（交通运输工程专业论文）硫磺沥青混凝土应用技术研究.pdf

尔南大硕士学位论文摘要 摘要 随着我国经济建设迅速的发展，交通量迅速增长，重载车辆大量增加，超 载现象严重，致使公路现状越来越不适应发展的需要，由此导致，对道路的要 求也愈来愈高。迸入九十年代以来，对改性沥青的研究进入了高潮，作为改性 沥青混凝土的一种一掺硫改性沥青混凝土已在美国、加拿大等地进行了应用研 究，并取得了成功。目前在我国还是空白，为此本论文通过室i 为# 1 - 试验和铺筑 试验路工程，对掺硫沥青改性粒料( s e a m 粒料) 、成品改性沥青粒料( a r p 粒料) 进行了研究并总结了一定经验成果。 本文通过修筑试验路工程，对掺硫沥青改性粒料( s e a m ) 部分替代常规 沥青作为沥青混合料的相关技术进行了较为系统的研究，提出了采用掺硫沥青 改性粒料替代常规沥青的替代原则、替代方法和相关的混合料生产与施工工艺， 为掺硫沥青改性粒料的应用积累了宝贵资料，取得了丰富的经验。对于完全替 代沥青的成品改性沥青粒料( a r p 粒料) 仅在室内实验进行了研究。文中所述 的硫磺改性材料除指明的外均为掺硫沥青改性剂( s e a m ) 的试验应用研究a 研究表明，作为常规沥青的替代新材料，掺硫沥青改性粒料的应用，可显 著提高路面结构强度，路面高低稳温定性和混合料的水稳定性，并能符合环保 要求，与s b s 改性沥青相比，具有明显的经济效益，推广应用前景广阔。 该课题成果可用于指导掺硫沥青改性粒料沥青混合料的生产和施工，整体 技术居国内领先水平。 关键词：掺硫沥青改性剂、改性、配比、试验路、性能 东南大硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h en a t u r eo f t r a f f i c ，p e r f o r m a n c eo fa s p h a l tp a v e m e n t ，c o n d i t i o no f m a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t ，a n dp r o b l e m so fm a i n t e n a n c ep r o j e c to ft h et r u n k h i g h w a y s ，i na c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o nt h a tt h et r a d i t i o n a lm a i n t e n a n c et e c h n i q u e ， m a t e r i a l sc a l ln o tc o p ew i t ht h er a p i d l yi n c r e a s e dt r a f f i cv o l u m ea n do v e r l o a d i n g t r u c k s t h er e s e a r c ho fm o d i f i e da s p h a i tb e c o m e sv e r yi m p o r t a n t a san e wh n do f a s p h a l tm o d i f i e r , s u l p h u r - e x t e n d e da s p h a l t m o d i f i e r ( s e a m ) h a sb e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e di nt h ea m e r i c a a n dc a n a d a i no r d e rt h a tt h i sa s p h a l tm o d i f i e rc a l lb eu s e d v a l i d l y i no u rc o u n t r y , s o m er e l a t i v er e s e a r c ho f s e a mh a v eb e e nd o n ei nt h i sp a p e r f r o mt h e r e s e a r c h ，t h e c o n c l u s i o n sc a nb e g o t t e n ，w h i c h a r et h e s u l p h u r - e x t e n d e da s p h a l tm o d i f i e rc a n e n h a n c es i g n i f i c a n t l yt h es t r u c t u r es t r e n g t h o f p a v e m e n t ，i m p r o v et h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，a n dt h es e m a c o n f o r m st ot h e n e