硫磺沥青混凝土

1、硫磺改性沥青加工应用技术及在中国的应用前景一.综述传统的硫磺改性沥青是以普通硫磺为改性剂加入普通沥青而制 成。硫磺改性沥青的研究试验和工业应用已有几十年的历史。尤其是 在70年代中期到80年代初期，硫磺改性沥青的研制及工业道路试验 和铺设在北美和中东地区达到高潮。其主要原因一方面是经济杠杆的 作用。当时，硫磺价格低迷，约US$40/吨。而工业沥青价格很高， 约US$100 150/吨。用40 50%的硫磺替代道路沥青其经济效益是 显而易见的。另一个重要的原因是硫磺改性沥青提高了公路的强度和 稳定性，从而大大地改善了沥青公路路面的抗车辙和抗疲劳开裂性能。 但是，由于80年代初硫磺价格急增，使高潮

2、中的硫磺改性沥青工业 试验和应用渐渐停滞下来。自90年代初硫磺价格再次趋于低迷且不 断降低，而工业沥青价格则不断增高。到2000年，硫磺价格降至约 US$30/吨，而工业沥青价格增至约US$170/吨。在中国日前硫磺的 价格约为人民币500-600元/吨，而工业普通沥青价格约为人民币 2500-3000元/吨。根据国际硫磺权威机构和美国硫研究院调查统计， 由于日前世界上大量硫磺的积累和今后每年从石油和天然气中回收 的硫磺产量的不断增加，世界上硫磺供大于求的趋势在将来近二三十 年内不会改变。因此，今后硫磺的价格将处于低迷，至少不会有大的 增加趋势。因此，硫磺改性沥青的研究和工业试验及应用将再次掀

3、起 高潮。数条硫磺改性沥青公路正在和将要在美国和加拿大铺设。将硫磺应用于沥青公路中可通过两种加工应用方式来实现。一种 加工应用方式是将特殊加工好的硫磺添加剂颗粒直接加入普通沥青 或沥青混凝土中经搅拌混合均匀后即得到硫磺改性沥青混凝土。另一 种应用方式是将硫磺、普通沥青和其它多种添加剂通过特殊加工生产 出一种新型的颗粒状硫磺改性沥青产品。这种固体硫磺改性沥青颗粒 可以全部代替普通沥青或重交沥青。第一种应用方式相对来说简单易行。关键的一步是要生产出一种 专用的硫磺添加剂。这种特殊的硫磺添加剂不仅要具有很好的储运物 理性质而且更重要的是要具有易于混合均匀和改善普通沥青性能的 特性。在70年代中期至8

4、0年代初期硫磺改性沥青的工业实践中，是 将普通液态或固态硫磺直接加入普通沥青或沥青混凝土中经混合均 匀后而被应用。这种原始应用的最大缺点是难以得到混合均匀质量稳 定的硫磺改性沥青。当硫磺含量超过40 wt %时这种弊端尤其突出。实践告诉我们，大约15%的硫磺可以溶入普通沥青中。当硫磺加入 量超量后，多余的硫磺将呈游离状以连续或断续填料状态分布在沥青 中。随硫磺加入量的不断增加，沥青中分布的硫磺会因混合不当而游 离与沥青分离。当硫磺含量大于40 wt %时，这种现象便显而易见。 这样硫磺不但不能起到改性的作用反而会恶化沥青公路的质量。20 世纪70年代和80年代用硫磺改性沥青铺设的公路优劣不均，

5、其中有 些公路质量大大优于作为比较用的普通沥青公路。而有些公路由于缺 乏质量控制而并非表现出它的优越性，有些甚至不理想。硫磺沥青的 混合质量在此起到至关重要的作用。随着科学应用技术的提高及硫磺 改性沥青的科学研究的进步，最新一项研究成果表明，使用一种特殊 加工的硫磺添加剂不仅可以大大提高硫磺改性沥青的质量而且可以 打破硫磺改性沥青中硫磺含量的最高“限区”40%。硫磺在硫磺改性 沥青中的含量可高至60%以上。第二种应用方式是将硫磺改性沥青通过造粒加工成便于储运的 固体颗粒产品。这种固体颗粒产品可以通过各种普通运输车辆送到沥 青石料混凝土准备厂或工地与预先加热好的石料混合均匀后即可用 于铺路。这种

6、固体颗粒沥青的应用将打破传统的混凝土准备工艺，摆 脱沥青罐车运输方式。这不仅降低了沥青混凝土的原料成本而且会降 低整个铺路工程的原料储运生产成本。这种应用方式的关键是实现硫 磺改性沥青固体颗粒化的生产加工工艺。将液态沥青固化为便于运输 的颗粒状物料是道路沥青工作者多年的宿愿。实践已证明，仅仅将沥 青和硫磺混合是无法通过造粒生产出我们所需要的固体颗粒产品的。必须寻找其它添加剂和稳定剂以产生混合均匀稳定的混合粘结剂。这 种混合物料不仅要满足沥青公路性能质量的要求而且在性能上还要 满足造粒的要求。加入少量高分子聚合物和其它稳定剂不仅在硫磺和 沥青的混合中起到搭桥和稳定作用而且可以进一步改善硫磺改性沥

