发布时间：2025-07-31 | 次浏览

编者按：该论文于2025年5月发表于《 IIUM Engineering Journal 》期刊。

稿件：巴格达大学工程学院土木工程系，伊拉克巴格达

通讯作者: roaa.hamed@coeng.uobaghdad.edu.iq

本文采用腾讯元宝全文翻译版，如有不妥之处，请多多包涵指正。后附期刊原文，请参阅。

摘要： 近年来，寻找经济且环保的替代品已成为实现可持续发展和保护原材料的全球性需求。基于这一理念，源自硫磺泉的天然沥青(NB)现已成为许多应用领域中最有前景的替代能源之一，特别是在沥青路面建设中。NB的特点是价格低廉且储量丰富，因为硫磺泉每年产出数千吨NB，但其应用领域却非常有限。本研究设定了两个主要目标。第一个目标是检验来自五个硫磺泉的原始NB的特性，并将其与石油沥青进行比较。第二个目标是通过应用热处理来增强NB的特性。实验结果表明，热处理在改善NB性能方面非常有效。这一点通过进行多项测试得到证实，如沥青测试、马歇尔测试、扫描电镜-能谱仪(SEM-EDX)测试和间接拉伸强度测试。根据实验结果，原始NB的特性不符合沥青规范限值，不适用于柔性道路。此外，MS-NB显著影响了沥青混合料的力学性能，其马歇尔稳定度比传统混合料提高了41.3%。另外，SS-NB在抗水损害方面更为有效，其拉伸强度比提高了5.72%，并且比传统混合料提供了高出40.36%的劲度指数。总之，处理后的NB可以成功地用作热拌沥青混合料中的结合料材料。

关键词：天然沥青，热处理，石油沥青，马歇尔，水损害。

1. 引言

道路建设对于通过创建高效、安全和耐久的交通路线来改善连通性至关重要，同时也能提高社区生活质量并促进经济增长。因此，确保铺砌道路的高性能和高质量对于最大限度地推动工业、农业和商业部门的进步至关重要。更具体地说，工业部门需要高性能道路以安全容纳大型货车。对于农业部门，道路可以更容易地进入市场以保存易腐产品并降低运输成本。对于商业部门，道路为短途货物运输提供了更快的路线，从而最大限度地降低成本并减少延误。这需要持续的道路发展努力，包括制定维护计划、扩展道路网络，以及最重要的，提高道路路面的质量以防止失效。技术和材料的不断发展支持了全球社会经济的发展，从而在道路建设中采用了创新的方法和材料[1-5]。

高粘度石油和天然沥青(NB)商业开发的全球性问题受到碳氢化合物消耗增加、石油储备结构变化、重质原油主导地位以及沥青生产和加工创新技术的影响[6],[7]。石油仍然是重要的全球资源，占能源消耗的30%以上。2019年，全球石油库存下降了0.1%，导致炼油厂石油生产的沥青结合料数量减少，因为部分原油在蒸馏过程中转化为沥青结合料。此外，委内瑞拉、沙特阿拉伯、加拿大、伊朗和伊拉克拥有最大的探明储量[8-9]。这促使道路工程师寻找替代品，因为沥青影响混合料的性能，并且其成本被认为是集料的7-8倍。高昂的成本和资源匮乏促使人们寻找工业沥青的替代品。NB存在于沥青矿床、沥青湖、沥青岩等中。它改善了路面性能并降低了热拌沥青(HMA)的价格[10]。

英国首次发现NB是在1877年的Alphalt，它成为第一个油页岩矿。然而，石油开采和提炼变得比矿山更重要，随着页岩油工业的逐步淘汰，该矿于1919年关闭。尽管NB具有众多优势，但它仍然是全球范围内鲜为人知的材料，因为它仅存在于世界特定地点，并且未经处理无法用于路面生产[11]。

NB是一种复杂的有机化合物混合物，其化学成分包括长碳氢链和强烈的极性芳香环。这使得沥青具有从固体到液体的广泛性能，鼓励研究人员研究并改进其性能，以用作铺路作业的替代品。NB是一种独特的材料，存在于特立尼达和死海。它已被用于各种应用数个世纪，包括浴池建造、防腐处理、造船和防水[12-13]。