e d so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n c o m p a r e dw i t ht h es b sa s p h a l tm o d i f i e r , t h e s u l p h u r - e x t e n d e da s p h a l tm o d i f i e rh a sh i g he c o n o m i cb e n e f i t ，a n di t sa p p l i c a t i o n p r o s p e c t i sv e r y s p a c i o u s k e y w o r d s ：s u l p h u r e x t e n d e da s p h a l tm o d i f i e r , m o d i f i c a t i o n ，c o m p o s i t i o n o f f u m i s h ，t e s tr o a d ，p e r f o r m a n c e i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：刘锄交日期：翌q 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：垦! l 壁奎导师签名：至笠虚! ! 1日期：星! ! ：3 彖南大硕士学位论文 第一章结论 1 1 研究背景 第1 章绪论 我国自改革开放以来，经济发展取得了举世瞩目的成就，而公路交通事业 作为一重要的基础产业，已越来越成为经济发展的瓶颈，其落后现状已逐渐不 能适应经济发展的迫切需要，成为制约经济发展的一重要因素。在新的形势下， 我国进入了高等级公路建设的新阶段，公路建设的历史开始谱写最光辉灿烂的 页。全国掀起了修建高等级公路的热潮，“要想富、先修路”的思想已经深入 人心。从“八五”开始，国家用几个五年计划的时间，重点建成几条长约3 5 万公里的“五纵七横”国道主干线；以高等级公路建设为标志的公路发展也已 取得了显著成绩。到2 0 0 1 年底，全国公路通车里程达到1 4 3 5 万公里，其中高 速公路1 9 万公里【l 】。我国的公路运输状况的明显改善，为本世纪公路交通的 发展打下了坚实的基础。 高等级公路交通量大、渠化交通明显、车速高、轴载日趋重型化，因此对 道路的要求也愈来愈高，不但要求路面有足够的强度、稳定性、抗滑性、平整 性，而且还要求有良好的耐久性，保证公路使用期内各项指标在先期不致于明 显降低，确保车辆安全、舒适、快捷通行。要满足这些要求，最基础的条件之 一是选用优质的建筑材料。沥青路面作为一种无接缝的连续式路面，由于自身 的诸多优点，如有足够的力学强度，行车平稳、舒适，振动小，无扬尘，噪音 低以及便于养护维修等【2 】 多年来一直受到世界各国的重视。在我国迄今为止 所修建的高等级公路中绝大部分采用沥青路面，在一般等级公路中应用更为普 遍。但是随着国民经济的高速发展，新的问题接踵而来；交通运输任务的增加， 交通量增大，重载车辆增加，渠化交通已成为现代交通的鲜明特点和必然趋势， 沥青混凝土路面面牦着严峻的考验。许多公路建成后不久就不能适应交通的需 要，早期破坏时有发生，传统的沥青路面已难负重任。由此，与路面使用性能 及服务质量息息相关的沥青路面材料的研究，被提到议事日程上来【2 】。研究表 明，作为胶结材料的沥青同骨料及配合比比较是影响路面实用性能及使用寿命 的最主要的因素。 国内，大部分国产沥青由于产源及生产工艺等因素的制约，沥青含蜡量高 l 东南大硕士学位论文第一章结论 温度敏感性大，水稳定性不够理想，耐久性欠佳等原因，沥青的性能不能满足 高等级道路中交通沥青路面的要求，养护材料，特别是适用于高等级公路路面 的养护材料几乎是空白。面对这种情况，道路工作者不得不在提高沥青性能上 下功夫，使路面保持良好的使用状态、延长使用寿命，创造社会经济效益。 近年来，国内外公路科技人员在面层胶结料方面做了大量的研究，各种配 方的改性沥青得到了广泛的应用，一些新的改性方法也在不断研究。早在一个 世纪前，人们已知道硫磺具有提高沥青质量的特性，硫磺改性在美国、加拿大 7 0 年代就应用很广泛，但在我国还属于新材料、新工艺。应用者必须了解清楚， 才能正确应用，避免出现不必要的偏差。使用s e a m 拌和的混合料已经在天津 “津沽公路”“津榆公路”试验成功，本课题就是根据国内外的研究技术资料及 经过试验总结归纳出来的，阻供进一步深化应用参考。 1 2 研究现状 为提高路面质量，从沥青开始应用就有人在研究沥青改性的问题( 1 0 0 余 年已研究过1 0 0 余种材料改性【17 1 ) 。但改性沥青真正受到重视却是在1 9 7 3 年的 石油危机之后【1 9 】，石油危机使得优质沥青的价格增长了五倍多，这吸引了世界 上许多科研人员投入到改性沥青的研究中。尤其是在欧洲、美国、加拿大，他 们有的以改性剂为核心，有的以改性设备、工艺为核心来研究改性沥青，使沥 青的路用性能获得了不同程度的改善。