李国峰,陈梅,孔瑛,侯影飞*

（1.新疆应用职业技术学院石油与化学工程系，新疆奎屯833200；2.中国石油大学重质油国家重点实验室化学工程学院，山东青岛266580）

化工经济

硫磺沥青在新疆公路中的可行性应用研究*

李国峰1,陈梅1,孔瑛2,侯影飞2*

（1.新疆应用职业技术学院石油与化学工程系，新疆奎屯833200；2.中国石油大学重质油国家重点实验室化学工程学院，山东青岛266580）

本文分析了新疆高速公路和硫磺产业的发展状况，测试了硫磺改性沥青的基本性能以及路面性能，预算了硫磺改性沥青的经济效益。结果表明，在新疆地区应用硫磺改性沥青技术是可行的。

硫磺；沥青；改性；性能

新疆是典型的绿洲经济，公路交通是社会发展和国民经济发展的主要基础支撑，同时，公路交通也是新疆实施西部大开发战略的重点建设内容。近年来，随着西部大开发和援疆政策的不断深入，新疆的经济飞速发展，交通量迅猛增加，车辆超载现象日益严重，从而加剧了沥青路面的破坏[1]；同时，新疆的气候恶劣，昼夜温差较大，使的沥青路面受到了不同程度的破坏[2，3]。于是，研究者们通过在沥青中添加改性剂来提高沥青路面的使用性能。最常用的改性剂是废橡胶粉，然而随着废旧轮胎的再生利用和环保要求的提高，胶粉改性沥青的成本快速攀升，这对于仍处于经济发展中的新疆地区尤为不利[4]。

有研究表明，硫磺与沥青有很好的相容性，在沥青混合料中加入硫磺，在剪切作用下，硫磺能够以细小的颗粒均匀地分散在沥青中，最终形成结晶，可以改善沥青混合料的物理结构，从而提高沥青路面的使用性能[5-7]。然而，在高温下硫磺与沥青反应会放出大量对人体有害的硫化氢气体而使该技术的应用受到限制，本研究拟采用自制的硫磺沥青改性剂（SEAM）用于沥青改性实验中，从不同的层面分析硫磺改性沥青的可行性。

1 新疆高速公路的发展状况

2011年10月，新疆维吾尔自治区第八次党代会明确提出：以打造面向国内、面向周边国家的交通大通道为重点，加快疆内国家高速公路网和国省干线公路、农牧区公路以及铁路、民航、管道建设，构建快捷、高效的综合交通运输体系。力争用五至十年，把新疆由国家交通网络末端，建成中国西部高速大通道和交通枢纽中心。

“十二五”期，新疆公路建设将完成固定资产投资1500亿至2000亿元（含兵团），建设总里程7.6万km。到2015年年底，全区高速公路将达5000km，高等级公路（一、二级）超过1.5万km，农村公路达11万km，基本实现连接14个地州市及兵团师部的公路高速化，各县市和团场通二级及以上公路，具备条件的乡镇全部通沥青路，90%的建制村通沥青路，建成乌鲁木齐、伊宁（霍尔果斯）等七大国家级公路运输枢纽,“十二五”末新疆交通基础设施发展情况见表1。

表1 “十二五”末新疆交通基础设施发展情况Tab.1Development situation of Xinjiang transportation infrastructure at the end of 12th Five-Year

表1数据表明，新疆地区的公路发展非常迅速，车载负荷量日益增大，从而对沥青路面的要求也越来越高。同时，新疆的气候非常恶劣，夏季炎热，冬季寒冷，冷热悬殊，很容易使得沥青路面出现不同程度的破坏。因此，针对新疆的交通特征和气候特征，研究开发新的沥青改性材料，是提高新疆公路建设水平和经济发展水平的首要任务。

