硫磺改性沥青混合料的应用
张 勇，张 晶，郝永刚
（北京城建道桥建设集团有限公司，北京 100124）
摘 要：试验证明硫磺作为一种沥青改性剂，具有与沥青相容性好、可有效提高沥青混合料高温稳定性的优点，同时，可以减少沥青的用量、降低混合料拌合温度，起到节能、降耗的作用。在京开高速公路路面施工中，应用硫磺改性沥青混合料铺筑了试验路段，确定了合理的施工工艺，为今后硫磺改性沥青混合料的推广应用积累了成功经验。
关键词：道路；路面；硫磺沥青混合料；应用
中图分类号：U 414 文献标志码：B 文章编号:1009-7767(2012)05-0000-00
Application of Sulfur Modified Asphalt MixtureZhang Yong；Zhang Jing；Hao Yonggang
我国为加快资源节约型、环境友好型社会建设，出台了一系列促进节能减排的政策措施，进一步扩大了对污染物基数的控制。交通行业的道路施工领域，大量节能、环保型的新材料、新技术应运而生，并不断完善和广泛应用。硫磺是一种丰富的资源，它是石油和天然气加工过程中的伴生产品。通过研究发现，单质硫磺70℃开始软化，115℃左右化为液体，可与沥青很好地混合，使沥青稀释，降低运动黏度，这种性质不但可以使混合料性能改善，还能使施工温度降低，节约混合料生产过程中的燃料消耗，减少沥青的老化和温室气体的排放。使用添加硫磺的胶结料结构抗压、抗裂性增强，高温抗车辙性能明显提高，并有助于改善低温性能，提高混合料的水稳定性。沥青混合料中掺入硫磺，还可以代替部分沥青，减少沥青用量，降低成本。
1 工程简介
京开高速公路（辛立村收费站-市界段）工程，起点位于原京开高速公路黄垡分离式立交，终点在永定河大桥中心，与河北段相接，道路全长8.83km。于2010年9月进行路面施工，到2010年10月底完工。在互通立交匝道和主线部分路段的下面层采用了硫磺改性沥青混合料作为试验路段，硫磺改性沥青混合料总用量达3000多t。通车近两年来，路况良好，未有明显病害产生。
2 硫磺沥青SUP-25的配合比
2.1 原材料
2.1.1 硫磺
该工程采用的硫磺为褐色固体颗粒，主要成分为硫磺，是一种粒度均匀分布的颗粒状产品。它是在硫磺液体中掺入各种添加剂和稳定剂，然后进行造粒而制成。其产品的颗粒直径为3～4mm，易于储存和运输。将它加入普通热拌沥青混凝土中即刻熔化，易与普通沥青混合料混合成均匀稳定的硫磺改性沥青混合料。硫磺添加剂的技术指标如表1所示。
2.1.2 沥青
根据JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》 中沥青路面使用气候分区指标，结合当地气候环境数据和交通量，采用70号A级道路石油沥青。
2.1.3 集料与填料选择
SUP-25混合料由10～30mm、10～20mm、5～10mm石灰岩碎石、机制砂和矿粉配制而成。混合料中粗集料全部采用轧制碎石，破碎面丰富。粗集料测试结果如表2所示。
由表2可知，粗集料料源特性满足要求。
2.1.4 填料
填料采用石灰石磨制矿粉，测试数据满足规范要求。
2.2 设计集料结构选择
检验合格的原材料通过数学的方法进行级配合成。为使设计的混合料既能抵抗车辙又能减少渗水，根据本地气候特点，结合实际工程经验，确定采用的SUP-25混合料集料级配范围（见表3）。
根据规范要求，在选定的工程级配内，配置3个合成级配，一个相对较粗的合成级配、一个相对较细的合成级配和一个中等的合成级配。计算3种合成级配的混合料特性，满足要求后，通过试验进行验证，确定出最佳设计集料结构。