沥青是伊拉克发现的一种天然沥青，由分解的生物体和固体形成。它是石油衍生物，是轻质元素蒸发后残留在地球表面的物质。沥青存在于受断层或裂缝影响的地质区域，导致地下水从地下流向地表。它含有高比例的盐和硫。希特(Heet)地区富含石油，这一点由沥青泉的存在得到证明[14]。

沥青是一种源自石油的非晶态固体或粘稠物质，可溶于二硫化碳。其成分包括碳(87%)、氢(11%)、氧(2%)以及微量的氮、铁和镍[15]。外观呈棕色或黑色。它是建筑材料的合适选择，因为它多孔、脆且易氧化。虽然易燃，但难以点燃[16-17]。NB是一种黑色、坚硬且脆性的材料，由高分子量碳氢化合物混合物制成，碳原子数众多，可达150个。它具有粘稠流体稠度、特殊气味且易溶解。存在两种形式：固体沥青岩和来自温暖硫磺泉的粘性物质[18]。

许多物理和化学过程已被用于处理和开发NB，以满足工业应用的要求。Shlimon等人[19]评估了库尔德斯坦地区(伊拉克北部)的油井，以确定NB的起源及其成分。此外，Farhan等人[20]通过对希特地区泉水的NB进行多项化学测试并识别其化学元素，研究了其化学性质。同样，Muttar等人[21]研究了希特三个泉水(Al-Khader、Al-Khalidiyah和Al-Shuhada)的NB和水。在该研究中，NB被干燥、与水分离，并通过加热处理以增强其性能。物理和化学性质得到了检验，并显示出改善。此外，该研究揭示了NB与传统沥青之间的化学相似性。

Al-Dulaymie等人[14]的研究调查了Abu Al-Jeer泉NB的成分。它评估了该泉水及其成分的特性。在该研究中，开发了一种排序和筛选技术来评估指定用于自然疗法的优选硫磺泉，该技术的应用展示了四个分级的、连续的优选硫磺泉用于温泉治疗投资。在Abdul-Jaleel和Najres[22]的调查中，应用氧化处理来增强Abu Al-Jeer泉生产的NB的性能。在该处理中，NB在160°C的烘箱中加热不同时间：5、10、25、35和55小时。化学测试结果表明，芳香族比例降低，而沥青质由于氧化而增加。这导致NB转变为凝胶类型。此外，粘度和延度增加，同时针入度降低，是氧化处理对NB物理性能的其他影响。

Abdul-Jaleel等人[23]研究了NB的提取和检验，以用作炼油厂沥青的替代品。研究采用了两种方法：第一种，使用液相色谱法分离沥青，然后使用正戊烷作为溶剂检验化学性质，并进行傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析以彻底分析成分。第二种策略是通过将去除水分后的NB与在安巴尔省大量天然存在且成本低廉的矿物(石灰石)按特定比例(5%、15%、35%和35%)混合，来提高源自Abu-Aljeer硫磺泉的NB的流变性能，这是由于氧化钙CaO(石灰石)的巨大有效性及其形成吸附化学物理键以连接沥青烃链的能力。结果表明，随着石灰石的添加，软化点、闪点、燃点和粘度增加，针入度降低；此外，石灰石添加的最佳比例为35%。

