硫磺瀝青在新疆公路中的可行性應(yīng)用研究*

李國峰,陳梅,孔瑛,侯影飛*

（1.新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油與化學(xué)工程系，新疆奎屯833200；2.中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點實驗室化學(xué)工程學(xué)院，山東青島266580）

化工經(jīng)濟

硫磺瀝青在新疆公路中的可行性應(yīng)用研究*

李國峰1,陳梅1,孔瑛2,侯影飛2*

（1.新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油與化學(xué)工程系，新疆奎屯833200；2.中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點實驗室化學(xué)工程學(xué)院，山東青島266580）

本文分析了新疆高速公路和硫磺產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，測試了硫磺改性瀝青的基本性能以及路面性能，預(yù)算了硫磺改性瀝青的經(jīng)濟效益。結(jié)果表明，在新疆地區(qū)應(yīng)用硫磺改性瀝青技術(shù)是可行的。

硫磺；瀝青；改性；性能

新疆是典型的綠洲經(jīng)濟，公路交通是社會發(fā)展和國民經(jīng)濟發(fā)展的主要基礎(chǔ)支撐，同時，公路交通也是新疆實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重點建設(shè)內(nèi)容。近年來，隨著西部大開發(fā)和援疆政策的不斷深入，新疆的經(jīng)濟飛速發(fā)展，交通量迅猛增加，車輛超載現(xiàn)象日益嚴重，從而加劇了瀝青路面的破壞[1]；同時，新疆的氣候惡劣，晝夜溫差較大，使的瀝青路面受到了不同程度的破壞[2，3]。于是，研究者們通過在瀝青中添加改性劑來提高瀝青路面的使用性能。最常用的改性劑是廢橡膠粉，然而隨著廢舊輪胎的再生利用和環(huán)保要求的提高，膠粉改性瀝青的成本快速攀升，這對于仍處于經(jīng)濟發(fā)展中的新疆地區(qū)尤為不利[4]。

有研究表明，硫磺與瀝青有很好的相容性，在瀝青混合料中加入硫磺，在剪切作用下，硫磺能夠以細小的顆粒均勻地分散在瀝青中，最終形成結(jié)晶，可以改善瀝青混合料的物理結(jié)構(gòu)，從而提高瀝青路面的使用性能[5-7]。然而，在高溫下硫磺與瀝青反應(yīng)會放出大量對人體有害的硫化氫氣體而使該技術(shù)的應(yīng)用受到限制，本研究擬采用自制的硫磺瀝青改性劑（SEAM）用于瀝青改性實驗中，從不同的層面分析硫磺改性瀝青的可行性。

1 新疆高速公路的發(fā)展?fàn)顩r

2011年10月，新疆維吾爾自治區(qū)第八次黨代會明確提出：以打造面向國內(nèi)、面向周邊國家的交通大通道為重點，加快疆內(nèi)國家高速公路網(wǎng)和國省干線公路、農(nóng)牧區(qū)公路以及鐵路、民航、管道建設(shè)，構(gòu)建快捷、高效的綜合交通運輸體系。力爭用五至十年，把新疆由國家交通網(wǎng)絡(luò)末端，建成中國西部高速大通道和交通樞紐中心。

“十二五”期，新疆公路建設(shè)將完成固定資產(chǎn)投資1500億至2000億元（含兵團），建設(shè)總里程7.6萬km。到2015年年底，全區(qū)高速公路將達5000km，高等級公路（一、二級）超過1.5萬km，農(nóng)村公路達11萬km，基本實現(xiàn)連接14個地州市及兵團師部的公路高速化，各縣市和團場通二級及以上公路，具備條件的鄉(xiāng)鎮(zhèn)全部通瀝青路，90%的建制村通瀝青路，建成烏魯木齊、伊寧（霍爾果斯）等七大國家級公路運輸樞紐,“十二五”末新疆交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展情況見表1。

表1 “十二五”末新疆交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展情況Tab.1Development situation of Xinjiang transportation infrastructure at the end of 12th Five-Year

表1數(shù)據(jù)表明，新疆地區(qū)的公路發(fā)展非常迅速，車載負荷量日益增大，從而對瀝青路面的要求也越來越高。同時，新疆的氣候非常惡劣，夏季炎熱，冬季寒冷，冷熱懸殊，很容易使得瀝青路面出現(xiàn)不同程度的破壞。因此，針對新疆的交通特征和氣候特征，研究開發(fā)新的瀝青改性材料，是提高新疆公路建設(shè)水平和經(jīng)濟發(fā)展水平的首要任務(wù)。