到目前为止已研制出几十种专利产品， 如n o v o p h a l t ( p e ) 、e s s o - e v a ( e v a ) 、e u r o p e n e c a r b i t ( s b s ) 、 p o l y s a r ( s b 鼬、n e o p r e n e ( c r ) 等【1 9 l 。目前在改性沥青领域比较领先的国家 有美国、法国、奥地利、德国、加拿大等。 国内外改性沥青尚未见通用标准，比较有影响的美国s h r p 计划亦未单独 对改性沥青做出规定【1 3 1 。许多国家根据本国改性沥青的应用情况制定了一些改 性沥青应用评价指标，其中一些比较有应用价值的如日本、德国、奥地利的改 性沥青标准，在美国除了采用s h r p 的s u p 啦a v e 沥青路用性能评价标准外， 影响较大的有a a s h t o a g c a r t b a 的3 l 号报告的标准。这些标准的一个共 同特点就是对于不同类型的改性剂采用不同的评价指标【2 】。 东南大颀士学位论文 第一章结论 1 2 1 硫磺改性沥青混凝土国外研究现状 单纯用硫磺改性技术简称为s e a ，1 9 7 4 1 9 8 1 年期间在美国和加拿大用 s e a 技术修筑了1 0 0 多个公路项目，从而形成了硫磺改性沥青的商业化。由于 两个大问题的困扰，使用硫磺改性的越来越少。一是当时在高温状态下产生的 刺鼻气味和烟雾没解决，尤其是硫化氢的产生，对人身有害，其二是在八十年 代早期硫磺出现了全球性的短缺，价格飞涨，导致了硫磺改性( s e a ) 的应用 不景气。但是由于用其修筑的路面表现出比常规沥青路面好的多的现象，而且 硫磺改性沥青路面可以用与常规的沥青混合料相近的操作方法进行操作，几乎 看不到泛油现象，抗车辙性能明显好，路面横向裂纹少而轻，没有明显的水损 害现象，说明高、低温路用性能和水稳定性都比较好，这些大大引发了科技人 员的兴趣。所以进一步研究了其相关得应用技术。洛克邦得公司的专利技术解 决了产生刺鼻气味和烟雾的问题，即在s e a 的基础上制成为s e 舢讧，将硫磺变 成为硫磺强化沥青改性剂颗粒，s e a m 颗粒易于操作，易于在热沥青混合料中 熔化，由于在硫磺里面添加了烟雾抑制剂，在1 5 0c 以下不产生硫化氢、二氧 化硫，硫蒸汽的浓度也很低，产生的气昧对人是没有副作用的，比起煤焦油的 气味要好的多，增塑剂则提高了硫的质量及硫磺改性的强度和耐久性。从而在 技术上的问题迎刃而解。又由于近年来脱硫工艺的进步，炼油厂的燃料脱硫以 及来自含硫天然气和油砂的硫磺产量猛增，美国、加拿大、中东、俄罗斯等国 都有极高的硫产量，全球硫供应达到了历史最高水平，所以价格降了下来，预 计硫的供过于求的状况将持续十年，这段时间内硫的价格将持续下降。这样硫 磺改性就显出了它的优越性。 1 2 ，2 硫磺改性沥青混凝土国内研究现状 在国内改性沥青的起步也较早。6 0 年代就通过在渣油中添加硫磺使其变 稠，并在甘肃酒泉修建了这种渣油路面。7 0 年代，用废橡胶粉来改善多蜡沥青 的低温稳定性。但由于当时我国交通发展滞后，车流量少，且轴载低，传统沥 青路用性能差的问题没能引起足够重视，对改性沥青的研究，发展比较缓慢。 改革开放以来，国民经济迅速发展，交通也迅速发展，这对沥青路面提出了更 高的要求。由于我国大多属于石蜡基普通沥青，由此沥青改性在我国被赋予了 双重含义，一是通过改性使普通沥青达到重交通沥青的标准，另一种是利用重 3 东南大硕士学位论文第一章结论 交通沥青通过改性使其符合某种特殊需要。国外改性沥青通常是指后一种。进 入8 0 年代以后，特别是9 0 年代以来，随着高等级公路、尤其是高速公路的蓬 勃发展，改性沥青在我国得到了迅速发展。但因为硫磺改性剂在我国尚属新工 艺、新技术，所以硫磺改性沥青路面的应用在我国还处于探索阶段，需要工程 人员在不断的实践中摸索出适于我国国情的改型沥青路面施工方法，以适应高 等级公路的建设需要。 1 3 研究意义 针对目前我国高等级公路重交通沥青供需矛盾难以解决，而公路交通的建 设需求持续增加的现实，采用改性沥青对解决我国重交通沥青缺乏，有效利用 国产沥青，补充优质稠油不足有着重大意义；同时，改性沥青混合料的使用大 大改善了沥青路面的使用性能，提高了路面表面功能，延长了使用寿命。由此 可见，研究改性沥青及其混合料对提高沥青路面的使用性能有着重要意义，也 是我国道路建设发展的迫切需要。 人们对改性沥青的研究已作了大量工作，并取得了不少成果，在实际应用 中也取得了良好效益；但目前外掺剂与沥青之间的相互作用，及如何引起结合 料性能的改善等问题，由于其过于复杂，机理研究进展仍然缓慢，所以，硫磺 改性沥青相关技术的应用和研究可以帮助工程实践人员更深一步了解改性沥青 的性能，对于推广其应用和相关开发具有重大现实意义。 1 4 本文主要研究内容 本文在分析改性沥青混合料性能、技术特性及硫磺改性沥青国内外研究现 状的基础上，结合试验路工程，对掺硫沥青改性粒料( s e a m ) 部分替代常规 沥青作为沥青混合料的相关技术进行了较为系统的研究，提出了采用掺硫沥青 改性粒料替代常规沥青的替代原则、替代方法和相关的混合料生产与施工工艺。 