1、S-E-A-M 沥青混合料开发与应用研究研究报告简本 沈阳三鑫集团有限公司- 1 -S-E-A-M沥青混合料开发与应用研究报 告 简 本1 本课题立项的目的与意义随着轴载及交通量的不断增大和优质沥青供不应求，高温及超载导致的车辙损坏使得许多地区的路面采用双层乃至三层改性沥青，工程造价明显增加。 SEAM 是一种新型沥青混合料改性剂, 它还能够替代 30%以上的沥青,价格低廉。因此，对于优质沥青及矿料十分缺乏而路面车辙损坏现象又十分普遍和严重的我国，SEAM 的研究与应用，无疑提供了简单而实用的解决方案。然而，SEAM 沥青混合料既不是普通沥青混合料，又不是聚合物改性沥青混合料，尚缺乏材料组成设
2、计、性能检测与评价以及施工指南。因此，进行 SEAM沥青混合料相关技术开发与推广应用的研究，提出相应的设计、评价与施工指南，十分必要和迫切。2 本课题的研究目标及内容2.1课题研究的目标本课题以西部或东北部地区公路工程为依托，按照路面使用性能对材料性能的要求，通过理论分析及实验，开发 SEAM沥青混合料的组成，研究其配合比设计方法、路用性能检测与评价方法以及施工工艺 ，提出 SEAM 沥青混合料材料组成设计、性能评价及施工应用指南。（1）开发 SEAM沥青混合料的组成，研究其配合比设计方法（2）SEAM 沥青混合料性能的评价与改善措施（3）SEAM 对高含蜡沥青及棱角性差的低质量矿料路用性能的
3、改善效果 （4）SEAM 沥青混合料施工工艺的制定与施工质量检测技术S-E-A-M 沥青混合料开发与应用研究研究报告简本 沈阳三鑫集团有限公司- 2 -2.2 课题研究的内容1)提出 SEAM沥青混合料的配合比设计方法，分析 SEAM /沥青比例对沥青混合料性能的影响。研究 SEAM 改善沥青性能的机理、SEAM 沥青混合料的强度形成机理与强度特性、SEAM 与沥青比例对 SEAM沥青混合料性能的影响，并提出 SEAM 沥青混合料的配合比设计方法。2)SEAM 沥青混合料性能的评价方法、指标与改善措施的研究。对 SEAM沥青混合料高温抗变形能力、低温抗裂性能、抗水损害性能及抗疲劳性能进行评价，
4、提出评价方法与改善措施。3)SEAM 对高含蜡沥青及低质量矿料路用性能的改善效果。研究 SEAM对高含蜡沥青混合料路用性能的改善效果，研究 SEAM对棱角性差或酸性矿料路用性能的影响分析与评价。4)SEAM 沥青混合料施工工艺的制定与施工质量检测技术的提出。施工工艺：拌和、储运、SEAM 添加设备、摊铺、压实工艺， 包括温度、机械、遍数、组合等；施工质量检测：温度的控制、压实度的控制， SEAM 及沥青含量的检测设备与方法等。2.3 课题实施的步骤1)资料收集与分析查阅国内外相关资料，参加相关学术会议，召开专家咨询会，评述国内外研究与应用状况，制定翔实的研究方案与计划。2)SEAM 改善沥青性
5、能的机理与强度特性用显微镜观测 SEAM 在沥青中的分布状态，并对比分析温度、搅拌对分布的影响及随时间的变化，研究 SEAM 沥青及的强度形成机理与强度特性，确定SEAM 沥青的强度随时间变化的规律，为确定合理的混合料性能测试时间（龄期的确定）奠定基础。3)SEAM 沥青混合料性能分析与配比组成试验S-E-A-M 沥青混合料开发与应用研究研究报告简本 沈阳三鑫集团有限公司- 3 -根据 SEAM 混合料性能的要求进行配合比设计，使其高温抗变形、低温抗开裂、抗水损坏等性能满足路面的使用要求，并提出性能检测与评价方法。4)沥青混合料拌和厂试拌与材料性能评价在沥青混合料拌和厂按照设计配比进行试拌，并
