Thiopave改性沥青混凝土综合试验研究

张晓靖， 邱延峻， 张晓华， 阳恩慧(.西南交通大学 土木工程学院， 四川 成都 600； 2.四川高速公路建设开发总公司， 四川 成都 6004； .四川省交通厅 公路规划勘察设计研究院， 四川 成都 6004)

近年来，Thiopave作为一种沥青改性剂，由于其相对较高的性价比而被逐渐应用于沥青混合料中，许多学者就此进行了相关研究，取得了众多成果[1-3].Thiopave具有温拌效果，是一种新型沥青混合料改性剂，目前在高等级公路路面铺筑中得到了广泛应用[4-6].总体而言，当前研究对Thiopave应用的评价不一，且缺乏工程实践验证，如何通过试验和工程实践来评价和验证Thiopave在沥青混凝土中的应用具有重要意义.

公路路面用沥青混合料根据其拌和温度的不同可分为热拌、温拌和冷拌3类.目前，在公路路面行业中关于温拌沥青的产品或技术较多，其中就有Thiopave改性剂，其他温拌改性材料包括WMA-Foam泡沫沥青、Sasobit降黏剂、Evotherm乳化分散技术以及Asphalt-Min沸石矿粉等[7-8]，然而关于温拌类改性沥青混合料的研究相对较少.根据相关部门的调查统计，当前硫磺供过于求，而且硫磺的价格远低于沥青的价格.采用硫磺改性剂，可在一定程度上降低对于高质量沥青的依赖，从而降低公路路面的整体投资，而且能够很好地提高路面的建设质量.当前，国内外学者正在开展关于Thiopave改性剂(其主要成分为硫磺)的物理和化学性质研究，以及对于Thiopave改性沥青混合料配合比设计、路用性能及改性机理等方面的研究.

基于以上分析，本文以不同掺量(质量分数，本文所涉及的掺量、比值等均为质量分数或质量比)在基质沥青和沥青混凝土中掺入Thiopave改性剂，系统评价了Thiopave改性剂对基质沥青和沥青混凝土性能的影响规律.同时结合西南山区高速公路典型试验路段，通过室内材料性能试验和现场铺筑试验路段的跟踪监测，分析研究了Thiopave改性沥青混凝土的综合性能指标.

1 改性沥青室内试验

室内试验时，Thiopave改性剂掺量(wT)分别取为0%，30%，40%，50%.鉴于Thiopave改性剂掺入基质沥青后，成型后的养生时间对试验结果有影响，故对每种掺量下的Thiopave改性沥青试样均测定了其在室温下放置1，10d的数据.

1.1 基本性能参数试验

Thiopave改性沥青试样的基本性能测试结果如图1所示.由图1可知，当Thiopave改性剂掺量增加时，沥青试样的针入度降低，软化点增加，延度减小.对于相同的Thiopave改性剂掺量，室温下放置10d的沥青试样较放置1d的沥青试样针入度进一步降低、软化点进一步提高、延度进一步减小.另外，随着Thiopave改性剂掺量的增加，室温下放置10d的沥青试样各性能变化趋势均相对趋缓，并在Thiopave改性剂掺量为30%时出现明显的拐点.

1.2 车辙因子(G*/sin δ)

采用CVO-100型高级流变仪，分别针对1,10d时Thiopave改性沥青试样的64℃车辙因子(G*/sinδ)进行测试，试验结果如表1所示.

表1 Thiopave改性沥青试样64℃车辙因子试验结果Table 1 Test results of Thiopave modified asphalt on 64℃ rutting factor(G*/sin δ) Pa

由表1可见，当Thiopave改性剂掺量逐渐增加时，沥青试样的车辙因子逐渐提高，当Thiopave改性剂掺量达到50%时，沥青试样的车辙因子要比基质沥青提高近1倍，且室温下放置10d的沥青试样车辙因子提高幅度更大.

1.3 频率扫描

为验证Thiopave改性沥青对荷载作用频率的敏感性，对室温下放置10d的沥青试样进行了不同荷载频率下的复数剪切模量(G*)和车辙因子(G*/sinδ)试验，选用的试验条件是恒定应力120Pa，温度64℃，频率从10.0Hz降至0.1Hz，试验结果见图2.

图2 不同荷载频率下Thiopave改性沥青的复数剪切模量和车辙因子Fig.2 G*and G*/sin δ of Thiopave modified asphalt under different frequencies

由图2可知，当Thiopave改性剂掺量增加时，沥青试样的复数剪切模量以及车辙因子随之增大；荷载作用频率降低时，沥青试样的复数剪切模量和车辙因子显著降低，并在1.0～0.1Hz区间产生了急剧下降.