2 新疆硫磺產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r

新疆有著非常豐富的石油、天然氣、煤炭資源，是我國西部石油化工、煤化工發(fā)展的重要基地，隨著脫硫技術(shù)的進步和環(huán)保要求的提高，從石油、天然氣、煤炭中回收的硫磺將達到50×104t·a-1。未來十年，新疆的硫磺都會處于供大于求的局面,銷售市場競爭激烈,價格非常低廉。2015、2016兩年1～6月新疆硫磺價格走勢圖見圖1。

2013年國務(wù)院批準新疆重點推進13個煤化工項目，總投資2000億。包括8個煤制天然氣、4個煤制烯烴和1個煤制油項目，見表2。

圖12015 、2016年1～6月新疆硫磺價格走勢圖Fig.1Price chart of Xinjiang sulphur from January to June in 2015 and 2016

表2 新疆煤化工項目統(tǒng)計表Tab.2Statistical list of Xinjiang coal chemical project

經(jīng)調(diào)查，奎屯錦疆化工有限公司位于奎屯-獨山子經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，是一家煤制尿素的大型現(xiàn)代煤化工企業(yè)，在脫硫過程中會產(chǎn)生年產(chǎn)1800t的副產(chǎn)品硫磺。據(jù)了解，該公司的副產(chǎn)品硫磺近幾年的市場行情不是很好，銷路不能令人滿意。因此，將硫磺作為瀝青改性劑對于新疆地區(qū)來說具有非常重要的社會意義。

3 硫磺改性瀝青的性能研究

3.1 硫磺改性瀝青性能測試

實驗過程中將一定比例的硫磺、H2S抑制劑和增塑劑作為原料自制硫磺瀝青改性劑（SEAM），采用新疆克拉瑪依110#道路瀝青作為基質(zhì)瀝青，按照質(zhì)量百分比SEAM∶瀝青=2∶3混合改性瀝青，測試改性瀝青的針入度、軟化點和延度性能，測試結(jié)果見表3。

表3110 號道路瀝青及改性瀝青指標(biāo)Tab.3Table of 110 road asphalt and modified asphalt

從表3可以看出，瀝青的針入度、軟化點和15℃延度的平均值分別為102.6dmm、44.5℃、大于100cm；在瀝青中加入現(xiàn)有技術(shù)硫磺的針入度、軟化點和15℃延度的平均值分別為107.7dmm、46.5℃、大于100 cm；在瀝青中加入本實驗得到的改性硫磺顆粒的針入度、軟化點和15℃延度的平均值分別為102dmm、48℃、89.4cm；而路面鋪設(shè)指標(biāo)要求的針入度、軟化點和15℃延度分別為100dmm至120dmm、不小于42℃（B級）、不小于60cm；說明在瀝青中加入本實驗得到的改性硫磺顆粒的路面鋪設(shè)平均指標(biāo)與瀝青的路面鋪設(shè)平均指標(biāo)和在瀝青中加入現(xiàn)有技術(shù)硫磺的路面鋪設(shè)平均指標(biāo)相差不大，且都能滿足路面鋪設(shè)指標(biāo)要求。

3.2 硫磺改性瀝青H2S釋放量測試

實驗中采用亞甲基藍分光光度法測定硫橫瀝青改性劑與瀝青混合加熱過程中產(chǎn)生的H2S氣體，測試結(jié)果見表4。

表4 改性前后H2S釋放量的測試結(jié)果（μg·g-1）Tab.4Table of test results of H2S release before and after modification

從表4可以得出：本實驗中制備的改性硫磺顆粒與瀝青共混時H2S釋放量較純硫磺與瀝青共混時H2S釋放量有所降低，說明本試驗中制備的改性硫磺顆粒在一定程度上有H2S抑制效果。

4硫磺改性瀝青的路面性能測試

將SEAM∶瀝青=2∶3混合改性瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》分別進行高溫車轍試驗和凍融劈裂試驗，測試結(jié)果見表5、6。

表5 車轍試驗數(shù)據(jù)表Tab.5Data sheet of rutting test

從表5可以看出，加入硫磺瀝青改性劑（SEAM）后，改性瀝青混合料的抗車轍能力得到明顯提高。

表6 凍融劈裂試驗數(shù)據(jù)表Tab.6Data sheet of freeze-thaw splitting test

從表6可以看出，加入硫磺瀝青改性劑（SEAM）后，改性瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比明顯提高。此現(xiàn)象可以解釋為硫磺與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了大量的含硫集團，促進了瀝青分子的交聯(lián)作用，增強了瀝青的極性，使得瀝青的軟化點提高，從而改善了抗車轍能力和水穩(wěn)定性[8-10]。

