1、硫磺沥青20 世纪初，人们就发现在沥青混合料中加入硫磺能够改善混合料的物理结构和力学性能。20 世纪 80 年代早期，美国洛克邦得公司通过在硫磺中添加一种烟雾抑制剂研制成功 SEAM 颗粒。SEAM 在 150以下不产生 H2S 和 SO2，硫蒸汽的浓度也很低，对环境污染比其它改性剂要少许多。和其它常规沥青相比，使用 SEAM 改性沥青混合料的路面几乎看不到泛油现象。强度、耐久性和抗车辙性能明显提高，道路的使用寿命延长。对于一些由较差的石料组成的沥青混凝土， 适量添加 SEAM 则对其有明显的补强作用。SEAM（SulphurExtended Asphalt Modifierde）即硫磺强化改
2、性剂，是在硫磺里面添加了烟雾抑制剂和增塑剂等成分制成的半球状黑褐色固体颗粒。单质硫的熔点只有 115，在沥青混凝土拌和的高温过程中易产生硫蒸汽、二氧化硫、硫化氢等刺鼻的有害气体和烟雾。因此，直接加入硫副作用太大，而 SEAM 是在硫磺里添加烟雾抑制剂和增塑剂成分。经试验该改性剂在 150以下不产生有害气体，增塑剂则提高了硫的质量及硫磺改性的强度和耐久性。硫与沥青有很好的相容性，与集料也有很好的粘结性。在适当的温度和骨科的剪切下，SEAM 可迅速融化，并以非常细的液滴均匀地分散在沥青和沥青混合料中。与沥青中部分呈化学结合。硫在沥青中的溶解、分散，可以使粘稠的沥青变稀，最终形成结晶，达到改性的效果
3、。添加硫磺的胶结料拌和出的沥青混合料使结构增强。通过试验，发现加入 SEAM 沥青改性剂后，改性沥青的耐高温性能和低温性能都得到了改善 1，提高了混合料的抗水损害能力。一、相容性SEAM 改性剂微粒在沥青中的形态和溶胀程度主要取决于 SEAM 改性剂和沥青的相容性。根据高聚物共混的有关理论，极性相近、溶度参数相近、表面张力相近、分子量相近和粘度相近的两相物质能够实现良好共混 【2】 。由于 SEAM 改性剂和沥青在分子量、粘度和表面张力等方面相差悬殊，因此不能通过渗透、扩散等作用在分子级上达到均匀共混。依据表面最小能量原理，沥青中的改性剂微粒将自发地倾向于收缩成球形。试验研究证明, SEAM
4、改性剂-沥青为部分相容体系。首先,改性剂微粒能吸收沥青中的饱和分和芳香分(可统称油分)而溶胀。改性剂和沥青混合后, 由于二者在表面张力、粘度和分子量等方面相差悬殊,所以改性剂不可能完全溶胀并扩散于沥青中,与沥青成为一相而实现共混或互溶, 它只能以粒子态弥散于沥青中。而 SEAM 改性剂的溶胀与时间、 温度、 沥青和 SEAM 改性剂的性质密切相关。温度升高时可以加速 SEAM 改性剂分子的振动和松弛,同时也加快了沥青中的分子运动速度更有利于油分进入到改性剂与沥青形成的网络中, 但是温度过高会加速沥青的老化。SEAM 改性剂对沥青中部分油分的吸收和吸附作用还受到沥青胶体结构的影响。因为沥青本身也
5、是一种胶体平衡结构,而改性剂的加入并且对沥青组分的吸收必然会破坏沥青胶体体系的平衡。随着这部分组分的减少, 沥青各组分的平衡将发生移动, 直到形成新的平衡体系, 其中包括新的沥青胶体结构的平衡和改性剂的溶胀平衡。二、化学反应机理SEAM 沥青改性剂中 S 可与沥青发生交联反应, 可以设想硫与沥青的反应属于非均相反应,在沥青中硫以颗粒状存在并随着反应的进行,硫磺颗粒开始逐渐变小。借助试验工具的帮助,可以作出:1） 硫与沥青的反应，首先是夺取沥青分子中芳环碳上或侧链碳原子上的氢反应生产 H2S,试验中有臭鸡蛋气味将证明这一点。2） 产生的 H2S 与 O2、沥青以及氧与沥青反应产生的 CO、CO
6、2发生反应生成 COS，继而有部分 H2S 和 COS 反应生成 CS2，公式为：H2S+O2+C(沥青)-COS+H 2O+（沥青）H2S+CO-COS+H2H2S+CO2-COS+H2OH2S+COS-CS2+H2O。3） 另外，有部分硫与氧及沥青三者反应生成 CS2 和 COS：2S+O2+2C（沥青）-H 2O+2COS+(沥青)2S+C(沥青)-CS 2+(沥青)。硫在不熔化过程中与沥青发生化学反应，一部分以固相含硫官能团，如硫醇、硫醚、亚砜、砜等形式存在沥青中，同时生成 H2S、COS、CS 2等气体产物逸出，这些反应促进了沥青分子的交联作用，提高了沥青的软化点，促进了沥青的不熔化
