：可精確控制(電腦自動控制)加載速率的100 kN壓力試驗機。

加載壓頭尺寸：采用半徑為25 mm的壓頭。

圓環(huán)尺寸：內(nèi)徑為100 mm的圓環(huán)。

加載速率：考慮到道路中的車輛荷載越接近靜載，瀝青混合料的力學響應(yīng)越不利，故試驗加載速率取為1 mm/min。

試驗溫度：采用與車轍試驗相同的試驗溫度60 ℃。

表9 普通瀝青混合料與硫磺瀝青

由表9可知：(1)與普通瀝青混合料相比，硫磺瀝青混合料的貫入破壞荷載和貫入剪切強度均比普通瀝青混合料大，貫入剪切強度增長約12.8%；(2)與普通瀝青混合料相比，60 ℃下在貫入剪切荷載作用下，硫磺瀝青混合料貫入位移明顯減小，減小幅度約30.7%，即硫磺瀝青混合料在高溫剪切作用下不易產(chǎn)生較大的變形。由此表明，在60 ℃溫度條件下，硫磺瀝青混合料的抗剪切強度及抗變形能力增強，因此其高溫抗車轍能力增強；(3)經(jīng)圓環(huán)貫入剪切試驗后，試件的裂縫形式不同，硫磺瀝青混合料的裂縫在縱向上貫穿整個試件，且表面裂縫較多，而普通瀝青混合料的裂縫未貫穿整個試件，如圖1所示。

圖1 圓環(huán)貫入試驗試件破壞現(xiàn)象對比示例圖

6 結(jié)語

本文對添加了硫磺改性劑的瀝青混合料進行抗壓強度、劈裂強度、貫入剪切強度、彎拉強度等力學行為的試驗研究，結(jié)果表明：普通瀝青混合料添加硫磺改性劑后，強度及抗變形能力增強，然而硫磺瀝青混合料的抗彎拉強度及抗彎拉變形能力下降，即硫磺瀝青混合料強度、剛度增強，但柔韌性有所下降，在路用性能表現(xiàn)上即硫磺瀝青混合料的高溫抗變形能力、低溫抗彎拉強度有所下降。

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