1.4 温度扫描

为验证Thiopave改性沥青对温度的敏感性，对室温下放置10d的沥青试样，选用恒定应力120Pa，频率1.596Hz(采用SHRP试验的频率)，温度从46℃线性增加到70℃，进行复数剪切模量(G*)和车辙因子(G*/sinδ)试验，结果见图3.

由图3可见，当Thiopave改性剂掺量增加时，沥青试样的复数剪切模量和车辙因子随之提高；随温度升高，沥青试样的复数剪切模量和车辙因子降低，并在54℃后这2项指标的变化趋缓；当温度超过60℃后这2项指标趋于一致，表明Thiopave改性剂在60℃以上时的改性效果不明显.图3说明温度会显著影响路面抗车辙性能，当温度升高时，沥青试样的抗车辙性能下降明显；同时，沥青试样的温度敏感性随Thiopave改性剂掺量的增加而增大.

图3 不同温度下Thiopave改性沥青的复数剪切模量和车辙因子Fig.3 G* and G*/sin δ of Thiopave modified asphalt at different temperatures

1.5 Brookfield(布氏)旋转黏度

布氏旋转黏度用于评价沥青胶结料的高温施工性能，据此可进行施工时沥青加热、拌和、摊铺、碾压等一系列温度控制.由于Thiopave改性剂的主要成分是硫磺(质量分数大于97%)，而硫磺熔点较低，在高温时容易产生有毒气体，因此控制好施工过程各阶段的温度很有必要.Thiopave改性沥青试样的布氏旋转黏度试验结果如图4所示.由图4可见，当温度大于110℃后，Thiopave改性沥青试样的布氏旋转黏度即明显降低，说明Thiopave改性剂可以在一定程度上降低施工温度，具有温拌作用；当温度小于120℃ 时，Thiopave改性剂掺量不同的各沥青试样布氏旋转黏度有一定差异；当温度大于120℃后，Thiopave改性剂掺量不同的各沥青试样布氏旋转黏度相差不大，说明当Thiopave改性剂掺量大于30%后，其掺量对沥青降黏效果的改善不显著.随着温度的降低，各沥青试样的布氏旋转黏度增加明显，表明沥青混合料的黏度将随着温度的降低而显著增加.

图4 Thiopave改性沥青的布氏旋转黏度Fig.4 Brookfield rotational viscosity of Thiopave modified asphalt

基本性能试验结果表明，当Thiopave改性剂掺量大于30%时其对基质沥青的基本性能影响减小；同时Thiopave改性剂掺量为30%和40%的改性沥青车辙因子、对荷载作用频率及温度的敏感性、布氏旋转黏度的试验数据差别较小；Thiopave改性剂掺量为50%的改性沥青复数剪切模量和车辙因子虽有所提高，但温度敏感性增大，且当温度大于120℃后其降黏效果与前面2种改性沥青几乎一致，因此，结合成本考虑，Thiopave改性剂掺量在30%左右时相对较优.

2 改性沥青混凝土室内试验

根据Thiopave改性沥青混凝土的特点，对配合比设计方法进行了适当调整，并结合Superpave设计方法对此进行了验证.由于不同的室温放置时间会对Thiopave改性沥青混凝土性能产生较大影响，因此试验过程中分别测定了室温下放置1，10d的Thiopave改性沥青混凝土各项性能参数.

2.1 Thiopave改性沥青混凝土配合比设计及试验

在原材料试验基础上，结合矿料级配设计，确定了沥青混凝土的最佳油石比.利用式(1)计算沥青混合料中Thiopave改性剂和基质沥青的总用量(以两者质量之和与矿料质量之比来表示，%)，进行冻融劈裂、车辙、动态回弹模量、流变次数、劈裂等沥青混合料性能试验及数据分析.

(1)

式中：w(Thiopave改性沥青)为Thiopave改性剂和基质沥青的总用量，%；A为最佳油石比数值(本次取为5.5)；R为Thiopave改性剂替代系数(等体积替代系数，取1.9)；wT为Thiopave改性剂质量分数(本次取为0.32)；G为基质沥青的相对密度(本次取为1.035).

将上述数值代入式(1)，可算出Thiopave改性沥青总用量(m(Thiopave改性剂+基质沥青)∶m(矿料))=6.44%；Thiopave改性剂用量(m(Thiopave改性剂)∶m(矿料))=6.44%×0.32=2.06%，基质沥青用量(m(基质沥青)∶m(矿料))=6.44%×0.68=4.38%.