6、对 SEAM 材料性能进行评价，提出拌和工艺与质量检测、控制技术，如温度、拌和时间、材料添加顺序、混合料的均匀性和含水量等， 确保 SEAM 沥青混合料具有优良的施工和易性和路用性能。5)试验段铺设与施工工艺优化在沥青混合料拌和厂试拌成功的基础上，进行试验路段的铺设，长度不低于 500m，并与同长度的热拌沥青混合料路面形成对比路段，以便于性能对比；结合施工过程中的质量检测结果，对施工工艺进行优化；开放交通后，对试验段进行使用效果跟踪检测评估，以对 SEAM 料配比、施工工艺及检测技术进行验证。6)结合研究与试验路使用情况观测，制订 SEAM 沥青混合料路面施工工艺指南。3 国内外研究与应用现状
7、早在 20世纪初，人们就知道硫磺具有提高沥青质量的特性，沥青混合料中加入硫磺能够改善混合料的物理结构和力学性能，因此，硫磺改性沥青在美国、加拿大 70年代就应用广泛。19741981 年期间在美国和加拿大用 SEA（单纯用硫磺改性技术简称为 SEA）技术修筑了 100个公路项目，并取得了成功。SEAM 中的添加剂提高了硫磺的质量和 SEAM改性沥青混合料的强度和耐久性，使得 SEAM改性沥青混合料与其他常规沥青混合料相比，SEAM 沥青混合料路面几乎看不到泛油现象，抗车辙性能明显提高，路面横向裂纹少而轻，道路的使用寿命较长，维修费用低。 SEAM沥青混合料近年来在北美得到了一定的应用，初步形成
8、了 SEAM混合料设计方法和施工指南，但在应用过程中也发现了一些问题有待于进一步研究与完善， 如抗水损坏问题、低温抗裂效果、疲劳性能、 SEAM沥青混合料强度随龄期的变化规律、SEAM 与沥青的比例对路用性能的影响、施工中沥青含量的测定等。S-E-A-M 沥青混合料开发与应用研究研究报告简本 沈阳三鑫集团有限公司- 4 -而在我国的研究与应用属于初步探索阶段，2002 至 2005年期间在天津、黑龙江、浙江、云南内蒙等地修筑了少量的小型试验段，大都取得了较好的应用效果，也有不成功的经验，但都没有进行系统而深入地研究和系统的使用效果观测，更没有成熟的施工工艺与检测技术。4 本课题的研究成果本课题
9、以沈环线北台段公路工程和郑州至石人山高速公路工程为依托，按照路面使用性能对材料性能的要求，通过理论分析及实验 ，提出了 SEAM 沥青混合料材料组成设计、路用性能评价方法及施工应用技术指南,得到以下主要研究成果：1)研究了 SEAM对沥青混合料的改性机理，研究表明，将 SEAM和沥青先后加入加热的石料中，在沥青混合料拌和过程中，由于骨料的剪切作用，部分硫磺与沥青呈化学结合，溶解在沥青中，这一部分硫磺作为沥青稀释剂，使粘稠的沥青变得稀释；另一部分硫磺分散在沥青相中，溶解和分散的硫磺最终都形成结晶，作为结构强度增强剂，达到对沥青和沥青混合料的改性。图 1 在电子显微镜下硫晶体生成的网状结构2)将
10、SEAM和沥青按照一定比例混合在一起放置在 140的烘箱中保温直至混合物为液体，然后将（SEAM+沥青）混合液体进行高速剪切混合，测定其粘度，绘制粘温曲线，求得粘度为（0.170.02）Pas 和（0.280.03）Pas 的温度即为 SEAM沥青混合料的拌和温度和成型温度。SEAM 沥青混合料的拌和温度可以控制在 130140，成型温度可以控制在 120130。S-E-A-M 沥青混合料开发与应用研究研究报告简本 沈阳三鑫集团有限公司- 5 -3)研究了 SEAM沥青混合料强度随龄期变化的规律，通过对 SEAM沥青混合料测定不同养生时间的马歇尔试件的马歇尔稳定度确定 SEAM沥青混合料合适检
11、测时间。提出了成型的混合料试件养生 14天后测定其各项路用性能的建议。稳定度随龄期变化曲线024681012140 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24龄期（天）稳定度（KN）图 2 稳定度随龄期变化曲线4)变化 SEAM的掺量可以获得全刚性、半刚性、柔性等各种性能的沥青面层。SEAM：沥青=50：50 时，可以获得很硬的全刚性混合料；SEAM：沥青=40：60 时，获得的是半刚性的混合料； SEAM：沥青=30：70 的得到的是“柔性”混合料。 采用什么样的比例，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。本课题采用 SEAM与沥青的质量比为 40：