Mahmood等人[24]研究并评估了源自希特市的NB，并使用聚氯乙烯(PVC)管作为改性剂来增强NB的性能，并降低这种废物对环境的危害。将PVC粉末按NB重量的三个百分比(10%、20%和30%)添加到NB中。研究结果表明，在NB中添加PVC导致针入度显著降低，粘度显著增加。NB物理性能的这种增强归因于NB和PVC之间的化学相容性，这提供了两者之间更强的粘附力和内聚力，因为PVC和NB都被认为是碳氢化合物材料。根据本地和国际规范，用45%至60% PVC改性的NB适用于屋顶工程，如防水和绝缘目的。同时，Ahmed等人[25]使用热处理来增强来自Abu Al-Jeer泉的NB的性能，以用于沥青路面。将NB在163°C的温度下加热不同时间(5、10、15、20和25小时)以改善其物理性能。结果显示针入度、延度、软化点和其他性能得到改善。对含有NB的沥青混合料进行的马歇尔测试表明，与由石油沥青制成的沥青混合料相比，马歇尔稳定度值增加了17.8%，因为热处理使NB的劲度比石油沥青增加得更多。为了避免外部热处理成本，Ahmed等人[16]研究了将NB与石油沥青以不同比例(20%、40%、60%和80%)混合的过程。实验测试结果表明，NB和炼油厂沥青的组合产生了一种新的沥青，符合用于道路建设的本地标准要求。含有80% NB的混合料比传统混合料具有更高的马歇尔稳定度值，高出23.5%。

在本研究中，NB取自安巴尔省希特市的五个硫磺泉：Al-Mamora、Al-Jabal、Atatt、Al-Atffa和Al-Askaree。先前的研究已经对这些泉水的NB进行了评估，并侧重于其物理性质。因此，需要进行广泛而深入的分析以了解这些泉水生产的NB的性质。本研究有两个主要目标。第一个目标是研究原始NB在生产符合规范限值的热拌沥青混合料(HMA)中的适用性。第二个目标是通过根据泉类型应用不同时间的热处理来改善NB的物理性能。此外，还检查了处理后NB和石油沥青的化学成分和微观结构扫描。另外，本研究评估了NB改善沥青路面力学性能和水损害抵抗力的能力。最后，将原始和处理后NB的实验结果与原油炼油厂生产的石油沥青的结果进行了比较。

2. 研究区域

硫磺泉是伊拉克NB的主要来源。研究区域包括安巴尔省内希特的许多沥青泉，距离伊拉克巴格达约190公里，如图1(a)所示。希特市位于东经15°42'-15°43'，北纬15°33'-38°34'之间。研究区域的众多泉水中有五个被选为本研究，如图1(b)所示。选定的泉水是Al-Mamora、Al-Jabal、Atatt、Al-Atffa和Al-Askaree。

图1. 安巴尔省希特市的硫磺泉地点

3. 材料

本项目使用伊拉克本地材料以实现经济效益并利用国家资源。材料列于以下各节。

3.1. 石油沥青

它源自杜拉炼油厂原油的蒸馏过程，是经批准用于伊拉克中部和南部铺筑AC(40-50)的沥青，遵循道路桥梁部的规范[26]。

3.2. 天然沥青

天然沥青(NB)取自伊拉克安巴尔省不同地区的五个泉水。如图2所示，从这些泉水中提取的NB在物理和化学性质上与原油破坏性蒸馏产生的合成沥青不同，后者的特性主要由杜拉炼油厂控制。NB含有大量的水浓度和污染物，因此不能直接使用。因此，在用于铺路作业之前，NB必须进行干燥和处理。

图2. 希特市的硫磺泉

3.3. 细集料和粗集料

本工作中使用的细集料和粗集料由Al-Nibaie采石场提供。保留在3/4英寸筛和4号筛之间的集料被归类为粗集料。同时，保留在4号筛和200号筛之间的集料被归类为细集料。在道路实验室中，对细集料和粗集料进行筛分并组合，以生产符合本地规范[26]限值的选定级配，如图3所示。细集料和粗集料的物理特性经过测试并列于表1。

图3. 表层材料的累计级配曲线

3.4. 矿物填料

石灰石填料产自伊拉克东南部的卡尔巴拉市。该填料的特性经过测试，结果列于表2。

4. 工作程序

通过实验测试研究了热处理前后NB的特性。此外，还应用了许多测试来研究使用处理后的NB作为结合料材料制备热拌沥青混合料(HMA)以替代石油沥青的适用性。

4.1. 天然沥青处理

干燥和分离从硫磺泉提取的NB是处理过程的第一步。这是通过在烘箱中将NB加热至110°C的温度，根据泉的类型和含水量变化时间来实现的，同时注意避免沥青燃烧[27]。处理的第二阶段涉及在烘箱中将NB加热至163°C的温度，每个样品所需的时间不同，取决于确认沥青已与水分离并使其符合本地规范[26]。NB取自五个泉水并按如下方式处理：