2.2 试验结果分析

2.2.1冻融劈裂试验

四川省内西南山区大部分地域在夏季高温多雨，因此水稳性是评价沥青混凝土性能的重要指标之一.本文采用冻融劈裂强度试验(-18℃)来评定沥青混凝土的抗水损害性能，试验结果如表2所示.

表2 沥青混凝土冻融劈裂强度试验结果Table 2 Test results of freeze-thaw splitting strength of asphalt concretes

由表2可见，相较于基质沥青混凝土冻融劈裂强度比，Thiopave改性沥青混凝土在室温下放置1d后的冻融劈裂强度比差异不大，然而在室温下放置10d后的冻融劈裂强度比出现了明显下降；Thiopave改性沥青混凝土的劈裂强度增长较大，且沥青混凝土的水稳性实际上应与其劈裂强度绝对值相关，由此说明Thiopave改性沥青混凝土的水稳性得到了改善.Thiopave改性沥青混凝土的冻融和未冻融劈裂强度均比基质沥青混凝土大，且在室温下放置10d试件的劈裂强度高于在室温下放置1d的试件.

2.2.2车辙试验

2种沥青混凝土的高温性能(车辙动稳定度)试验结果如表3所示.由表3可见，在室温下放置1d后，Thiopave改性沥青混凝土的车辙动稳定度明显提高，约为基质沥青混凝土的2倍；在室温下放置10d后其车辙动稳定度得到进一步提高.由此可见，Thiopave改性剂可显著提高沥青混凝土的高温稳定性能.

表3 沥青混凝土车辙动稳定度试验结果Table 3 Results of rutting test of asphalt concretes

2.2.3动态回弹模量

采用UTM-100测试沥青混凝土的动态回弹模量，以评定Thiopave改性沥青混凝土的温度及荷载敏感性.试验温度分别为37.8,54.4℃；荷载频率分别为25.0，10.0，1.0，0.5，0.1Hz，试验结果如表4所示.由表4可见，在不同的试验温度和荷载频率下，Thiopave改性沥青混凝土的动态回弹模量均大于相应的基质沥青混凝土，且在低荷载频率下的增幅明显较大；当温度升高时，两者的动态回弹模量均减小，但Thiopave改性沥青混凝土动态回弹模量的减小程度要小于相应的基质沥青混凝土，表明Thiopave改性沥青混凝土性能受温度影响相对较小，即Thiopave改性沥青混凝土对温度的敏感性更好.

表4 沥青混凝土动态回弹模量Table 4 Dynamic storage modulus of asphalt concretes MPa

流变试验用来评价沥青混合料的高温稳定性，它测量的是圆柱形沥青混合料试件在三轴状态下(可加围压或不加围压)受压后的抗流变性能.流变试验包括流变时间试验和流变次数试验.流变时间定义为试件最小轴向应变变化率所对应的时间.在指定试验温度下，对试件施加一个恒定的轴向力，测量由此而导致的轴向应变，它是时间的函数，经数值微分后即可计算出流变时间.流变次数定义为试件最小永久变形变化率所对应的加载次数.在指定试验温度下，每1s对试件加载0.1s脉宽的半正弦轴向荷载，测量由此而导致的永久轴向应变，它是时间的函数，经数值微分后即可计算出流变次数.根据流变时间和流变次数可以判断沥青混合料抗永久变形的能力.

根据相关文献[9-11]中列出的试验条件，试验温度采用54.4℃，不加围压，轴向动荷载为600kPa.采用半正弦轴向动态加载方式，加载0.1s，间歇0.9s.

流变试验结果表明：Thiopave改性沥青混凝土的流变次数为838，基质沥青混凝土仅为244；到终止条件时，前者花费时长61min，后者为15min.可见在流变特性上，Thiopave改性沥青混凝土更优，抗永久变形能力更强.

2.2.5劈裂试验

15℃条件下沥青混凝土的劈裂强度和劲度模量试验结果如表5所示.由表5可见，掺入Thiopave改性剂后，沥青混凝土劈裂强度及劲度模量都得到明显提高，且随着室温条件下放置时间的延长会得到进一步提高.

3 现场试验路段测试

为进一步验证Thiopave改性剂对沥青混凝土性能的改善效果，在成渝高速公路左幅(重庆至成都方向)银山复线长大纵坡K157+000～K161+000上坡段铺筑了长度为4km的Thiopave改性沥青路面试验路段，设计方案为在原路面上加铺4cm厚的Thiopave改性沥青混凝土AC-13C表面层[8].