2.3 设计沥青胶结料含量选择
2.3.1 沥青含量确定
选定集料结构后，选择不同沥青用量制作旋转压实试件，同时拌合混合料测定不同沥青用量下的最大理论密度。参照《高性能沥青路面（Superpave）技术使用手册》[1]中关于设计沥青胶结料含量的规定，确定设计沥青胶结料含量。
参照SUP-25（普通沥青）试验结果，取初始油石比3.9%为基准，其他为3.4%、4.4%和4.9% 3个油石比制备试件。由于添加了硫磺改性剂（m基质沥青︰m硫磺＝65︰35，硫磺密度为1.9），考虑硫磺可以代替部分沥青，故基质沥青油石比调整为2.6%、3.0%、3.4%、3.8%，硫磺掺量分别为1.4%、1.6%、1.8%、2.0%，基质沥青与硫磺的总量为4.0%、4.6%、5.2%、5.8%。通过采用初始压实次数和设计压实次数时的压实数据，对不同沥青用量下的混合料进行体积特性评估（见表4、5）。
根据表4、5各种体积指标数据，通过曲线关系，优化得到该级配对应下的最佳油石比为3.1%，硫磺掺量为1.7%，基质沥青与硫磺的总量为4.8%。最佳沥青用量条件下沥青混合料的体积特性指标如表6所示。
2.3.2 最大压实次数下混合料密实度的验证
将选定的级配在最佳沥青用量条件下制作两个试件，旋转压实160次进行验证。经验证，最大压实次数下相对于最大理论密度的密实度为97.5%，符合不超过Superpave体积设计标准98%。
2.4 水敏感性评估
将试件压实到空隙率6%～8%范围内，一组3个试件作为对比试样，另一组3个试件作为条件试样。条件试样进行真空饱水，接着进行可选择的冻融循环，然后是60℃水浴24h融化期，之后试样进行劈裂试验。水敏感性是用条件组试件的间接抗拉强度和对比组试件的间接抗拉强度比值TSR来表征。
由表7可知，该配比冻融劈裂试验强度比TSR满足Superpave混合料体积设计标准80%的要求，水敏感性合格。
2.5 高温性能指标检验
SUP-25硫磺改性沥青混合料的抗高温车辙性能的评价采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0719-1993“沥青混合料车辙试验方法”，在60℃的温度、0.7MPa的压力下进行试验，其中车辙动稳定度指标来表征混合料抗车辙能力的大小，按照规范进行了浸水马歇尔试验、渗水系数试验，结果见表8。
从表8可以看出，硫磺改姓沥青SUP-25混合料各项性能指标满足规范要求，该混合料路用性能良好。
2.6 生产配合比
根据配合比设计程序，按照目标配合比确定的比例，计算生产配合比况料比例，使级配曲线尽量接近目标配比设计曲线。
根据目标配比确定的最佳油石比，按照±0.3间隔变化，取3个不同油石比，分别加入硫磺改性剂（1.7±0.1）%，分别制作试件，进行马歇尔指标试验（见表9）。
2.7 生产配合比检验
为了检验混合料的性能，根据规范要求，对最佳油石比下的沥青混合料进行了水稳定性、渗水系数等指标检验，结果如表10所示。
从表10得出，各项路用性能指标满足要求，生产配合比设计合理。
硫磺改性沥青SUP-25混合料生产配合比设计结果如表11所示。
3 硫磺沥青混合料的生产
3.1 硫磺改性剂的投放
少量生产时可采用人工投放。在搅拌缸顶面开30cm×30cm窗口作为投料口。在石料下料完成，开始沥青喷洒时将硫磺改性剂颗粒投放到沥青拌和锅内，确保沥青先和粗骨料裹附；硫磺改性剂在高温下溶解分散于沥青中，作为结合料一部分。人工投放需提前将硫磺改性剂按照预定质量比例称量好，装小包装袋。
