硫磺瀝青混凝土

1、硫磺改性瀝青加工應(yīng)用技術(shù)及在中國的應(yīng)用前景一.綜述傳統(tǒng)的硫磺改性瀝青是以普通硫磺為改性劑加入普通瀝青而制 成。硫磺改性瀝青的研究試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用已有幾十年的歷史。尤其是 在70年代中期到80年代初期，硫磺改性瀝青的研制及工業(yè)道路試驗(yàn) 和鋪設(shè)在北美和中東地區(qū)達(dá)到高潮。其主要原因一方面是經(jīng)濟(jì)杠桿的 作用。當(dāng)時(shí)，硫磺價(jià)格低迷，約US$40/噸。而工業(yè)瀝青價(jià)格很高， 約US$100 150/噸。用40 50%的硫磺替代道路瀝青其經(jīng)濟(jì)效益是 顯而易見的。另一個(gè)重要的原因是硫磺改性瀝青提高了公路的強(qiáng)度和 穩(wěn)定性，從而大大地改善了瀝青公路路面的抗車轍和抗疲勞開裂性能。 但是，由于80年代初硫磺價(jià)格急增，使高潮

2、中的硫磺改性瀝青工業(yè) 試驗(yàn)和應(yīng)用漸漸停滯下來。自90年代初硫磺價(jià)格再次趨于低迷且不 斷降低，而工業(yè)瀝青價(jià)格則不斷增高。到2000年，硫磺價(jià)格降至約 US$30/噸，而工業(yè)瀝青價(jià)格增至約US$170/噸。在中國日前硫磺的 價(jià)格約為人民幣500-600元/噸，而工業(yè)普通瀝青價(jià)格約為人民幣 2500-3000元/噸。根據(jù)國際硫磺權(quán)威機(jī)構(gòu)和美國硫研究院調(diào)查統(tǒng)計(jì)， 由于日前世界上大量硫磺的積累和今后每年從石油和天然氣中回收 的硫磺產(chǎn)量的不斷增加，世界上硫磺供大于求的趨勢在將來近二三十 年內(nèi)不會(huì)改變。因此，今后硫磺的價(jià)格將處于低迷，至少不會(huì)有大的 增加趨勢。因此，硫磺改性瀝青的研究和工業(yè)試驗(yàn)及應(yīng)用將再次掀

3、起 高潮。數(shù)條硫磺改性瀝青公路正在和將要在美國和加拿大鋪設(shè)。將硫磺應(yīng)用于瀝青公路中可通過兩種加工應(yīng)用方式來實(shí)現(xiàn)。一種 加工應(yīng)用方式是將特殊加工好的硫磺添加劑顆粒直接加入普通瀝青 或?yàn)r青混凝土中經(jīng)攪拌混合均勻后即得到硫磺改性瀝青混凝土。另一 種應(yīng)用方式是將硫磺、普通瀝青和其它多種添加劑通過特殊加工生產(chǎn) 出一種新型的顆粒狀硫磺改性瀝青產(chǎn)品。這種固體硫磺改性瀝青顆粒 可以全部代替普通瀝青或重交瀝青。第一種應(yīng)用方式相對來說簡單易行。關(guān)鍵的一步是要生產(chǎn)出一種 專用的硫磺添加劑。這種特殊的硫磺添加劑不僅要具有很好的儲(chǔ)運(yùn)物 理性質(zhì)而且更重要的是要具有易于混合均勻和改善普通瀝青性能的 特性。在70年代中期至8