7、。4) 硫参与沥青中的交联反应生成含硫的有机基团,改变了沥青的组成和性质,从而使沥青的性能发生变化。交联硫的存在显著的改善了沥青的机能,有文献研究证明硫与沥青的反应属于自由基取代反应 【3】 。这些反应改变了沥青的组成与性质，改善了沥青的塑性、延展性和亲水性。有研究证明，硫与沥青反应首先发生在侧链 碳原子位置上，随反应温度高也夺取 和 侧链原子上的氢。硫与沥青反应使沥青中胶质含量下降，沥青质增加，重均与数均分子量增加，反应符合自由基取代反应历程 【3】 。SAEM 与沥青的化学作用研究发现沥青可溶入高达 18%的硫磺，硫会与沥青通过化学作用结合为一体，并均匀地分散于沥青中，且可以适当降低沥青粘
8、度。额外添加的硫颗粒分散在沥青当中并形成结晶体，发挥改性效果，加强混合料的结构。壳牌 SAEM 中的增强剂能进一步增强硫结晶体的结构，从而提高混合料的耐用性。壳牌生产的 SEAM 在沥青混合料中克替代 30的沥青原料，并同时提升混合料的强度和抗车辙能力。其物理性质如下表。加拿大壳牌公司生产的 SEAM 的物理性质如下表物理指标项目 技术性能 物理指标项目 技术性能密度(gcm 3) 1.99 硫磺含量 99.7熔化点 115 灰分含量 0.032燃点 250 毒性 无沸点 445 外观 烟灰黑色固体颗粒溶解性 不溶于水 比重 60（15）最小比重 1.8大小 不超过 0.5mm含抗紫外线保护剂
9、，呈灰色或黑色增塑剂最小含量：2.5三、SEAM 的改性原理硫磺是沥青的减阻剂，可使沥青的粘度降低，易拌和，易碾压密实，同时具有很高的抗酸性。硫磺为石油提取物，与沥青有很好的相容性，与集料有很好的粘结性能。通过简单的机械拌和，在骨料的剪切作用下硫磺就能以非常细的颗粒均匀地分散到沥青混合料里，部分产生化学变化形成结晶，分散的硫和形成的结晶在混合料里呈固态存在，所以能使沥青软化点提高，使结构增强，硫磺微滴分散在沥青中越均匀改性效果越好。硫磺与集料又有很好的粘附性，所以抗水损害的能力增强，拌和后就形成了一种性能很好的改性沥青混合料。有研究表明，硫磺改性沥青混合料具有以下诸多优点：能提高含蜡沥青的质量
10、，能有效改善沥青混合料的各种性能，尤其能显著提高沥青混合料的高温稳定性。与其他改性技术相比，具有很好的经济性。四、硫磺沥青技术面临的问题及对策 ( 1 ) 国内技术储备不足，应用效果不理想。硫磺沥青技术源于国外，其硫磺颗粒添加剂及相关施工技术均来源于国外，国内对该技术的研究较少，已有应用中多因技术经验不足以致产生施工质量问题，影响了硫磺沥青路面技术的发展应用。 ( 2 ) 路面颜色较暗淡，影响感官效果。由于硫磺改性沥青路面颜色黯淡， 黑色对比度不强，影响了使用过程中的感官效果。因此，建议将硫磺沥青应用于抗车辙要求比较高的中、下面层，可显著降低道路工程造价。 ( 3 ) 施工过程中产生刺激性气体
11、。壳牌公司等对硫磺沥青施工过程中产生的气体进行了全套检测，结果表明，在通风良好的条件下硫磺沥青刺激性气体产生的危害不明显，未超过国外的健康标准。因此，在硫磺沥青施工过程中，应完善个人防护及有害气体检查，同时将施工温度控制在较低水平。另外，由于硫磺改性沥青施工过程降低了施工温度，其产生的刺激气体多为无机结合物、对人体的危害较高温施工条件下沥青聚合物类材料产生的苯、醛等低。SEAM 具有以下几个特点 【4】 ：( 1 )节省沥青。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 1640，节约宝贵的沥青资源，降低沥青混合料的成本。 ( 2 )存储和运输
12、方便。SEAM 的物理特性使得其可以运到较远的地方并且长时间存储。 ( 3 )降低沥青的粘度，节约能源。 SEAM 改性沥青混合料的拌和及碾压温度均比一般混凝土低 20左右，这样在拌和等量的沥青混合料时可以在一定程度上节省能源，从而提高效益。 ( 4 )性能优良。SEAM 改性沥青混合料具有很大的强度和优良的抗高温车辙性能，能够适应重载交通和特殊道路的应用，如公交车道、卡车爬坡公路、机场和集装箱集散地等，同时能够为全厚式沥青路面、长寿命永久路面提供好的材料选择。 （5）硫磺使沥青混凝土结构增强。在 70以下硫磺是固体，随着时间的增长与沥青部分化学结合形成结晶，从而使结构增强，稳定度提高。尤其改善高温稳定性比较明显，而且不会产生泛油现象。（6）其低温性能也得到改善，很少产生裂缝。 参考文献【1】 岳贞菊，杨锡武，赖增成。SEAM 改性沥青的化学改性机理分析。【2】 赵素合，张丽叶，毛立新。聚合物加工工程【M】 。北京：中国轻工业出版社，2001.【3】 金鸣林, 杨俊和, 史美仁, 等. 道路沥青的硫化反应 J . 煤炭转化,2001.【4】 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。石油学报（石油加工） ，2005.