2 新疆硫磺产业的发展状况

新疆有着非常丰富的石油、天然气、煤炭资源，是我国西部石油化工、煤化工发展的重要基地，随着脱硫技术的进步和环保要求的提高，从石油、天然气、煤炭中回收的硫磺将达到50×104t·a-1。未来十年，新疆的硫磺都会处于供大于求的局面,销售市场竞争激烈,价格非常低廉。2015、2016两年1～6月新疆硫磺价格走势图见图1。

2013年国务院批准新疆重点推进13个煤化工项目，总投资2000亿。包括8个煤制天然气、4个煤制烯烃和1个煤制油项目，见表2。

图12015 、2016年1～6月新疆硫磺价格走势图Fig.1Price chart of Xinjiang sulphur from January to June in 2015 and 2016

表2 新疆煤化工项目统计表Tab.2Statistical list of Xinjiang coal chemical project

经调查，奎屯锦疆化工有限公司位于奎屯-独山子经济技术开发区，是一家煤制尿素的大型现代煤化工企业，在脱硫过程中会产生年产1800t的副产品硫磺。据了解，该公司的副产品硫磺近几年的市场行情不是很好，销路不能令人满意。因此，将硫磺作为沥青改性剂对于新疆地区来说具有非常重要的社会意义。

3 硫磺改性沥青的性能研究

3.1 硫磺改性沥青性能测试

实验过程中将一定比例的硫磺、H2S抑制剂和增塑剂作为原料自制硫磺沥青改性剂（SEAM），采用新疆克拉玛依110#道路沥青作为基质沥青，按照质量百分比SEAM∶沥青=2∶3混合改性沥青，测试改性沥青的针入度、软化点和延度性能，测试结果见表3。

表3110 号道路沥青及改性沥青指标Tab.3Table of 110 road asphalt and modified asphalt

从表3可以看出，沥青的针入度、软化点和15℃延度的平均值分别为102.6dmm、44.5℃、大于100cm；在沥青中加入现有技术硫磺的针入度、软化点和15℃延度的平均值分别为107.7dmm、46.5℃、大于100 cm；在沥青中加入本实验得到的改性硫磺颗粒的针入度、软化点和15℃延度的平均值分别为102dmm、48℃、89.4cm；而路面铺设指标要求的针入度、软化点和15℃延度分别为100dmm至120dmm、不小于42℃（B级）、不小于60cm；说明在沥青中加入本实验得到的改性硫磺颗粒的路面铺设平均指标与沥青的路面铺设平均指标和在沥青中加入现有技术硫磺的路面铺设平均指标相差不大，且都能满足路面铺设指标要求。

3.2 硫磺改性沥青H2S释放量测试

实验中采用亚甲基蓝分光光度法测定硫横沥青改性剂与沥青混合加热过程中产生的H2S气体，测试结果见表4。

表4 改性前后H2S释放量的测试结果（μg·g-1）Tab.4Table of test results of H2S release before and after modification

从表4可以得出：本实验中制备的改性硫磺颗粒与沥青共混时H2S释放量较纯硫磺与沥青共混时H2S释放量有所降低，说明本试验中制备的改性硫磺颗粒在一定程度上有H2S抑制效果。

4硫磺改性沥青的路面性能测试

将SEAM∶沥青=2∶3混合改性沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》分别进行高温车辙试验和冻融劈裂试验，测试结果见表5、6。

表5 车辙试验数据表Tab.5Data sheet of rutting test

从表5可以看出，加入硫磺沥青改性剂（SEAM）后，改性沥青混合料的抗车辙能力得到明显提高。

表6 冻融劈裂试验数据表Tab.6Data sheet of freeze-thaw splitting test

从表6可以看出，加入硫磺沥青改性剂（SEAM）后，改性沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比明显提高。此现象可以解释为硫磺与沥青发生化学反应生成了大量的含硫集团，促进了沥青分子的交联作用，增强了沥青的极性，使得沥青的软化点提高，从而改善了抗车辙能力和水稳定性[8-10]。