7、 青的公路性能。同时，在改善物料的造粒性能上也起到重要作用。将高分子聚合物加入普通沥青可以改善和提高普通沥青的公路 性能。这些性能优良的高分子聚合物改性沥青技术和产品已大量地用 于中国高级公路的建设中。但是，这些高分子聚合物改性沥青不仅价 格昂贵，而且不能摆脱传统的加热罐车运输方式。其主要原因在于它 们受到本身物理性质的限制不能被加工成便于储运的固体颗粒产品。 硫磺改性沥青可以在许多情况下取代价格昂贵的高分子聚合物改性 沥青。日前的硫磺改性沥青加工技术的主要指导思想在于生产的改性 沥青产品不仅要比普通沥青的价格低而且其性能要比普通沥青优越， 不仅可以代替普通沥青而且可以代替重交沥青。在许多场合

8、下还可以 代替高分子聚合物改性沥青。如果将硫磺改性沥青加工成固体颗粒产 品，不仅可以降低原料本身的成本而且还可以降低用此产品来铺路的 铺路成本。以往大量硫磺改性沥青公路的工业实践证明，硫磺改性沥 青的抗车辙性能大大优越于普通沥青。抗低温开裂性能也好于普通沥 青。在工业技术不断进步的今天，在总结以往工业经验的基础上，新 研制的硫磺改性沥青产品在各方面性能上都优于以往的硫磺改性沥 青。二.硫磺改性沥青加工设计为了简化设计，在此假定硫磺改性沥青仅含硫磺和沥青两个组份（暂不考虑其它添加剂的含量）。因此，在此前提下硫磺和沥青含量 之和为100%。在硫磺改性沥青混合设计前，我们应当首先来了解一 下硫磺、沥

9、青及其混合物的一般特性。硫磺可溶于沥青的量与沥青的 品种和来源有关。一般来说，在混合温度下硫磺在沥青中的可溶度约 为15-20%。在混合物固化后，多余未溶的硫磺会以超细微粒分布 在沥青中。在显微镜下观察可以看到这些微粒在沥青中构成连续和不 连续的结构体。硫磺在硫磺改性沥青混合物中的作用有两个，一是作 为粘结剂，二是作为结构体。在常温常压下，硫磺是一种无味的黄色固体。而沥青是一种黑色 粘稠弹性固体。表1列出黑硫磺添加剂、普通沥青和它们的混合物在 不同温度下的比重数据。从这些数据可以看出，常温下固体硫磺的比 重是沥青的两倍，因此它的体积只有等体积沥青的一半。当它们混合 在一起后，随着硫磺含量的增加

10、，混合物的比重随之增大。黑硫磺添加剂、沥青和这些混合物在混合温度范围内温度和粘度 的关系。试验中沥青是用的AR2000沥青。入图所示，在115和155 oC 之间，与沥青比较硫磺的粘度很低。硫磺的凝固点为114 oC。当温 度超过158 oC左右，硫磺粘度突然增高。这是由于硫磺分子在高温 下发生聚合的原因。当硫磺混于沥青中，硫磺可以降低沥青混合物的 粘度。在硫磺重量含量为26% （体积含量为15% ）情况下，硫磺沥 青混合物的粘度最低。随硫磺含量的进一步增加，混合物的粘度也随 之稍有增加，但比纯沥青的粘度还是要低得多。硫磺改性沥青在不同硫磺/沥青混合比下做的马歇尔混凝土强度 试验结果。所用的沥

11、青牌号是AR2000。试验所用的石料为火山岩类 石料。当沥青中添加26%重量的硫磺，与原沥青相比硫磺改性沥青 的马歇尔性能基本上没有什么改变。几乎和原沥青没有多大区别。随 硫磺添加量大于26%重量时，其硫磺改性沥青的马歇尔稳定性、密 度和硬度逐渐提高。马歇尔流动性改变不大。硫磺改性沥青在整个作业温度范围（85-149摄氏度）内典型的 马歇尔稳定性的变化。单独沥青下的曲线与20%硫磺重量含量（15% 体积含量）的曲线基本相同。这些物料在149摄氏度左右混合并在 85摄氏度被轧实。硫磺重量含量在40到52% （25-35%体积含量） 之间，仅有两组份的硫磺和沥青混合物对轧实温度开始稍微有点敏感。

12、当硫磺重量含量超过52% （35%体积含量）时，仅两组份的硫磺改 性沥青对轧实温度低于115摄氏度就比较敏感了。在低温（低于115 摄氏度）轧实时，马歇尔稳定性急剧下降。（115摄氏度是硫磺的凝 固点）。轧实温度对这些物料孔隙度的影响与对稳定性的影响非常类 似。这些表明对仅硫磺和沥青两组份的改性物料而言，硫磺的替代量 在26%到52%重量之间比较合适。另外，这些数据还表明26%硫磺 重量含量的硫磺改性沥青作为传统沥青粘结剂使用在各方面性能上 与原沥青相比没有多大区别。新研制的硫磺改性沥青配方可在满足沥 青公路性能的基础上大大提高硫磺的含量，其潜力可达60%以上。 硫磺的添加在总体上降低了原沥青