主要研究内容如下： 1 按不同适用条件对粒料按规范要求进行级配设计，找出最佳用量。 2 在目标配合比设计的基础上进行生产配合比工作。 3 生产验证：对生产出的混合料进行分析、验证，以满足实践需要。 4 东南大颈士学位论文第一章结论 4 混合料生产：对其生产过程、注意事项进行研究。 5 施工操作：从运输、现场准备、铺筑方法、碾压组合方式、效果及有 关各项进行研究。 6 总结实践应用成果，作为该种改性沥青生产应用指导书。 东南大硕士学位论文第二章馥性沥青混凝特性研究 第2 章改性沥青混凝土特性研究 2 1 沥青路面的使用，睦能与沥青结合料的关系 随着日益增长的交通量，车辆大型化及重载超载车的比例不断增加，交通 对路面的要求越来越离。许多高速公路沥青路蕊建成不久就不能适应交通的需 要，早期破坏的情况时有发生。国外研究报告认为，近十年来由于道路上交通 性质变化及高温和低温作用，道路上最普通缠身的路面损坏现象是永久变形( 辙 槽) 、疲劳裂纹、剥落、松散和反射裂缝h 。 1 】 2 】 第七届国际沥青路面结构会议之后，人们将沥青路面的使用性能分为两类 1 结构使用性能，即疲劳、车辙、低温缩裂、水损害和老化； 2 功能使用性能，主要有平整度、构造深度、车辙、摩擦系数和滚动噪声 五个方面。 以上性能中，除平整度与沥青混合料本身关系小步卜，其他均是沥青混合料 自身决定的。其中水稳性能、耐疲劳性能，抗老化性能统为耐久性。而沥青混 合料的路用性能除上述性能外，还应包括施工性能。路面的使用性能与沥青结 合料、矿料、沥青混合料均有联系。沥青结合料不仅是指沥青本身，还应包括 沥青与矿分等填料。这就是说沥青性能决定着沥青混合料、路面的使用性能。 沥青是一种具有弹性、粘性和塑性的流变性材料，在薅温时软化成流体， 在低温时不宜硬脆导致开裂【2 】。然而一般沥青难以满足这一相互矛盾而又相互 制约的要求，即高温性能好的沥青在低温时往往变硬变脆，反之，低温抗裂性 能好的沥青在高温时易于软化流动。因此，对于夏天温度很高、冬天温度很低 的地区，则很难选择到理想的沥青结合料。自然地，人 f 便开始试图改变沥青 的性能，也就导致了改性沥青的研究、生产和应用。相应的，使用改性沥青提 高路面的使用性能和防止沥青路面出现早期破坏成为重要课题。 根据资料分析，沥青结合料、沥青混合料与路面使用性能的关系见表2 - 1 。 京南大硕士学位论文第二章改性沥青混凝特性研究 表2 - 1 沥青材料与沥青路面性能的关系 沥青路面沥青结合料沥青混合料备注 高温抗车辙性能比较重要特别重要 低温抗裂性能特别重要特别重要 抗疲劳性能特别重要特别重要 耐久性 水稳定性有影响特别重要 抗老化性能比较重要特别重要与空隙率关系极大 表面服务功能有影响特别重要 路面透水性比较重要特别重要与空隙率关系极大 行车舒适性能几乎无关有影响取决于施工水平及结构 施工性能比较重要比较重要 2 2 传统沥青混合料性能的不足和解决途径 材料是影响沥青路面质量的主要因素。沥青混合料是由沥青和集料、矿粉 按一定的配合比组成的。沥青混合料的质量不理想首先是材料质量不满意。由 于我国没有工厂化生产集料，集料质量差，沥青混合料的质量必然受到集料质 量的影响。研究沥青混合料的路面性能时，必须在保证集料质量的前提下，再 考虑如何控制矿料的级配，如何提高沥青混合料的性质。 沥青混合料的配合比设计应包括三个方面： 1 、材料的选择。 2 、各种粗细集料及矿粉材料的配比，即确定矿料集配。 3 、确定合理的沥青用量。 配合比设计实际上是对上述这些因素的调整，以解决沥青混合料性能存在 的矛盾，这些性能在要求上往往是相互矛盾和相互制约的，强调了某种性能可 能就会降低另外一方面的性能。这里最突出的有以下两对矛盾。 1 )高温稳定性和疲劳性能、低温抗裂性能的矛盾。 为了提高高温抗车辙能力，希望尽量采用粗级配，增大集料粒径，增加集 料数量，减少用油量，但这样的混合料低温劲度大、发脆，很容易开裂，疲劳 7 东南大硕士学毽论文第二章改性沥青混凝特性研究 性能差，而且施工性能差。而为了提高耐久性能和低温抗裂性能，希望使用针 入度较大、用量较多的沥青，用较细的、空隙率小的混合料，到了夏天就很容 易出现软化、泛油、车辙。 2 )路面表面特性和耐久性的矛盾。 高速公路对表面特性的要求较高，要求抗滑性能好，不溅水、水雾小、噪 音小。为了达到这些目的，必须提高表面粗糙度，采用构造深度大的开级配沥 青混合料，但这样的混合料空隙率必然大，而空隙率大的混合料耐久性差。耐 久性差的原因，一是空隙率大了沥青与空气接触面大，老化快；二是水分滞留 在孔隙内部，逐步造成沥青膜与集料粘结力丧失、剥离，集料颗粒产生剥落、 掉粒，最后导致松散、坑槽；三是空隙率大的混合料、沥青结合料与矿料的协 同能力差，耐疲劳性能差，无论是荷载疲劳、温度疲劳都将受到严重影响。因 此，为了提高耐久性，减轻沥青的老化，减少混合料内部水分的滞留，提高沥 青与矿料的协同作用，就要采用较小空隙率的混合料。 为了解决这两个矛盾，我国研究人员经过多年的努力，以提高沥青混合料 的使用性能，尤其是对表面层的使用能更加严格，这是由于我国高速公路发展 的现状，面临严峻的考验，是根据我国严酷的气候条件和繁重的交通条件这两 个方面提出的。