4.1.1. Al-Mamora泉(MS)

Al-Mamora泉位于希特-卡比萨(Heet-Kabisa)公路上。由于其液态性质和高含水量，从中回收的NB需要在110°C的烘箱中干燥两小时。接下来，为了使其性能与铺路作业中使用的AC(40-50)沥青一致，遵循本地规范[26]，将NB在163°C的烘箱中加热17小时，分为5、10、15和17小时几个阶段。

4.1.2. Al-Jabal泉(JS)

Al-Jabal泉位于安巴尔省希特的Jabal社区，也称为Ein Al-Khader。液态NB含有大量水分，通过在110°C的烘箱中干燥约两个半小时去除。然后，在烘箱中加热25小时，时间从5小时到25小时不等，以符合铺路作业用沥青的本地规范[26]。

4.1.3. Atatt泉(TS)

Atatt泉位于安巴尔省希特，靠近Al-Mamora泉。NB的干燥和去除水分过程在110°C的烘箱中进行两小时。热处理在163°C下持续21小时，时间分为5、10、15、20和21小时几个阶段，确保符合本地规范[26]。

4.1.4. Al-Atffa泉(AS)

Al-Atffa泉位于安巴尔省希特的火坑社区。由于从该泉提取的沥青是固体，且针入度较低，与其他硫磺泉相比，在110°C的烘箱中干燥NB去除水分需要一个半小时。热处理需要两小时以达到本地规范[26]的限值。

4.1.5. Al-Askaree泉(SS)

Al-Askaree泉位于安巴尔省希特的Askaree社区。它也被称为Siali泉，因为这里发现的NB是Siali类型，非常液态且具有高针入度。干燥过程在110°C的烘箱中进行了两个半小时以去除水分并分离沥青。然后将NB通过加热处理26小时，分为5、10、15、20、25和26小时几个阶段，以符合本地规范[26]。

4.2. 沥青结合料测试

如表3所示，对石油沥青、未经处理的NB以及来自五个泉水的处理后NB（根据每个样品加热不同时间）进行了多项测试。

4.3. 扫描电子显微镜-能谱仪分析(SEM-EDX)

沥青分子成分的化学组成对材料的内部结构有显著影响。沥青是一种主要由碳氢化合物组成的复杂混合物，其中一些结构相似的杂环物质，以及包含氧、氮和硫原子的官能团。此外，沥青含有微量金属，如钒、镍、铁、铝和钙，它们以无机盐、氧化物或卟啉络合物的形式存在。

能谱仪(EDX)分析（图4）是一种分析技术，用于基于特定源相互作用的样品元素或化学表征。该设备在荷兰制造。EDX设备的操作原理是分析当电子束撞击样品并与样品原子相互作用时从样品发射的X射线。每种元素具有独特的X射线能量，EDX探测器记录发射的X射线，区分存在的元素及其浓度。该技术用于研究环境污染，其中EDX微分析可以极大地检测重金属污染[28]。

除了这些探测器外，现代SEM设备还配备了内置的EDX传感器，可以对材料进行成分分析，称为带有EDX光谱的扫描电子显微镜(SEM-EDX)。EDX测试可以通过化学元素分析帮助道路工程师理解沥青路面的物理化学行为。另一方面，SEM图像可以提供与EDX结合的元素分析信息，因为它们有助于分析表面和相互作用，并理解化合物的表面性质。此外，SEM-EDX测试有助于检查在原子和分子水平上发生的变化[29]。SEM的操作原理涉及产生一束电子，通过包含电磁透镜的柱引导到样品上。然后电子与样品表面相互作用。由于这种相互作用，会发射出不同的信号。探测器收集这些产生的信号以生成具有精细细节的三维或二维图像，例如表面组成。