13、的粘度。这使硫磺改性沥青的施工 性能比原沥青有很大的改善。硫磺改性沥青不仅给施工设计者在改变沥青粘度和混合物道路 硬度上提供很大方便同时也改善了公路的质量。SHRP试验标准是以 公路性能为基础来设计的，设计工程师们基于最终的公路性能来选择 沥青混凝土物料。设计中用了许多测试指标，如永久变形（车辙）， 疲劳开裂，低温开裂，侵水敏感性等。用正确配方加工的硫磺改性沥 青在这些指标上都要超越于普通沥青。由于硫磺和普通沥青的比重是不同的。在已知最佳普通沥青混凝 土中沥青含量的情况下，为了计算在硫磺改性沥青混凝土中硫磺改性 沥青的含量，可用下列公式：Sa=10000AR / （10000R - 100Ps

14、（R - 1） + APs（R - 1）Sa -硫磺改性沥青混凝土中等量硫磺改性沥青的重量百分数A一在传统普通沥青混凝土中沥青的重量含量R一硫磺替代比Ps 硫磺改性沥青中硫磺重量百分数。如果以等体积硫磺来代替等体积的沥青，那么硫磺替代比为R= Gs/Ga. （Gs 混合温度下硫磺液体比重（1.8）, Ga混合温度下沥青 液体比重（1.03）。因此，理论上说R=1.75。但是，根据北美以往 硫磺改性沥青的工业经验，硫磺替代比可低到1.4也是可行的。这样 在硫磺改性沥青混凝土中硫磺改性沥青的实际含量比等体积理论上 计算的含量可稍低些。现在施工中通常认为采用R = 1.5是可以的。 采用R=1.75

15、为上限。以传统普通沥青混凝土中沥青重量百分含量为A=6为例，用等 体积硫磺替代比R=1.75，硫磺在硫磺改性沥青中的重量百分数为 Ps = 30，计算得到的硫磺改性沥青混凝土中等量硫磺改性沥青重量百 分数为6.8 （4.7%沥青和2.04%硫磺）.在普通沥青混凝土中沥青含量6%时计算得到的硫磺改性沥青混 凝土中硫磺改性沥青的等量重量百分含量。三 硫磺改性沥青代替工业沥青的经济效益及在中国的市场潜 力在普通沥青混凝土中沥青含量为6%时，设计硫磺改性沥青混凝 土时要求的等量硫磺改性沥青对应的价格。表中的价格计算是在假定 普通沥青价格为3000元/吨，特殊硫磺添加剂价格为1000元/吨，采 用硫磺替

16、代比R=1.5和1.75条件下得到的数据。从表4可知，如果应用40%硫磺重量含量的改性沥青，在硫磺替代比为1.5条件下与普通沥青相比采用硫磺改性沥青不但可以节约485元/吨，而且用 它建筑的公路质量也同时得到大大改善。普通沥青混凝土中沥青含量为6%时，普通沥青价格为2800元， 特殊硫磺添加剂价格为1700元/吨，设计硫磺改性沥青混凝土时要求 的等量硫磺改性沥青对应的价格。在硫磺替代比为1.5时应用40% 硫磺添加剂重量含量的改性沥青仍然可为铺路者节约过100元/吨。 在硫磺替代比为1.7时应用40%硫磺添加剂重量含量的改性沥青仍 略低于普通沥青的价格。但是公路的质量得到了大大的提高。最新研究

17、结果表明，使用新的硫磺改性沥青工艺配方在保证和改 善公路质量的前提下，硫磺重量含量可达到60%以上。因此使用新 的工艺配方以60%硫磺含量为例与普通沥青相比，使用硫磺改性沥 青可节约的更多。最新研制的特殊硫磺添加剂产品是一种粒度均匀分 布的颗粒状产品。它是将各种添加剂和稳定剂加入硫磺液体中然后进 行造粒而制成。其产品颗粒的直径为3-4毫米。非常易于储存和运 输。将它加入普通沥青混凝土中它即刻熔化非常易与普通沥青混凝土 混合成均匀稳定的硫磺改性沥青混凝土。它与以往普通硫磺添加剂相 比最大的不同是，当它加入普通沥青后可以非常容易地与沥青混为一 体形成非常均匀稳定的混合物。固化后的混凝土强度较普通的

18、硫磺沥 青混凝土要大的多。因此，用它建设的公路各方面性能都优于过去的 普通硫磺沥青。中国日前的沥青市场应该说是供不应求，每年需耗大量资金进口 昂贵的普通沥青和重交沥青。自1995年，中国已建设新公路超过15 万公里，包括需高质量沥青的6800公里高速公路。在这期间每年高 速公路建设的增长速度为50%。根据中国国家干线公路系统规划， 到2005年中国公路总长度已达到160万公里，包括25000公里高速 公路。到2010年中国公路总长将达到180万公里，其中高速公路为 40000公里。这将需要大量的高质量沥青。2001年中国沥青用量为 530万吨。2005年仅重交沥青的用量就有约为850万吨。2008年沥 青用量已过1300万吨。2010年的