除了保证材料质量和提高施工之来年岗位，提高沥青路面的使 用性能应从以下两个途径考虑： ( 1 ) 改善矿料级配，现在沥青混合料的材料选择和配合比设计，实际上是 在各种路用性能之间搞平衡或最优化设计，根据当地的气候条件及交通条件作 具体分析，尽量互相兼顾。希望混合料内部空隙率在4 左右，而表面的构造 深度能达到l m m 以上，沥青用量尽可能大一些，却不产生车辙。 ( 2 ) 改善沥青结合料，采用改性沥青，全面提高沥青的路用性能。 2 3 改性沥青主要技术特性 2 3 1 改性沥青的分类 东南大硕士学位论文 第二二章改性沥青混凝特性研究 改性沥青是指“掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填 料等外掺剂( 改性剂) ，或采用对沥青轻度氧化加工等措施，是沥青或混合料的 性能得以改善而制成的沥青结合料。”另一定义“基质沥青与种或多种改性剂 通过适意的加工工艺形成的混合物。1 5 ”改性剂是指“在沥青或沥青混合料中 加入天然的或人工的有机或无机材料，可熔融、分散在沥青中，改善或提高沥 青路面性能( 与沥青发生反应或裹覆在及料表面上) 的材料。【6 】” 从广义来说，根据不同目的所采取的改性沥青及改性沥青混合料技术可汇 总于图2 - l 2 】 7 【8 】【9 】【l l 】。 图2 - i 改性沥青的分类 从狭义来说，改性沥青一般是指聚合物改性沥青。用于改性的聚合物种类 也很多，按照改性剂的不同，一般将其分为三类7 1 【8 】【2 。1 ： 橡胶塑料类：即热塑性弹性体，主要是苯乙烯类嵌段共聚物，如s b s 、 s i s 、s e b s 等嵌段共聚物，由于它兼具橡胶和树脂两类改性沥青的结构与性质， 故也称橡胶树脂类。s b s 具有良好的弹性，故已成为目前世界上最为普遍使用的 道路沥青改性剂。这类改性剂具有增加柔性、抗永久变性能力及好的耐久性。 橡胶类：如天然橡胶( n r ) 、丁苯橡胶( s b r ) 、氯丁橡胶( c r ) 、丁二 烯橡胶( b r ) 等。其中s b r 是世界上应用最广泛的改性剂之一，尤其是它以胶 乳形式作为改性剂使用的越来越广泛。这类改性剂具有优良的抗低温开裂性能 和增大沥青与石料的粘附力。 9 东角夫硕士学位论文 第二章改性沥青混凝特性研究 树脂类：热塑性树脂，包括乙烯一乙酸乙烯酯共聚物( e v a ) 、聚乙烯( p e ) 等；热固性树脂，如环氧树脂( e p ) 、酚醛树脂、聚氨脂树脂等。已有使用效果 的有e v a 、p e 、e p 等。这类改性剂具有对高温稳定性提高民县，是粘结力、抗 冲击、震动能力提高。 2 3 2 改性沥青的选择原则 改性剂是天然的或人工的有机或无机材料，它可以改善或提高沥青路面性 能。改性荆的选择是根据所在地区的气候条件、交通条件、经济实力、改性沥 青设备条件，以及当地路面的主要破坏形式，改性目的综合确定”1 。 改性剂确定的一般原则 4 】【1 0 】如下 根据不同的气候条件选择。 我国公路改性沥青路面施工规范( j t j 0 5 2 ) d b 规定的不同改性沥青等级 的技术要求是根据不同的气候区进行选择的依据。从不同的改型剂的标准可以 看出，不同的改型沥青类型在指标本身就有明显的区别。 根据不同的荷载条件选择。 不同的道路所承受的荷载不一样，对旅游、机场高速公路等主要供轻型车 行驶的道路，产生车辙的可能性较小，主要考虑行车舒适和气候因素，则选择 看裂性能高的改性剂；而对以载重汽车为对象的高速公路、一级公路，重车比 例大，超载车多的某些干线道路，则可考虑采用抵抗车辙、拥包等永久变形性 能高的改性剂。 根据加工能力。 改性沥青的加工是非常重要的，根据改性剂的种类，可采用直接加入法， 即将改性剂直接投入拌和剂拌和机与混合料一起拌和；也可采用预混法，即事 先将改性剂混入沥青中，均匀分散，然后再喷入混合料中拌和。大部分改性剂， 包括s b r 胶乳都可以采用预混法制作改性沥青，不过由于改性剂品种的不同， 有些可以采用简单的拌和方式加工改性沥青，如某些e v a 、日本a p a o 等；对 1 0 东南大硕士学位论文 第二章改牲沥青混凝土特性研究 许多改性集，如s b s 、p e 、e v a 等，必须采用高速剪切、胶体磨、混炼等特殊 的加工方式，才能使改性剂达到分散均匀的目的。选择改性剂必须根据实际情 况和加工能力来确定。 经过技术经济分析确定改性方案。 改性沥青的成本由以下几部分组成： 1 ) 改性剂的成本。 2 ) 加工费。如改性沥青设备费、加热的柴油、电力费以及人工费等。 3 ) 采用改性沥青后因增加沥青用量而增加的费用，与普通沥青相比，改性 沥青用量大约要增加0 3 0 5 左右。 改性剂的选择，必须从技术性能及经济成本两方面考虑，选择成本低、性 能好、效果好的改性剂和制作方式。 2 3 3 改性沥青的机理及性能 在沥青中添加一种或多种改性剂从而改善沥青的使用品质。对沥青进行改 性其机理有两种，其一是改变沥青化学组成，其二是使改性剂均匀分布与沥青 中形成定的空间网络结构【1 3 【2 1 】。 