图4. SEM-EDX设备

4.4. 马歇尔测试

根据ASTM D6927-15的规定，采用马歇尔测试来制备、压实和验证样品。将沥青和集料分别加热几个小时，温度分别达到135°C和150°C。避免过度加热和预热沥青至关重要，因为这可能改变其性能并对整体混合料产生负面影响。根据本地规范[26]，磨耗层的沥青结合料含量必须在4%至6%之间。因此，将五种沥青比例（以集料重量为基准，恒定增量为0.5%，即4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%）与加热的集料混合，以找到最佳沥青含量(OBC)。混合物必须搅拌至少三分钟，以确保沥青水泥均匀地涂覆在每个集料颗粒上。

传统的圆柱形马歇尔试模直径为102毫米，高度为64毫米。使用前，将这些模具加热至130°C的温度。然后将模具填充加热的混合物，并使用马歇尔锤压实，对重交通道路每面施加75次冲击。压实后的马歇尔样品被允许冷却。24小时后，打开模具，将试样浸入60°C的水浴中30分钟，然后进行检查。

评估了石油沥青和五个泉水处理后NB的混合料特性。这些特性包括流值、马歇尔稳定度值、空隙率、沥青填充空隙、矿料间隙率和最佳沥青含量(OBC)。图5详细说明了马歇尔测试程序。

 马歇尔试验

4.5. 水损害测试

水损害是指由于沥青与集料表面的粘附力减弱以及内聚阻力降低而导致的路面混合料性能逐渐下降。水分导致沥青表面与集料之间的粘附力丧失。因此，混合料会发生分离，导致由于内聚力降低而导致稳定性、强度和硬度下降。

根据ASTM D 4867 M-96测试压实混合料的拉伸强度比(TSR)，以评估其对水损害的敏感性。该测试旨在确定水是否会降低沥青颗粒与集料之间的粘附力。为此，对于石油沥青和每个泉水经过特定处理时间后的NB，使用最佳沥青含量(OBC)制备马歇尔样品。这些样品分为两组：未处理组，置于25°C的水浴中20分钟；处理组，经历一个冻融循环，然后在相同温度下浸泡一小时。HMA(热拌沥青)的TSR最低要求大于80%。TSR使用以下公式计算：

图6显示了如前所述的进行TSR测试的程序。每个试样以每分钟50.8毫米的速率进行测试。当荷载达到最大值后，试样完全断裂，并记录该荷载值。

(a) 标本制备(d) 解冻循环(b) 水饱和(e) 试样测试(f) 断裂的试样

水损害测试

5. 结果与讨论

5.1. 沥青特性

源自泉水的未经处理NB和石油沥青的物理特性如表4所示。物理测试表明，石油沥青符合本地规范[26]规定的所有要求，包括针入度、闪点、延度等测试。与石油沥青相比，测试结果显示NB的针入度值高得多，不符合规范要求[26]。它需要经过处理以改善其质量，使其符合铺路沥青的本地规范。

表5显示了处理后NB的物理特性，并揭示了这些性能的改善。MS-NB被归类为液态，针入度为130(0.1 mm)。此外，它需要大约17小时的热处理时间。将沥青加热更长时间，例如20小时，会导致结果不佳，并由于其高氧化速率而增加其硬度，这反过来又会影响沥青混合料并引发问题。因此，仅17小时后，理想的针入度就达到了45(0.1 mm)。同时，JS-NB具有高针入度，处理了25小时后，针入度变为44(0.1 mm)。这在本地规范[26]的限值之内，并且接近石油沥青的针入度。持续的混合和加热会导致沥青所有部分的氧化，从而改变其性能，使其变硬并呈现深黑色。因此，这影响了沥青混合料的力学性能。