4、0年代初期硫磺改性瀝青的工業(yè)實(shí)踐中，是 將普通液態(tài)或固態(tài)硫磺直接加入普通瀝青或?yàn)r青混凝土中經(jīng)混合均 勻后而被應(yīng)用。這種原始應(yīng)用的最大缺點(diǎn)是難以得到混合均勻質(zhì)量穩(wěn) 定的硫磺改性瀝青。當(dāng)硫磺含量超過40 wt %時(shí)這種弊端尤其突出。實(shí)踐告訴我們，大約15%的硫磺可以溶入普通瀝青中。當(dāng)硫磺加入 量超量后，多余的硫磺將呈游離狀以連續(xù)或斷續(xù)填料狀態(tài)分布在瀝青 中。隨硫磺加入量的不斷增加，瀝青中分布的硫磺會(huì)因混合不當(dāng)而游 離與瀝青分離。當(dāng)硫磺含量大于40 wt %時(shí)，這種現(xiàn)象便顯而易見。 這樣硫磺不但不能起到改性的作用反而會(huì)惡化瀝青公路的質(zhì)量。20 世紀(jì)70年代和80年代用硫磺改性瀝青鋪設(shè)的公路優(yōu)劣不均，

5、其中有 些公路質(zhì)量大大優(yōu)于作為比較用的普通瀝青公路。而有些公路由于缺 乏質(zhì)量控制而并非表現(xiàn)出它的優(yōu)越性，有些甚至不理想。硫磺瀝青的 混合質(zhì)量在此起到至關(guān)重要的作用。隨著科學(xué)應(yīng)用技術(shù)的提高及硫磺 改性瀝青的科學(xué)研究的進(jìn)步，最新一項(xiàng)研究成果表明，使用一種特殊 加工的硫磺添加劑不僅可以大大提高硫磺改性瀝青的質(zhì)量而且可以 打破硫磺改性瀝青中硫磺含量的最高“限區(qū)”40%。硫磺在硫磺改性 瀝青中的含量可高至60%以上。第二種應(yīng)用方式是將硫磺改性瀝青通過造粒加工成便于儲(chǔ)運(yùn)的 固體顆粒產(chǎn)品。這種固體顆粒產(chǎn)品可以通過各種普通運(yùn)輸車輛送到瀝 青石料混凝土準(zhǔn)備廠或工地與預(yù)先加熱好的石料混合均勻后即可用 于鋪路。這種

6、固體顆粒瀝青的應(yīng)用將打破傳統(tǒng)的混凝土準(zhǔn)備工藝，擺 脫瀝青罐車運(yùn)輸方式。這不僅降低了瀝青混凝土的原料成本而且會(huì)降 低整個(gè)鋪路工程的原料儲(chǔ)運(yùn)生產(chǎn)成本。這種應(yīng)用方式的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)硫 磺改性瀝青固體顆?；纳a(chǎn)加工工藝。將液態(tài)瀝青固化為便于運(yùn)輸 的顆粒狀物料是道路瀝青工作者多年的宿愿。實(shí)踐已證明，僅僅將瀝 青和硫磺混合是無法通過造粒生產(chǎn)出我們所需要的固體顆粒產(chǎn)品的。必須尋找其它添加劑和穩(wěn)定劑以產(chǎn)生混合均勻穩(wěn)定的混合粘結(jié)劑。這 種混合物料不僅要滿足瀝青公路性能質(zhì)量的要求而且在性能上還要 滿足造粒的要求。加入少量高分子聚合物和其它穩(wěn)定劑不僅在硫磺和 瀝青的混合中起到搭橋和穩(wěn)定作用而且可以進(jìn)一步改善硫磺改性瀝

7、 青的公路性能。同時(shí)，在改善物料的造粒性能上也起到重要作用。將高分子聚合物加入普通瀝青可以改善和提高普通瀝青的公路 性能。這些性能優(yōu)良的高分子聚合物改性瀝青技術(shù)和產(chǎn)品已大量地用 于中國高級公路的建設(shè)中。但是，這些高分子聚合物改性瀝青不僅價(jià) 格昂貴，而且不能擺脫傳統(tǒng)的加熱罐車運(yùn)輸方式。其主要原因在于它 們受到本身物理性質(zhì)的限制不能被加工成便于儲(chǔ)運(yùn)的固體顆粒產(chǎn)品。 硫磺改性瀝青可以在許多情況下取代價(jià)格昂貴的高分子聚合物改性 瀝青。日前的硫磺改性瀝青加工技術(shù)的主要指導(dǎo)思想在于生產(chǎn)的改性 瀝青產(chǎn)品不僅要比普通瀝青的價(jià)格低而且其性能要比普通瀝青優(yōu)越， 不僅可以代替普通瀝青而且可以代替重交瀝青。在許多場合