据统计，世界各国道路研究者提出了许多沥青改性技术，已形成商品的就 有四十多种。其中有的是以改性剂为重点，如壳牌公司的改性沥青产品 c a r i p h a l t e 和c a r i b i t 是以s b s 为改性剂的【l “，美国改性沥青产品p o l y s a r 则是 以s b r 为改性荆。有的以改性工艺与设备为核心，其中以奥地利的n o v o p h a l t 改性技术最为突出，它是利用一种特殊的移动式设备现场将改性剂均匀的掺配 到沥青中，其技术关键不在于用什么改性剂，而在于利用间隙可以不断调整的 大型胶体磨使胶溶的改性剂反腐通过而达到在沥青中均匀相溶，使改性材料最 大限度的发挥作用【1 5 】【1 6 】。 经验表明，改性沥青可以明显地提高沥青路面的高温稳定性亦即高温抗车 辙能力、低温抗开裂能力、抗疲劳开裂能力，有效的改善路面的水稳定性及耐 久性。因此，使用改性沥青可以有效的弥补普通未改性沥青的不足，大大增强 l l 东南大硕士学位论文 第二章改性沥青混凝土特性研究 路面的抗病害能力，提高路面的服务水平从而减少养护工作量。此外，改性沥 青还扩大了普通沥青的应用范围，如改性沥青可以成功的用于修筑超薄磨耗层、 排水路面、s m a 、桥面铺装层、机场道面、大坝防水层和建筑物防水。如果使 用改性沥青生产乳化沥青，将使乳化沥青的路用性能得到很大的提高。国内外 的工程实践表明，使用改性沥青修筑路面能够事半功倍，效果突出。 2 3 4 改性沥青的主要技术特性 沥青性能改善对混合料和路面使用效果的影响见表2 2 t ”1 。 表2 - 2 改性沥青的主要技术特- 陛 对沥青混合料 改性沥青性能路面使用效果 ( 路面) 性能的影响 提高沥青软化点 1 提高抗变形能力热稳性好，不宜产生车辙 降低感温性 提高粘韧性提高防滑、耐冲击能力适宜重交通，耐磨耗，减少低温和 2 提高粘度改善脆性疲劳开裂 防止沥青膜剥落 提高粘韧性防止骨料松散常温稳定性好( 松散、坑槽少) ， 3 提高粘度防止泛油抗滑性好 提高抗滑能力 提高疲劳能力( p t f o t 、 p a v 、动态剪切)抗裂性好( 减少荷载温度疲劳开 4 改善路面柔韧性 防止老化裂) ，耐久性好 降低脆点 高软化点( 大于8 0 。c )高空隙率( 2 0 - 2 5 ) 高粘度( 6 0 4 c 大于单一粒径 3 0 3 0 | 2 0 3 0 c 、3 0 c 一2 0 、 3 7 o 2 1 - 5 - 3 7 o 9 o 一2 1 5 - 9 0 七月平均最高气温 ( 冬严寒区)( 冬寒区)( 冬冷区)( 冬温区) 气候分区 1 12 11 _ 22 - 23 21 32 3l 42 - 4 弯曲试验破坏应变 ( 珥) ，不小于( 1 0 ， 3 0 0 03 5 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 02 0 0 02 5 0 01 5 0 02 0 0 0 5 0 r a m r a i n ) 4 ，1 8 改性沥青混合料的水稳定性应符合以下两上指标要求，达不到要求时 应采取抗剥落措施： 1 ) 采用“沥青混合料马歇尔稳定度试验”方法测定的4 8 h 浸水马歇尔稳定度 试验残留稳定度不应小于8 0 。一 2 ) 采用“沥青混合料冻融劈裂试验”的方法测定的劈裂强度比不应小于8 0 。 东南大硕士学位论文第西章硫磺改性沥青混合料的目标配合比设计 4 2 硫磺改性沥青混合料的目标配合比设计方法 使用s e a m 的沥青混合料目标配合比设计可以按常规的方法，先设计出最 佳油石比，然后再按需要的b e 例计算出s e a m 和沥青的用量，最后按照易于操 作的原则调整，确定最后的配比。具体操作如下： 1 ) 按照马歇尔方法进行操作，确定集料级配曲线和油石比，也可以用其它 方法设计。 2 ) 按设计好的集料级配，通过调整沥青和s e a m 的用量作试配，达到需 要的马氏稳定度。 如需要获得刚性面层，就准备用s e a m 替代出约4 0 的沥青，s e a m 和沥 青的重量比为5 0 5 0 ；如需要半刚性面层就替代约3 0 的沥青，重量比是4 0 6 0 ： 柔性面层就替代出约2 0 的沥青，重量比是3 0 7 0 。按照等体积原则替代，因 s e a m 的密度接近是沥青的两倍，替代一定体积的沥青大约需要两倍的s e a m ， 实验室研究和现场经验都表明不一定使用两倍，这就娶选择一个替代系数胄， 数值在1 5 2 范围，经验证明半剐性面层选择r = i 7 为好，可以获得混合料的 最佳稳定性和空隙率。 3 ) 根据计算结果在实验室进行实验，大面积使用时要选择5 种s e a m 和 沥青的不同比例进行实验对比，来验证设计的结果。 s e a m 可以用下面的公式进行计算 s b a m 沥青( 总油石比) = 面丽面正了面虿1 i 0 0 石0 i 0 a 面x i r 百五i ：丽 ( 4 1 ) 式中：a = 常规混合料设计中沥青含量( 重量百分比) r = s e a m 替代系数( 理论计算r = g s g a ，经验推荐r = i 5 1 7 ，半刚性 面层一般取r = i 7 ) ； p s = “最终粘接料”中的s e a m 重量百分比( ) 。 