此外，TS-NB的热处理总共耗时21小时；如果处理进行25小时，针入度会非常低，不符合标准规范[26]的限值。在21小时时，针入度为44(0.1 mm)，符合规范要求，因为热量提高了沥青的软化点并增强了其硬度。此外，AS-NB被认为是五种NB类型中最好的，因为从该泉提取的沥青被认为是固体，针入度低（58(0.1 mm)），并且含水量非常少。因此，处理时间仅为两小时，针入度变为45(0.1 mm)，延度大于100 cm。因此，这种沥青类型将增加抗开裂能力并延长沥青混合料的使用寿命。它符合规范限值，性能的改善归因于加热过程。热处理时间越长，硫的含量百分比越高，从而改善沥青的性能。

由于其流体性质和高含水量，SS-NB需要很长时间干燥。最长的热处理时间需要26小时才能达到所需的针入度，即45(0.1 mm)。该材料的延度超过100 cm，软化点为56°C，闪点为245°C，均符合规范限值。

Abu Al-Jeer泉的NB通过相同的热处理过程处理25小时以改善物理性能，如Ahmed等人[25]先前研究中所进行的。这与本研究中JS和SS的NB处理时间大致相符。此外，Altameemi等人[27]对NB-MS应用了20小时的热处理以增强其性能，这与当前研究中的处理时间（17小时）不一致。同一泉处理时间的差异可能与多年来环境条件的变化有关，特别是温度波动和降雨量减少，这导致产生不同的NB。

5.2. 形态和元素分析特性

碳氢化合物是沥青的主要成分，具有石蜡基、环烷基和芳香族结构。它们还包括氮、硫以及环状或非环状氧分子。此外，还存在镍、铁和钒原子。含有硫、氮和氧的化合物会与这些元素反应。各种组分分数影响沥青的相容性和耐久性。然而，这些组分的平衡赋予了沥青独特的粘弹性特性，这对于其作为铺路作业中的沥青结合料至关重要。因此，组分之间缺乏平衡或相容性会导致组分相分离和不良特性[30]。矿物质显著影响沥青的物理性能，因为非极性原子会引起分子干扰，从而改变材料的溶解度、沸点和粘度。石油沥青和处理后NB的SEM-EDX分析如图7所示。

沥青结合料的微观结构显著影响其性能，因为这种微观结构与沥青的化学成分密切相关[31]。它解释了由于化学和环境因素在沥青中发生的变化，并有助于检测影响沥青性能和质量的缺陷和杂质。它还有助于确定组分的分布、它们在应用时与沥青的均匀性及其对性能的影响。从SEM图像来看，石油沥青是均匀烃类的集合体，该沥青表面主要呈现平坦状态，在表面形态上没有任何明显的特征。这是因为石油沥青的化学成分在其化合物多样性方面不如NB样品。可以看出，与其他泉的NB相比，SS-NB在形态结构上近似于石油沥青。这可能是由于其高碳含量(88.7%)和较低的组分多样性，并且在该NB中没有微量元素。石油沥青和五个硫磺泉中每个泉的处理后NB的化学成分百分比如图7所示并列于表6。评估结构信息和分子类型对于从根本上理解元素组成如何影响沥青的化学反应性和物理性能非常重要。

除了硫之外，来自硫磺泉的大多数NB由有机成分（如碳和氧）、少量微量元素（如铁、镁和硅）以及其他污染物组成。此外，NB不含铅、汞和氟化物等有毒元素，这对环境保护是有利的。

SS-NB的碳含量最高，为88.7%。增加碳对沥青混合料有积极影响，改善其柔韧性，从而降低沥青在低温下的破坏应力。这是因为碳改善了沥青的性能，特别是抗老化行为，以及热导率和电导率，增强了沥青道路在不同气候条件下的行为。此外，它还增强了沥青在高温下抵抗变形和在寒冷条件下抵抗开裂的能力，最终提高了沥青的耐久性[32]。沥青含有硫、氮和氧，被称为杂原子，它们会促进材料中的反应。与烃类部分相比，杂原子是次要成分，其浓度不稳定，并且根据沥青的来源而变化。这归因于杂原子部分通常赋予分子极性和功能性，导致来自不同来源的沥青结合料在物理性能上存在差异。此外，足够量的这些杂原子使烃类分子结构更加复杂；通常，每个分子可能存在一个或多个杂原子[33]。

