李國(guó)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(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化學(xué)工程學(xué)院，山東青島266580）

化工經(jīng)濟(jì)

硫磺瀝青在新疆公路中的可行性應(yīng)用研究*

李國(guó)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(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jì)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(jì)，公路交通是社會(huì)發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要基礎(chǔ)支撐，同時(shí)，公路交通也是新疆實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容。近年來(lái)，隨著西部大開(kāi)發(fā)和援疆政策的不斷深入，新疆的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，交通量迅猛增加，車(chē)輛超載現(xiàn)象日益嚴(yán)重，從而加劇了瀝青路面的破壞[1]；同時(shí)，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(guò)在瀝青中添加改性劑來(lái)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(duì)于仍處于經(jīng)濟(jì)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(xì)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(huì)放出大量對(duì)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(shí)驗(yàn)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(huì)明確提出：以打造面向國(guó)內(nèi)、面向周邊國(guó)家的交通大通道為重點(diǎn)，加快疆內(nèi)國(guó)家高速公路網(wǎng)和國(guó)省干線(xiàn)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(yùn)輸體系。力爭(zhēng)用五至十年，把新疆由國(guó)家交通網(wǎng)絡(luò)末端，建成中國(guó)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(tuán)），建設(shè)總里程7.6萬(wàn)km。到2015年年底，全區(qū)高速公路將達(dá)5000km，高等級(jí)公路（一、二級(jí)）超過(guò)1.5萬(wàn)km，農(nóng)村公路達(dá)11萬(wàn)km，基本實(shí)現(xiàn)連接14個(gè)地州市及兵團(tuán)師部的公路高速化，各縣市和團(tuán)場(chǎng)通二級(jí)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(guó)家級(jí)公路運(yùn)輸樞紐,“十二五”末新疆交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展情況見(jiàn)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(chē)載負(fù)荷量日益增大，從而對(duì)瀝青路面的要求也越來(lái)越高。同時(shí)，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(duì)新疆的交通特征和氣候特征，研究開(kāi)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(jì)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(guó)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(jìn)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(dá)到50×104t·a-1。未來(lái)十年，新疆的硫磺都會(huì)處于供大于求的局面,銷(xiāo)售市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,價(jià)格非常低廉。2015、2016兩年1～6月新疆硫磺價(jià)格走勢(shì)圖見(jiàn)圖1。

2013年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)新疆重點(diǎn)推進(jìn)13個(gè)煤化工項(xiàng)目，總投資2000億。包括8個(gè)煤制天然氣、4個(gè)煤制烯烴和1個(gè)煤制油項(xiàng)目，見(jiàn)表2。

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

表2 新疆煤化工項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)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(dú)山子經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)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(guò)程中會(huì)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(chǎng)行情不是很好，銷(xiāo)路不能令人滿(mǎn)意。因此，將硫磺作為瀝青改性劑對(duì)于新疆地區(qū)來(lái)說(shuō)具有非常重要的社會(huì)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(cè)試

實(shí)驗(yàn)過(guò)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(cè)試改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度性能，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3110 號(hào)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)得到的改性硫磺顆粒的針入度、軟化點(diǎn)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(diǎn)和15℃延度分別為100dmm至120dmm、不小于42℃（B級(jí)）、不小于60cm；說(shuō)明在瀝青中加入本實(shí)驗(yàn)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(mǎn)足路面鋪設(shè)指標(biāo)要求。

3.2 硫磺改性瀝青H2S釋放量測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中采用亞甲基藍(lán)分光光度法測(cè)定硫橫瀝青改性劑與瀝青混合加熱過(guò)程中產(chǎn)生的H2S氣體，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 改性前后H2S釋放量的測(cè)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(shí)驗(yàn)中制備的改性硫磺顆粒與瀝青共混時(shí)H2S釋放量較純硫磺與瀝青共混時(shí)H2S釋放量有所降低，說(shuō)明本試驗(yàn)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(cè)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(yàn)規(guī)程》分別進(jìn)行高溫車(chē)轍試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5、6。

表5 車(chē)轍試驗(yàn)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(chē)轍能力得到明顯提高。

表6 凍融劈裂試驗(yàn)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(qiáng)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(tuán)，促進(jìn)了瀝青分子的交聯(lián)作用，增強(qiáng)了瀝青的極性，使得瀝青的軟化點(diǎn)提高，從而改善了抗車(chē)轍能力和水穩(wěn)定性[8-10]。

5 硫磺改性瀝青的經(jīng)濟(jì)效益預(yù)算

目前，新疆地區(qū)的硫磺價(jià)格基本上維持在每噸500元人民幣左右，相當(dāng)于瀝青價(jià)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(yàn)路路面寬為5m為例，使用4cm厚的SEAM瀝青混凝土作面層，同時(shí)與普通瀝青混凝土面層的進(jìn)行比較，估算每1km路段的路面建設(shè)費(fèi)用。結(jié)果見(jiàn)表7。

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

硫磺參考售價(jià)：500元·t-1（奎屯錦江化工公司）

SEAM的參考售價(jià)：800元·t-1

瀝青參考售價(jià)：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(jià)格降低了：1577400元-1108600元=468800元

預(yù)算結(jié)果表明：對(duì)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(wàn)元。

SEAM加入瀝青混合料中既是一種瀝青改性劑,同時(shí)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(jià)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(duì)于正處在經(jīng)濟(jì)發(fā)展時(shí)期的新疆地區(qū)具有很好的經(jīng)濟(jì)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(kāi)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(jià)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(mǎn)足瀝青路面的鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，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(chē)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(shí)又是一種很好的瀝青替代物。對(duì)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(wàn)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(jì),2013,15（3）:4-6.

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［4］崔劉記,馮立群.新疆地區(qū)新型硫磺改性瀝青技術(shù)可行性分析［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2014,16（5）:70-73.

［5］魯正蘭，孫立軍，周朝暉.高性能SEAM改性瀝青混合料設(shè)計(jì)及其性能［J］.石油學(xué)報(bào)（石油加工），2005,21（5）:73-78.

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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(jì)劃項(xiàng)目（201604）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51173203）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（15CX05014A）資助

李國(guó)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(guó)石油大學(xué),研究方向：石油與天然氣加工；