8、下還可以 代替高分子聚合物改性瀝青。如果將硫磺改性瀝青加工成固體顆粒產(chǎn) 品，不僅可以降低原料本身的成本而且還可以降低用此產(chǎn)品來鋪路的 鋪路成本。以往大量硫磺改性瀝青公路的工業(yè)實(shí)踐證明，硫磺改性瀝 青的抗車轍性能大大優(yōu)越于普通瀝青。抗低溫開裂性能也好于普通瀝 青。在工業(yè)技術(shù)不斷進(jìn)步的今天，在總結(jié)以往工業(yè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，新 研制的硫磺改性瀝青產(chǎn)品在各方面性能上都優(yōu)于以往的硫磺改性瀝 青。二.硫磺改性瀝青加工設(shè)計(jì)為了簡化設(shè)計(jì)，在此假定硫磺改性瀝青僅含硫磺和瀝青兩個(gè)組份（暫不考慮其它添加劑的含量）。因此，在此前提下硫磺和瀝青含量 之和為100%。在硫磺改性瀝青混合設(shè)計(jì)前，我們應(yīng)當(dāng)首先來了解一 下硫磺、瀝

9、青及其混合物的一般特性。硫磺可溶于瀝青的量與瀝青的 品種和來源有關(guān)。一般來說，在混合溫度下硫磺在瀝青中的可溶度約 為15-20%。在混合物固化后，多余未溶的硫磺會(huì)以超細(xì)微粒分布 在瀝青中。在顯微鏡下觀察可以看到這些微粒在瀝青中構(gòu)成連續(xù)和不 連續(xù)的結(jié)構(gòu)體。硫磺在硫磺改性瀝青混合物中的作用有兩個(gè)，一是作 為粘結(jié)劑，二是作為結(jié)構(gòu)體。在常溫常壓下，硫磺是一種無味的黃色固體。而瀝青是一種黑色 粘稠彈性固體。表1列出黑硫磺添加劑、普通瀝青和它們的混合物在 不同溫度下的比重?cái)?shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)可以看出，常溫下固體硫磺的比 重是瀝青的兩倍，因此它的體積只有等體積瀝青的一半。當(dāng)它們混合 在一起后，隨著硫磺含量的增加

10、，混合物的比重隨之增大。黑硫磺添加劑、瀝青和這些混合物在混合溫度范圍內(nèi)溫度和粘度 的關(guān)系。試驗(yàn)中瀝青是用的AR2000瀝青。入圖所示，在115和155 oC 之間，與瀝青比較硫磺的粘度很低。硫磺的凝固點(diǎn)為114 oC。當(dāng)溫 度超過158 oC左右，硫磺粘度突然增高。這是由于硫磺分子在高溫 下發(fā)生聚合的原因。當(dāng)硫磺混于瀝青中，硫磺可以降低瀝青混合物的 粘度。在硫磺重量含量為26% （體積含量為15% ）情況下，硫磺瀝 青混合物的粘度最低。隨硫磺含量的進(jìn)一步增加，混合物的粘度也隨 之稍有增加，但比純?yōu)r青的粘度還是要低得多。硫磺改性瀝青在不同硫磺/瀝青混合比下做的馬歇爾混凝土強(qiáng)度 試驗(yàn)結(jié)果。所用的瀝