5 硫磺改性瀝青的經(jīng)濟效益預(yù)算

目前，新疆地區(qū)的硫磺價格基本上維持在每噸500元人民幣左右，相當(dāng)于瀝青價格的30%左右。而且根據(jù)當(dāng)前世界原油石油高舉不下的情況，利用SEAM代替瀝青可以有效減少瀝青供應(yīng)的壓力，并且降低能源消耗。

以試驗路路面寬為5m為例，使用4cm厚的SEAM瀝青混凝土作面層，同時與普通瀝青混凝土面層的進行比較，估算每1km路段的路面建設(shè)費用。結(jié)果見表7。

表7 初期建設(shè)原料成本費用預(yù)算Tab.7Budget of raw material cost

硫磺參考售價：500元·t-1（奎屯錦江化工公司）

SEAM的參考售價：800元·t-1

瀝青參考售價：3300元·t-1（克拉瑪依石化公司）

如果SEAM與瀝青以2∶3混合，相當(dāng)于代替了40%的瀝青，硫磺瀝青混合料的成本為：

482×0.4×800+482×0.6×3300=1108600元

普通瀝青混合料的成本為：

478×3300=1577400元

價格降低了：1577400元-1108600元=468800元

預(yù)算結(jié)果表明：對于路面面寬為5m，厚度為4cm的路面，SEAM瀝青混合料與普通瀝青混合料相比，每公里路面可以節(jié)約大約46.8萬元。

SEAM加入瀝青混合料中既是一種瀝青改性劑,同時又是一種很好的瀝青替代物。它能夠減少瀝青用量16%～40%，并且硫磺的價格比瀝青低很多，不僅節(jié)約了日漸稀缺的石油資源，而且降低了瀝青混合料的成本。這對于正處在經(jīng)濟發(fā)展時期的新疆地區(qū)具有很好的經(jīng)濟意義。

6 結(jié)論

（1）新疆交通量的迅猛增加和特殊氣候環(huán)境使得瀝青路面受到了巨大的挑戰(zhàn)，開發(fā)新型的環(huán)保型瀝青改性劑是當(dāng)前的首要任務(wù)。

（2）新疆的硫磺產(chǎn)量非常豐富，并且價格低廉，是瀝青改性劑的最佳材料。

（3）硫磺改性瀝青的性能完全滿足瀝青路面的鋪設(shè)標(biāo)準；同時，自制的SEAM能有效的抑制H2S的釋放量。

（4）硫磺瀝青改性劑能有效的提高瀝青路面的抗車轍能力和水穩(wěn)定性。

（5）SEAM加入瀝青混合料中既是一種瀝青改性劑,同時又是一種很好的瀝青替代物。對于路面面寬為5m，厚度為4cm的路面，SEAM瀝青混合料與普通瀝青混合料相比，每公里路面可以節(jié)約大約46.8萬元。

［1］王顯赫,陳發(fā)明.新疆瀝青路面反射裂縫病例分析及防治［J］.交通科技與經(jīng)濟,2013,15（3）:4-6.

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［3］新疆干旱大溫差條件下瀝青路面抗裂結(jié)構(gòu)研究［D］.仲小玲.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

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［10］司中向.聚合物硫磺改性瀝青性能測試與評價［J］.石油瀝青，2015,29（4）:52-55.

Feasible study of sulfur asphalt in Xinjiang highway*

LI Guo-feng1,CHEN Mei1,KONG Ying2,HOU Ying-fei2*
（1.Department of Petro and chemical engineering,Xinjiang Vocational and Technical College of Application,Kuitun 833200, China；2.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China）

In this paper,the development status of Xinjiang Expressway and sulfur industry are analyzed,and the basic performance and pavement performance of sulfur modified asphalt are tested.At the same time,the economic benefits of sulfur modified asphalt are estimated.The results showed that it is feasible to apply sulfur modified asphalt technology in Xinjiang area.

sulfur;asphalt;modification;performance

TU535

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170868

2017-04-19

新疆奎屯市科技計劃項目（201604）；國家自然科學(xué)基金項目（51173203）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（15CX05014A）資助

李國峰（1987-）,男,講師,碩士研究生,研究方向：工業(yè)催化。

侯影飛（1977-）,男,副教授,博士,畢業(yè)于中國石油大學(xué),研究方向：石油與天然氣加工；