表5 沥青混凝土15℃劈裂强度及劲度模量Table 5 Test results of splitting strength and stiffness modulus of asphalt concretes at 15℃ MPa

3.1 原材料及混合料设计

试验路段中，采用70号A级道路石油沥青，粗集料采用鹅卵碎石，细集料为机制砂.最佳油石比测试结果为5.5%，AC-13C沥青混凝土矿料级配如表6所示.

表6 AC-13C沥青混凝土矿料级配Table 6 Gradation of AC-13C

3.2 沥青混凝土试验结果

Thiopave改性沥青混凝土性能指标的具体试验结果如表7所示.由表7可见，现场铺筑的Thiopave改性沥青混凝土残留马歇尔稳定度、冻融劈裂强度比和车辙动稳定度均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求.

表7 Thiopave改性沥青混凝土性能指标测试结果Table 7 Performance verification of Thiopave modified asphalt concrete

3.3 现场施工技术总结

试验路段铺筑过程中，采用Thiopave改性剂替换了部分沥青.为确保Thiopave改性剂计量准确，对拌和楼进行了改造，设置了专门添加设备.为保证压实效果，初压开始采用振动碾压，碾压时钢轮压路机紧跟摊铺机，钢轮压路机和胶轮压路机同时前进、同时后退，压路机不停机，现场实测压实度平均值98.2%，合格率100%.

式中,F(rd,u)为弹头所受阻力的合力，可通过式(20)得到。rd为弹体变形后的横截面半径。弹体未变形部分的长度变化以及加速度可表示为

现场铺筑过程中拌和温度不能过高，避免Thiopave改性沥青混凝土潜在产生SO2及H2S等对人体有害的气体.施工时委托四川省内江市环境保护监测站分别在沥青混合料拌和楼和施工摊铺现场对上述2种有害气体进行监测.根据监测结果可知，在拌和楼及施工现场，检测出空气中SO2质量浓度为0.056～0.229mg/m3,H2S质量浓度为0.002～1.700mg/m3.文献[12-13]中规定SO2气体的最高容许质量浓度应小于5mg/m3，H2S质量浓度不得大于10mg/m3.因此无论是在沥青混合料拌和楼还是在摊铺现场，SO2和H2S 这2种气体的质量浓度均远远小于工业企业标准的要求，满足安全生产及环境保护的需要.

3.4 试验路段路用性能测试

试验路段铺筑已超过5a，除因原路面病害处治不彻底导致加铺Thiopave改性沥青混凝土面层局部出现极少量龟裂、沉陷等病害外，其余路段均未出现明显病害.2011年、2014年试验路段路面检测结果见表8(表中的PCI表示路面损坏状况指数；IRI表示国际平整度指数；RD表示车辙深度；SFC表示横向力系数).由表8可见，尽管K161～K160段为长大纵坡的上坡路段，但经过多年运营，Thiopave改性沥青混凝土路面无车辙病害，具有良好的使用性能.

表8 2011年和2014年度试验路段路面检测结果Table 8 Pavement condition survey results of test road in 2011 and 2014

4 结论

(1)Thiopave改性剂掺量增加会导致沥青针入度降低，软化点增加，低温延度减小.室温下放置10d 的Thiopave改性沥青试样上述指标的变化趋势相对趋缓，并在Thiopave改性剂掺量为30%时出现明显的拐点.综合多项性能及成本考虑，选择Thiopave改性剂掺量为30%左右相对较优.

(2)当Thiopave改性剂掺量增加时，改性沥青车辙因子提高，当Thiopave改性剂掺量达50%时，改性沥青车辙因子比基质沥青提高近1倍，且室温下放置10d试样的车辙因子提高幅度更大；改性沥青复数剪切模量和车辙因子随Thiopave改性剂掺量的增加而相应增加，随荷载频率的降低而降低，并在荷载频率为1.0～0.1Hz区间产生了急剧下降.随着温度的升高，改性沥青的抗车辙性能下降，并在54℃ 时出现拐点，此后这2项指标的变化趋缓.

(3)Thiopave改性沥青混凝土劈裂强度高于基质沥青混凝土，车辙动稳定度大幅提高，约是基质沥青混凝土的2倍.高温条件下Thiopave改性沥青混凝土的动态回弹模量衰减明显小于基质沥青混凝土.Thiopave改性沥青混凝土的流变次数为838，基质沥青混凝土仅为244；达到相同终止条件下，前者花费时长为61min，后者为15min，说明Thiopave改性沥青混凝土的流变性能更优.

(4)现场试验结果中，Thiopave改性沥青混凝土的残留马歇尔稳定度、冻融劈裂强度比、车辙动稳定度等指标均较好地满足了规范要求.试验路段经过多年运营，其使用性能仍然良好，验证了Thiopave改性沥青混凝土的综合性能.

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