注意：a 为含油量，得出的含s e a m 的配比是油石比。 东南大硕士学位论文 第四章硫磺改性沥青混合料的目标配合比设计 4 ) 按照确定的用量进行生产配合比的设计，投入生产。 4 3 室内试验研究 天津市政研究院对a r p 混合料及掺s e a m 的沥青混合料进行了有关性能 的研究。研究对象为a c 一1 6 i 混合料。 4 3 1 研究依据的技术规范和试验规程 j t j 0 3 2 9 4 公路沥青路面施工技术规范“9 j t j 0 5 2 2 0 0 0 公路工程沥青及沥青混合料试验规程。” j t j 0 5 8 2 0 0 0 公路工程集料试验规程。”。 4 3 2a c 一1 6 i 矿质混合料级配及油石比的确定 为确定沥青混合料的最佳油石比，选择6 3 o 3 的沥青用量( 沥青与矿 料的质量比) 进行混合料配合比试验，试验结果见表4 3 。 按表4 - 3 各沥青用量的密度、空隙率、饱和度、稳定度与流值绘制成图4 - 1 ( 油石比与各参数关系曲线) ， 表4 3 沥青混合料配合比试验结果汇总表 编号油石比表观密度空隙率饱和度稳定度流值 l6 o2 4 , ：1 86 65 8 o1 8 o2 6 7 26 32 4 6 06 06 1 72 0 o3 0 7 36 62 4 6 95 46 5 o1 8 33 2 7 规范要求 4 6 实测值 3 67 0 8 5 7 52 0 - - 4 0 东南a 硕士学位论文 第四章硫磺改幢沥青混合料的目标配台比设计 或 。 程 8 釜7 甜b 慧s 4 油石比( * ) ( a ) 油石比( ) ( c ) 巴7 00 警6 。o 艘 全z 2 0 荸2 0 - 0 蓑 80 嚣1 6 0 5 7 60636669 油石比( ) ( b ) i ， l 1r 5 76i 636 669 油石比( * ) ( d ) 578o6366& 9 油石比( ) f e ) 图4 1 油石比与各参数关系曲线图 最终确定a c 1 6 i 矿质混合料级配及油石比见表4 4 。 表4 - 4a c 1 6 i 沥青混合料矿料级配 筛孔 通过下梦l j 筛孔( n n ) 的百分率( ) ( m m )1 91 61 3 29 54 7 5 2 3 61 1 8o 6o - 30 1 50 0 7 5 级配1 0 09 5 28 4 77 0 54 9 64 1 03 0 92 4 8 1 188 77 0 规范 1 0 09 5 1 0 07 5 9 05 8 7 84 2 6 33 2 5 02 2 3 71 6 0 8l l 2 l7 1 54 8 范围 掺a r p 混合料油石比为1 0 5 ( 全部为a r p 用量) ，掺s e a m 沥青混合料油 石比为6 2 ( 其中a h 一9 0 沥青占2 8 ，s e a m 占3 4 ) 。 4 3 3 沥青混合料性能测试 4 3 3 1 马歇尔稳定度试验 东南大碗士学位论文第四章硫磺改性沥青混合料的目标配合比设计 矿料加热温度为1 6 0 。c ，拌台时a r p 和s e a m 颗粒直接投入而不需加热， 成型温度控制在1 4 06 c 左右，双面各击实7 5 次。对试件进行马歇尔稳定度及4 8 h 浸水马歇尔稳定度试验，浸水马歇尔稳定度试验结果用于评价沥青混合料受水 损害时抵抗剥落的能力，试验方法t 0 7 0 9 2 0 0 0 ，结果见表4 5 。 表4 - 5 沥青混合料马歇尔试验结果 混合料毛体积相空隙率间隙率饱和度稳定度流值浸水4 8 h 品种对密度( )( )( )( k n )( 0 1 m m )稳定度( k n ) a2 4 6 06 5 91 8 96 5 ，l 3 02 3 o2 3 6 s 12 4 9 14 4 21 547 1 2 3 02 9 72 0 4 s 22 4 9 54 2 41 5 27 2 1 3 03 6 72 4 6 注：表中a 一掺l o5 a r p 混台料，s l 一掺2 8 a h - - 9 0 和34 s e a m 的沥青混合料，s 2 一掺 28 a h - - 9 0 和3 4 s e a m 的沥青混合料，并掺加05 的抗剩落荆。 三种混合料的稳定度值超过试验机量程3 0 k n ，没有测出具体数据。 4 3 3 2 车辙试验 车辙试验用以评价沥青混合料的高温性能，测定其高温抗车辙能力，试验 温度为6 0 c ，轮压为0 7 m p a ，试验方法t 0 7 1 9 1 9 9 3 ，结果见表4 - 6 。 表4 - 6 沥青混合料车辙试验结果 混合料品种试验温度轮压( m p a )动稳定度( 次r r t m )变异系数( ) a6 0 0 71 8 2 1 7 1 4 5 s l6 0 0 76 0 0 9 4 8 s 26 0 o 75 2 9 9 9 o 4 3 3 3 低温弯曲破坏试验 低温弯曲试验用以测试沥青混合料在规定温度和加载速率下抗弯曲破坏的 力学性质。