12、60，并以此比例进行混合料的设计。5) SEAM沥青混合料的配合比设计可采用替代公式法或常规 Marshall法。 6)对现有评价沥青混合料高温性能、低温抗裂性能、抗水损害性能和疲劳性能的试验方法进行了综合的对比分析，建议采用车辙试验和单轴贯入试验评价SEAM沥青混合料的高温性能，采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和浸水车辙评价 SEAM沥青混合料的抗水损害性能，采用低温约束冻断试验评价 SEAM沥青混合料的低温抗裂性能，以应力控制模式小梁重复弯曲疲劳试验作为评价沥青混合料S-E-A-M 沥青混合料开发与应用研究研究报告简本 沈阳三鑫集团有限公司- 6 -疲劳特性的试验方法。图 3 冻断后的试件
13、7)采用提出的试验方法评价了 SEAM沥青混合料的相关路用性能，为了全面评价 SEAM对沥青混合料的改性效果，采用路面实际施工中常用的 AC-13，AC-16，AC-20，AC-25，ATB-25 和 ATB-30级配类型的 SEAM沥青混合料进行高温稳定性、低温抗裂性能和抗水损害性能的研究，并对比普通沥青及改性沥青混合料评价了 SEAM对沥青混合料的性能,并就水损坏和低温开裂提出了改善措施。研究表明：添加 SEAM后能全面提高不同类型沥青混合料的高温稳定性，且提高的幅度非常大，这对于提高路面的抗车辙性能是非常显著的。在沥青混合料中添 SEAM,对于有些矿料而言, 抗水损害性能不受影响,而对于
14、部分矿料来说, SEAM会降低混合料的抗水损害性能，可以采用调整配比和添加液体抗剥落剂等措施来提高 SEAM沥青混合料的抗水损害性能。在沥青混合料中添加 SEAM并不会降低混合料的低温抗裂性能。与普通沥青混合料低温抗裂性能基本相当。相比普通沥青混合料，SEAM 沥青混合料在应力水平一致的情况下，具有较高的疲劳作用次数，说明 SEAM沥青混合料的抗疲劳性能优于普通沥青混合料。8)通过试验验证表明，提出的评价方法能较好地反映 SEAM沥青混合料的相关路用性能,SEAM 沥青混合料的路用性能介于 SBS 改性沥青与普通沥青混合料之间。9) 研究了 SEAM对棱角性差的低质量矿料沥青混合料及高含蜡量沥
15、青混合料S-E-A-M 沥青混合料开发与应用研究研究报告简本 沈阳三鑫集团有限公司- 7 -路用性能的改善。结果表明，在棱角性差的低质量矿料沥青混合料及高含蜡量沥青混合料中添加 SEAM后，其路用性能都有着显著提高，而且都能够满足相应的规范要求,SEAM 可以有效地改善低质量矿料沥青混合料及高含蜡量沥青混合料的路用性能,对于优质矿料及低含蜡沥青匮乏地区的道路建设,意义重大。图 5.1 破碎前后鹅卵石对比10)添加 SEAM 后可以提高混合料的抗压回弹模量，提高的幅度达到 20%，因此在路面设计中在进行沥青路面设计时，在抗车辙性能要求较高的地区可以采用 SEAM 沥青混合料进行铺筑。由于 SEA
16、M 沥青混合料的抗压回弹模量较高，在相同的路面厚度条件下，SEAM 沥青混合料的使用寿命要比普通沥青混合料的长。在进行路面厚度设计时，在满足实际路用性能要求的条件下也可以减小路面的设计厚度。11)结合 SEAM沥青混合料的室内研究和工程实践,提出了 SEAM 沥青混合料施工工艺与施工质量检测技术，包括拌和、储运、SEAM 添加设备、摊铺、压实工艺。利用粘度温度曲线确定了拌和、摊铺与压实温度的确定，结果表明,SEAM 沥青混合料的拌和温度和碾压温度要低于普通沥青混合料的拌和温度和碾压温度。分析了温度与储存时间对废气排放的影响,将 SEAM沥青混合料在不同温度下存放不同的时间，测定废气排放量，掌握