大规模生产时，采用专用机械计量投放，确保定量称量，计量准确。
3.2 搅拌时间
硫磺改性沥青混合料拌和时间根据试拌确定，以充分融化均匀裹覆集料为度。间歇式拌和机每盘的生产周期在55～60s(加入硫磺之后，湿拌时间不少于35s)。
3.3 生产温度控制
1）温度控制是沥青混合料生产的关键，因此，在生产过程中要保证干燥筒、燃烧器的稳定工作以及燃料的均匀燃烧；同时，保证拌和楼各位置温度传感器工作正常，真实反应生产过程中的温度情况。
2）生产过程中，基质沥青温度控制在140～145℃，骨料温度在130～145℃，混合料出场温度控制在125～140℃。烘干集料的残余含水量不得大于1％。每天开始生产时，先干拌几锅白料测量出料温度，待出料温度满足要求后，再正式添加沥青和硫磺颗粒拌和混合料。
3）为保证生产温度的稳定，必须保证冷料的干湿度均匀，以防止生产温度波动过大；如果原材料干湿程度差异较大，在上料前，用装载机将湿料和干料拌和均匀。
4）根据沥青混合料目标配合比设计和生产配合比设计结果，优化冷料仓的进料速率，保证硫磺改姓沥青混合料在生产过程中各热料仓料位为1/2～2/3，避免出现空仓等料的情况。
5）对于沥青混合料生产过程中产生的溢料，需单独冷却至少24h后，才能再次使用；如果在硫磺改性沥青混合料的生产过程中某一盘料的出仓温度超过145℃，必须将此料废弃，并暂停生产，及时检查生产设备，查找超温原因，在确保生产温度可以控制在要求范围之内，方可继续生产。
6）混合料出厂时应逐车检测沥青混合料的重量和温度，记录出厂时间，签发运料单。
4 硫磺改性沥青混合料的运输
1）采用较大吨位的运料车运输，运料车的运力应稍有富余，施工过程中摊辅机前方应有运料车等候。对高速公路、一级公路，宜待等候的运料车多于5 辆后开始摊铺。
2）运料车每次使用前后必须清扫干净，在车厢板上涂一薄层防止沥青黏结的隔离剂或防黏剂，但不得有余液积聚在车厢底部。从拌和机向运料车上装料时，应多次挪动汽车位置，平衡装料，以减少混合料离析。运料车运输混合料宜用苫布覆盖保温、防雨、防污染[2]。
3）混合料生产后，要及时运输到现场完成摊铺压实；在运输过程中必须保持覆盖保温，防止硫磺降温结晶；沥青混合料在摊铺地点凭运料单接收，若混合料不符合施工温度要求，或已经结成团块、已遭雨淋的不得铺筑。
4）摊铺过程中运料车在摊辅机前l00～300mm 处停住，空挡等候，由摊辅机推动前进开始缓缓卸料，避免撞击摊辅机。运料车每次卸料必须倒净，如有剩余，应及时清除，防止硬结。
5 硫磺改性沥青混合料的摊铺
1）使用履带式沥青混合料摊铺机摊铺，摊辅机的受料斗涂刷薄层隔离剂或防黏结剂。
2）摊铺机应提前0.5～1h 预热熨平板，使之不低于100℃。铺筑过程中选择较高的熨平板的振动或夯锤振捣频率和振幅，以提高路面的初始压实度。
3）摊铺机缓慢、均匀、连续不间断地摊铺，不随意变换速度或中途停顿，以提高平整度，减少离析。摊铺速度控制在2～4m/min 的范围内。
4）硫磺改性沥青混合料现场摊铺温度不得低于120℃。
5）施工开始阶段采用较高温度的混合料做为第一车卸料摊铺。
6）运输车辆在前一车摊铺到1/2时再掀开苫布，防止过早掀开苫布造成混合料降温过早。
7）雨季铺筑路面时，要加强与气象部门联系，已摊铺的沥青层因遇雨未压实的予以铲除。
6 硫磺改性沥青混合料的碾压
硫磺改性沥青混合料从出场到摊铺的时间不宜超过3h，碾压应衔接紧凑。
1）由于硫磺改性沥青沥青混合料中的沥青含量较低，结合料黏度也比较低，压实不当会出现扯裂的情况；同时混合料降温速度较慢，容易出现路表温度下降，而路面内部温度依然较高，钢轮碾压时易出现推移或微裂缝现象。