本试验温度为1 0 c ，加载速率5 0 m m m i n ，结果用于评价混合料的 低温抗裂性能。试验方法t 0 7 1 5 1 9 9 3 ，结果见表4 7 。 东南太硕士学位论文 第四章硫磺改性沥青混合誊草的s 标配合比设计 表4 ，7 沥青混合料弯曲试验结果 抗弯拉强度r b梁底最大弯拉应变e弯曲劲度模量s b ( m p a ) 混合料品种 ( m p a )日 a9 1 51 1 6 4 1 0 。67 8 6 1 0 3 s l8 5 81 4 5 5 l 酽5 9 0 1 0 3 s 28 ，6 11 6 8 1 x 1 0 05 1 2 x1 0 4 3 。3 4 冻融劈裂试验 冻融劈裂试验是在规定条件下对沥青混合料试件进行冻融循环，测定混合 料试件在受到水损害前后劈裂破坏的强度比，以评价混合料的水稳定性。试验 方法t 0 7 2 9 2 0 0 0 ，结果见表4 8 。 表4 - 8 沥青混合料冻融劈裂试验结果 未进行冻融循环试件的经受冻融循环试件的冻融劈裂比 混合料品种 劈裂抗拉强度r r l ( m p a )劈裂抗拉强度r n ( m p a ) t s r ( ) a0 9 40 2 93 0 4 s l1 8 21 1 96 5 2 s 21 6 91 2 87 5 8 注：表中a 混合料在经受冻融循环后有一块试件已经破坏丧失承蔑能力。 上表说明a r p 技术不太成熟或实验方法没有完全掌握，s e a m 的掺量偏 大，因此我们在随后的应用研究中调整了s e a m 与沥青的含量，同时仅对a r p 粒料进行了室内的研究。 4 4 硫磺改性沥青混合料的生产配合比设计方法( a c 2 0 i ) 4 4 1 依据的主要技术规范、试验规程 1 、j t j 0 3 2 9 4 公路沥青路面施工技术规范 t g l 2 、j t j 0 5 2 2 0 0 0 公路工程沥青及其混合料试验规程 1 8 1 3 、j t j 0 5 8 2 0 0 0 公路工程集料试验规程 2 1 东南大硕士学位论文第四章硫磺改性沥青混台料钧g 标配合魄设计 4 、j t j 0 5 4 9 4 公路工程石料试验规程【2 2 4 4 2 原材料性质分析 1 、沥青 试验用沥青为山东滨州a h 。9 0 重交通石油沥青，试验结果见下表： 表4 - 9 山东滨 k l a h - 9 0 重交通石油沥青试验结果 序号试验项目质量要求实测结果 1 针入度( 2 5 。c ，1 0 0 9 ，5 s ) 8 0 1 0 09 4 2延度( 1 5 ，e m )1 0 01 0 0 3软化点( 环球法) ( )4 2 5 24 6 5 4闪点( c o c ) ( )不小于2 3 02 6 5 5含蜡量( 蒸馏法) ( )不大于31 3 4 6 密度( 1 5 c ) ( g c m 3 )实测记录 1 0 0 7 7 溶解度( 三氯乙烯) ( )不小于9 9 9 9 8 8质量损失( )不大于1 00 1 1 薄膜加 针入度比( )不小于5 0 6 0 6 热试验( 1 6 3 ，5 h ) 延度( 2 5 ，c m )不小于7 5 1 0 0 延度( 1 5 ，c l r l ) ， 根据试验结果，该沥青样品符合j t l 0 3 2 9 4 公路沥青路面施工技术规范 中a h 一9 0 的技术标准。 2 、矿料 粗集料采用石灰岩，产地为蓟县，砂产地为绥中，矿粉产地为保定满城石 粉厂。 粗集料试验项目包括：筛分析、相对毛体积密度、压碎值、吸水率、磨光 值、磨耗率、细长扁平颗粒、坚固性、对沥青的粘附性等。 细集料( 砂) 的试验项目包括：筛分析、表观相对密度、砂当量、坚固性。 矿粉的试验项目包括：筛分析、表观相对密度、及亲水系数。 东南大碗士学位论文第四章硫磺改性沥青混合料的目标配合比设计 各种矿料的试验结果见下表。 表4 1 0 矿料试验结果 技术 集料名称 试验项目 1 0 3 0 m m1 0 2 0 m m5 1 0 m m0 5 m m 要求 砂矿粉 碎石碎石碎石石屑 石料压碎值牛2 8 1 6 7 视密度眺m 3 术2 52 8 4 02 8 6 12 7 8 52 5 9 32 7 8 0 对沥青粘附性级 七45 细长扁平颗粒含 牛1 51 2 _ 31 2 3 量 碎石泥土含量 牛1o 60 4 砂泥七含量 牛3 2 4 砂当量术6 0 9 3 39 2 8 坚固性冷1 2 1 21 62 o3 6 吸水率牛2 0 50 8 亲水系数 7 51 6 0 流值( 0 。o l m m ) 2 0 4 02 9 8 浸水残留稳定度( ) 8 08 5 6 冻融劈裂强度比 术8 09 0 残留稳定度术8 0 8 5 3 5 4 硫磺改性沥青混合料的适用性及经济性 超轴载交通对沥青路面破坏很严重，虽然有些路段表面层使用了改性沥青， 但仍然出现了严重的早期破坏，其原因之一就是中、底面层的高温稳定性不好， 抗水损害能力差造成的。因此很多专家主张在这些路段，中、底面层也要改性， 这就带来了资金投入过多的问题。应用硫磺沥青