5 硫磺改性沥青的经济效益预算

目前，新疆地区的硫磺价格基本上维持在每吨500元人民币左右，相当于沥青价格的30%左右。而且根据当前世界原油石油高举不下的情况，利用SEAM代替沥青可以有效减少沥青供应的压力，并且降低能源消耗。

以试验路路面宽为5m为例，使用4cm厚的SEAM沥青混凝土作面层，同时与普通沥青混凝土面层的进行比较，估算每1km路段的路面建设费用。结果见表7。

表7 初期建设原料成本费用预算Tab.7Budget of raw material cost

硫磺参考售价：500元·t-1（奎屯锦江化工公司）

SEAM的参考售价：800元·t-1

沥青参考售价：3300元·t-1（克拉玛依石化公司）

如果SEAM与沥青以2∶3混合，相当于代替了40%的沥青，硫磺沥青混合料的成本为：

482×0.4×800+482×0.6×3300=1108600元

普通沥青混合料的成本为：

478×3300=1577400元

价格降低了：1577400元-1108600元=468800元

预算结果表明：对于路面面宽为5m，厚度为4cm的路面，SEAM沥青混合料与普通沥青混合料相比，每公里路面可以节约大约46.8万元。

SEAM加入沥青混合料中既是一种沥青改性剂,同时又是一种很好的沥青替代物。它能够减少沥青用量16%～40%，并且硫磺的价格比沥青低很多，不仅节约了日渐稀缺的石油资源，而且降低了沥青混合料的成本。这对于正处在经济发展时期的新疆地区具有很好的经济意义。

6 结论

（1）新疆交通量的迅猛增加和特殊气候环境使得沥青路面受到了巨大的挑战，开发新型的环保型沥青改性剂是当前的首要任务。

（2）新疆的硫磺产量非常丰富，并且价格低廉，是沥青改性剂的最佳材料。

（3）硫磺改性沥青的性能完全满足沥青路面的铺设标准；同时，自制的SEAM能有效的抑制H2S的释放量。

（4）硫磺沥青改性剂能有效的提高沥青路面的抗车辙能力和水稳定性。

（5）SEAM加入沥青混合料中既是一种沥青改性剂,同时又是一种很好的沥青替代物。对于路面面宽为5m，厚度为4cm的路面，SEAM沥青混合料与普通沥青混合料相比，每公里路面可以节约大约46.8万元。

［1］王显赫,陈发明.新疆沥青路面反射裂缝病例分析及防治［J］.交通科技与经济,2013,15（3）:4-6.

［2］新疆地区高等级公路沥青路面车辙成因分析研究［D］.韩昭.长安大学,2010.

［3］新疆干旱大温差条件下沥青路面抗裂结构研究［D］.仲小玲.新疆农业大学,2013.

［4］崔刘记,冯立群.新疆地区新型硫磺改性沥青技术可行性分析［J］.交通科技与经济，2014,16（5）:70-73.

［5］鲁正兰，孙立军，周朝晖.高性能SEAM改性沥青混合料设计及其性能［J］.石油学报（石油加工），2005,21（5）:73-78.

［6］杨锡武.SEAM沥青混合料性能及其改性机理研究［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2010,29（2）:194-198.

［7］钱鹏,乔海滨,马全红.改性硫磺颗粒的制备及其改性沥青路用性能［J］.东南大学学报（自然科学版），2009,39（3）:592-597.

［8］杨锡武，熊世银，等.硫磺改性沥青混合料性能及机理研究机［J］.湖南科技大学学报（自然科学版），2009,26（3）:61-67.

［9］路面材料硫磺沥青改性剂的研制［D］.钱鹏.东南大学,2009.

［10］司中向.聚合物硫磺改性沥青性能测试与评价［J］.石油沥青，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

新疆奎屯市科技计划项目（201604）；国家自然科学基金项目（51173203）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（15CX05014A）资助

李国峰（1987-）,男,讲师,硕士研究生,研究方向：工业催化。

侯影飞（1977-）,男,副教授,博士,毕业于中国石油大学,研究方向：石油与天然气加工；