因此，硫磺改性沥青混合料压实时，压路机紧跟在摊铺机后面慢速循环碾压，确保充分压实。
初压：采用2台DD130双钢轮压路机，“去静回振”方式碾压1遍后，再振动碾压1遍，速度控制在40～60m/min。
复压: 先采用2台DD146振动压路机碾压2遍，速度为50～70m/min；然后采用2台XP302轮胎压路机紧跟复压碾压4遍，速度为60～70m/min。
终压：采用2台DD110压路机静压收光，消除轮迹。碾压速度为50～70m/min。
2）由于硫磺在温度降低到110℃以下后会逐渐由胶状体凝结成为固体，因此，终压温度不应低于75℃。
7 现场检测
按以上施工程序，硫磺改性沥青混合料在碾压过程中未出现推移和拥包等现象，施工性能良好。经取芯检测，芯样完整密实，压实度达到98%以上。
现场混合料温度检测情况如表12所示。
室内试验检测结果如表13所示。
8 安全施工
1）人工投料时，工人要配戴安全保护眼镜和防尘面具，并经常换班作业，避免连续高强度工作。
2）安全管理人员要随时监控现场情况。
3）硫磺颗粒在过高的温度下会分解而释放硫磺气体，所以，严格控制施工温度。
4）施工时，设备操作人员和摊铺作业工人，要配戴防护口罩、防护眼镜。
5）储存硫磺改性剂仓库，要做好防火措施，严禁吸烟。
6）在清理有残留硫磺沥青混合料的密闭空间（如成品料仓、搅拌缸等）时，在工作面残留硫磺改性沥青混合料清理完之前，严禁使用火焰喷枪或其他明火直接加热设施。工人在进入该封闭空间进行气割或焊接修理时，必须得到相关工作许可，并保证这些区域是开放的，且充分通风，并应在进入前检测有毒气体含量以确保安全。
9 使用硫磺改性的优点
1）在沥青混合料拌和过程中直接投放，使用方便，能替代部分沥青。具有提高混合料性能，降低施工温度，节能减排、节省沥青等优点。
2）混合料拌和出料温度控制在（130±5）℃的范围之内，比普通沥青混合料的温度降低25℃左右，节省了燃油加热费用。
3）硫磺改性沥青混合料的强度高于普通沥青混合料29%以上。
4）沥青混合料摊铺后，可像普通沥青混合料一样，在温度达到要求后即可开放交通。此时，其强度和普通沥青混合料基本一致。
5）硫磺改性沥青混合料的高温性能高于普通沥青混合料（见表14）。
从表14看出，硫磺改性沥青混合料比普通沥青混合料节省沥青用量可达0.8%以上，稳定度和动稳定度分别增加44.9%和86.3%，指标明显提高。
6)硫磺改性沥青混合料与普通沥青SUP-25成本基本持平，略有降低。表15是以普通沥青混合料与为基准，硫磺改性沥青混合料与其成本比较。从表15可以看出约降低成本0.13元/t。
10 结语
硫磺改性沥青混合料具有稳定性高、耐久性好、工艺简单、节省沥青和燃油消耗等优点。近年来硫磺产量大幅增加，全球硫磺供应达到了历史最高水平，供过于求的状况使硫磺价格下降空间较大，在大规模施工时，成本还可进一步降低，使硫磺改性更显出了它的优越性。硫磺改性沥青混合料对于提高路面高温稳定性具有较高作用，使其可适用于城际道路重载交通路面施工。
参考文献：
[1] 美国沥青协会．高性能沥青路面（Superpave）基础参考手册[M]．江苏交通科学研究院，译．北京：人民交通出版社2005：93．
[2] 交通部公路科学研究所．JTG F40-2004 公路沥青路面施工技术规范[S]．北京：人民交通出版社，2004．
收稿日期:2012-05-07
作者简介: 张勇（1971-），男，工程师，主要从事道路工程技术研究。
注：本文刊载于《市政技术》2012年第5期，第158页至第162页。