11、青牌號是AR2000。試驗(yàn)所用的石料為火山巖類 石料。當(dāng)瀝青中添加26%重量的硫磺，與原瀝青相比硫磺改性瀝青 的馬歇爾性能基本上沒有什么改變。幾乎和原瀝青沒有多大區(qū)別。隨 硫磺添加量大于26%重量時(shí)，其硫磺改性瀝青的馬歇爾穩(wěn)定性、密 度和硬度逐漸提高。馬歇爾流動(dòng)性改變不大。硫磺改性瀝青在整個(gè)作業(yè)溫度范圍（85-149攝氏度）內(nèi)典型的 馬歇爾穩(wěn)定性的變化。單獨(dú)瀝青下的曲線與20%硫磺重量含量（15% 體積含量）的曲線基本相同。這些物料在149攝氏度左右混合并在 85攝氏度被軋實(shí)。硫磺重量含量在40到52% （25-35%體積含量） 之間，僅有兩組份的硫磺和瀝青混合物對軋實(shí)溫度開始稍微有點(diǎn)敏感。

12、當(dāng)硫磺重量含量超過52% （35%體積含量）時(shí)，僅兩組份的硫磺改 性瀝青對軋實(shí)溫度低于115攝氏度就比較敏感了。在低溫（低于115 攝氏度）軋實(shí)時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定性急劇下降。（115攝氏度是硫磺的凝 固點(diǎn)）。軋實(shí)溫度對這些物料孔隙度的影響與對穩(wěn)定性的影響非常類 似。這些表明對僅硫磺和瀝青兩組份的改性物料而言，硫磺的替代量 在26%到52%重量之間比較合適。另外，這些數(shù)據(jù)還表明26%硫磺 重量含量的硫磺改性瀝青作為傳統(tǒng)瀝青粘結(jié)劑使用在各方面性能上 與原瀝青相比沒有多大區(qū)別。新研制的硫磺改性瀝青配方可在滿足瀝 青公路性能的基礎(chǔ)上大大提高硫磺的含量，其潛力可達(dá)60%以上。 硫磺的添加在總體上降低了原瀝青

13、的粘度。這使硫磺改性瀝青的施工 性能比原瀝青有很大的改善。硫磺改性瀝青不僅給施工設(shè)計(jì)者在改變?yōu)r青粘度和混合物道路 硬度上提供很大方便同時(shí)也改善了公路的質(zhì)量。SHRP試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是以 公路性能為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)工程師們基于最終的公路性能來選擇 瀝青混凝土物料。設(shè)計(jì)中用了許多測試指標(biāo)，如永久變形（車轍）， 疲勞開裂，低溫開裂，侵水敏感性等。用正確配方加工的硫磺改性瀝 青在這些指標(biāo)上都要超越于普通瀝青。由于硫磺和普通瀝青的比重是不同的。在已知最佳普通瀝青混凝 土中瀝青含量的情況下，為了計(jì)算在硫磺改性瀝青混凝土中硫磺改性 瀝青的含量，可用下列公式：Sa=10000AR / （10000R - 100Ps

14、（R - 1） + APs（R - 1）Sa -硫磺改性瀝青混凝土中等量硫磺改性瀝青的重量百分?jǐn)?shù)A一在傳統(tǒng)普通瀝青混凝土中瀝青的重量含量R一硫磺替代比Ps 硫磺改性瀝青中硫磺重量百分?jǐn)?shù)。如果以等體積硫磺來代替等體積的瀝青，那么硫磺替代比為R= Gs/Ga. （Gs 混合溫度下硫磺液體比重（1.8）, Ga混合溫度下瀝青 液體比重（1.03）。因此，理論上說R=1.75。但是，根據(jù)北美以往 硫磺改性瀝青的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)，硫磺替代比可低到1.4也是可行的。這樣 在硫磺改性瀝青混凝土中硫磺改性瀝青的實(shí)際含量比等體積理論上 計(jì)算的含量可稍低些?，F(xiàn)在施工中通常認(rèn)為采用R = 1.5是可以的。 采用R=1.75