17、其排放规律，指导 SEAM混合料的拌和与储运。施工质量检测包括温度的控制、压实度的控制，SEAM 及沥青含量的检测设备与方法等。12)通过沈环线北台段公路工程和郑州至石人山高速公路 SEAM试验路的铺筑，对本课题提出的技术与评价结论进行全面验证。 SEAM 试验路铺筑顺利, 通车后使用状况良好，满足了设计要求,达到了预期目标, 证明了本课题成有效性和实用S-E-A-M 沥青混合料开发与应用研究研究报告简本 沈阳三鑫集团有限公司- 8 -价值:SEAM 沥青混合料在设计阶段和普通沥青混合料完全相同，可以按照常规的混合料设计方法进行设计和检验。SEAM 的沥青混合料能够提高路面的抗高温车辙性能，适
18、应重载交通和特殊道路的应用, 低温开裂与抗水损坏与普通沥青相似。SEAM 沥青混合料路面的渗水系数比改性沥青路面的渗水系数小。SEAM的沥青混合料和改型沥青混合料路面的抗滑性能接近，都具有很好的抗滑性能。SEAM 沥青混合料路面的平整度和弯沉满足设计要求。SEAM 沥青混合料在拌合、运输、摊铺、碾压的施工过程中无特殊工艺要求,温度比普通沥青混合料低20度,比 SBS改性沥青低 30度以上。13)SEAM 能替代 30%以上的沥青，节约了沥青资源，SEAM 沥青混合料在与基质沥青混合料造价相近的情况下， SEAM路面综合性能优于普通沥青混合料路面，高温稳定性甚至能够达到改性沥青的路面性能。因此随
19、着不可再生资源石油的供应在全球日趋紧张，路面车辙损坏现象又十分普遍和严重的我国， SEAM的研究与应用，无疑为此提供了简单而实用的解决方案，将减少路面寿命周期的费用，因此，具有较高的社会效益和经济效益。 5 本课题的研究创新点评价沥青混合料路用性能的试验方法和评价指标较多。本课题根据 SEAM沥青混合料的特点，提出了评价 SEAM沥青混合料的试验方法：采用车辙试验和单轴贯入试验评价 SEAM沥青混合料的高温抗车辙性能，采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和浸水车辙试验评价 SEAM沥青混合料的抗水损害性能，采用低温约束冻断试验评价 SEAM沥青混合料的低温抗裂性能。按照提出的试验方法对 SEAM沥
20、青混合料进行了相关的试验研究，并与普通沥青混合料的相关性能进行了系统的对比。本课题的创新点在于：1)、结合微观分析，研究了 SEAM对沥青混合料的改性机理；2)、结合试验分析了 SEAM沥青混合料强度随龄期的变化规律，据此提出了对 SEAM沥青混合料进行性能评价的合理龄期；3)、根据 SEAM能够替代沥青的特性，提出了 SEAM沥青混合料配合比的方法；S-E-A-M 沥青混合料开发与应用研究研究报告简本 沈阳三鑫集团有限公司- 9 -4) 采用低温约束冻断试验评价 SEAM沥青混合料的低温抗裂性能,提出了以冻断温度为指标的评价方法,对 SEAM沥青混合料的低温抗裂性能从级配和沥青种类与用量方面提出了有效的改善措施;5)采用冻融劈裂试验和浸水车辙试验评价 SEAM沥青混合料的抗水损害性能;从级配粉胶比及抗剥落剂方面提出了有效的改善措施;6)采用车辙试验和单轴贯入试验评价 SEAM沥青混合料的高温抗车辙性能;7)评价了 SEAM对棱角性差的矿料及高含蜡沥青高温抗变形性能的改善效果,扩大了这些材料的应用范围 ;8)结合室内研究及试验路的铺筑, 对研究成果进行了验证与优化, 提出了SEAM 沥青混合料材料组成设计方法、路用性能评价体系及施工应用技术指南成套技术，并将首次 SEAM沥青混合料成功应用于高速公路主车道的上面层。