15、為上限。以傳統(tǒng)普通瀝青混凝土中瀝青重量百分含量為A=6為例，用等 體積硫磺替代比R=1.75，硫磺在硫磺改性瀝青中的重量百分?jǐn)?shù)為 Ps = 30，計(jì)算得到的硫磺改性瀝青混凝土中等量硫磺改性瀝青重量百 分?jǐn)?shù)為6.8 （4.7%瀝青和2.04%硫磺）.在普通瀝青混凝土中瀝青含量6%時(shí)計(jì)算得到的硫磺改性瀝青混 凝土中硫磺改性瀝青的等量重量百分含量。三 硫磺改性瀝青代替工業(yè)瀝青的經(jīng)濟(jì)效益及在中國的市場潛 力在普通瀝青混凝土中瀝青含量為6%時(shí)，設(shè)計(jì)硫磺改性瀝青混凝 土?xí)r要求的等量硫磺改性瀝青對應(yīng)的價(jià)格。表中的價(jià)格計(jì)算是在假定 普通瀝青價(jià)格為3000元/噸，特殊硫磺添加劑價(jià)格為1000元/噸，采 用硫磺替

16、代比R=1.5和1.75條件下得到的數(shù)據(jù)。從表4可知，如果應(yīng)用40%硫磺重量含量的改性瀝青，在硫磺替代比為1.5條件下與普通瀝青相比采用硫磺改性瀝青不但可以節(jié)約485元/噸，而且用 它建筑的公路質(zhì)量也同時(shí)得到大大改善。普通瀝青混凝土中瀝青含量為6%時(shí)，普通瀝青價(jià)格為2800元， 特殊硫磺添加劑價(jià)格為1700元/噸，設(shè)計(jì)硫磺改性瀝青混凝土?xí)r要求 的等量硫磺改性瀝青對應(yīng)的價(jià)格。在硫磺替代比為1.5時(shí)應(yīng)用40% 硫磺添加劑重量含量的改性瀝青仍然可為鋪路者節(jié)約過100元/噸。 在硫磺替代比為1.7時(shí)應(yīng)用40%硫磺添加劑重量含量的改性瀝青仍 略低于普通瀝青的價(jià)格。但是公路的質(zhì)量得到了大大的提高。最新研究

17、結(jié)果表明，使用新的硫磺改性瀝青工藝配方在保證和改 善公路質(zhì)量的前提下，硫磺重量含量可達(dá)到60%以上。因此使用新 的工藝配方以60%硫磺含量為例與普通瀝青相比，使用硫磺改性瀝 青可節(jié)約的更多。最新研制的特殊硫磺添加劑產(chǎn)品是一種粒度均勻分 布的顆粒狀產(chǎn)品。它是將各種添加劑和穩(wěn)定劑加入硫磺液體中然后進(jìn) 行造粒而制成。其產(chǎn)品顆粒的直徑為3-4毫米。非常易于儲(chǔ)存和運(yùn) 輸。將它加入普通瀝青混凝土中它即刻熔化非常易與普通瀝青混凝土 混合成均勻穩(wěn)定的硫磺改性瀝青混凝土。它與以往普通硫磺添加劑相 比最大的不同是，當(dāng)它加入普通瀝青后可以非常容易地與瀝青混為一 體形成非常均勻穩(wěn)定的混合物。固化后的混凝土強(qiáng)度較普通的

18、硫磺瀝 青混凝土要大的多。因此，用它建設(shè)的公路各方面性能都優(yōu)于過去的 普通硫磺瀝青。中國日前的瀝青市場應(yīng)該說是供不應(yīng)求，每年需耗大量資金進(jìn)口 昂貴的普通瀝青和重交瀝青。自1995年，中國已建設(shè)新公路超過15 萬公里，包括需高質(zhì)量瀝青的6800公里高速公路。在這期間每年高 速公路建設(shè)的增長速度為50%。根據(jù)中國國家干線公路系統(tǒng)規(guī)劃， 到2005年中國公路總長度已達(dá)到160萬公里，包括25000公里高速 公路。到2010年中國公路總長將達(dá)到180萬公里，其中高速公路為 40000公里。這將需要大量的高質(zhì)量瀝青。2001年中國瀝青用量為 530萬噸。2005年僅重交瀝青的用量就有約為850萬噸。2008年瀝 青用量已過1300萬噸。2010年的