图7. 来自五个硫磺泉的石油沥青和NB的SEM-EDX分析

对于六个NB样品中的每一个，表6中的硫百分比各不相同且不相同。AS-NB的含量最低(6.2%)，而TS-NB的硫含量最高(16.4%)。高密度的硫元素增加了结合料的密度，进而延长了沥青路面的使用寿命并节省了成本。更明确地说，硫与吲哚反应形成多硫化物。它导致其胶体结构发生变化，从而导致沥青质/树脂的比例增加，使结构转变为更稳定和内聚的凝胶结构，从而增加了密度。此外，软化点随着硫含量的增加而升高，这一结果与先前研究的结果一致[34]。与石油沥青相比，来自五个泉的NB在其结构中不含氮和镍元素。氮增加了沥青与集料的亲和力，提高了沥青混合料抵抗风化（特别是剥离和氧化）的能力[25]。同时，镍是微量元素之一，当加热沥青时，较高浓度的镍会导致更高的污染物排放[35]。此外，NB中钙和镁的存在对其性能产生积极影响，因为它增加了硬度和稳定性[36]。

5.3. 马歇尔特性

使用石油沥青制备的传统混合料的最佳沥青含量(OBC)为5%。对NB样品进行热处理后，使用来自AS、JS、MS、SS和TS的NB制备的混合料的OBC值分别为5.2%、4.9%、5.3%、4.93%和5.1%（按集料重量计）。两种组合（传统混合料和NB混合料）的马歇尔特性如图8和图9所示。在马歇尔试验中，流值和稳定度是沥青路面最重要的性能指标。

图8中的结果表明，除JS-NB混合料外，NB混合料的稳定度优于传统混合料。使用来自MS、AS、TS和SS的NB的混合料的结果分别为(13, 10.8, 12.6, 和 11.8) kN。相比之下，传统混合料的稳定度为9.2 kN。与传统混合料的稳定度相比，使用来自AS、SS、TS和MS的NB的NB混合料的稳定度分别提高了17.3%、28.2%、36.9%和41.3%。这可能是因为NB含有高比例的硫，硫通过将温度提高到112至170°C之间来增加沥青的硬度。硫由化学链组成，这些链与化合物的有机分子结合，从而形成多硫酸盐[16, 25, 和 37]。然而，JS-NB混合料的稳定度为8.8 kN，比传统混合料的稳定度低4.4%。这可能是因为JS-NB比其他NB样品更容易受到高氧化速率的影响。总体而言，所有混合料的稳定度值均满足规范限值（磨耗层最小限值8 kN）[26]。

图9显示了根据马歇尔试验结果得出的传统混合料和NB混合料的马歇尔流值。流值很接近，但MS-NB混合料除外，其流值比传统混合料流值增加了12.1%。根据规范限值，流值应在2至4 mm之间，所有混合料均符合此要求。

图8. 马歇尔稳定性结果

图9. Marshall流动结果

图10显示了传统混合料和NB混合料的马歇尔商数(MQ)或劲度指数。MQ指马歇尔稳定度与马歇尔流值的比例，被认为是沥青混合料抗车辙能力的指标。较高的MQ值表示更好的稳定性和更强的抗变形能力。因此，MQ值的增加意味着沥青混合料在流动性能方面的稳定性得到了提高。这对于高质量沥青路面的耐久性是有利的[38]。

传统混合料和NB混合料的体积特性列于表7。根据本地规范[26]，空隙率(Vv)应在3%至5%之间。空隙增加会导致道路车辙、沥青快速氧化以及更高的渗透性，从而导致缩短道路寿命的问题。空隙率降低也可能导致沥青蠕变和泛油[39]。传统混合料和NB混合料的Vv%相似，并且都落在本地规范的限值内。

混合料的性能取决于矿料间隙率(VMA)，其应足够高以确保足够的沥青含量以满足耐久性要求。然而，随着VMA的增加，混合料更容易出现稳定性问题。结果表明，NB混合料的VMA值与传统混合料略有不同。

图10. Marshall商数结果

沥青填充空隙(VFB)指的是压实混合料中集料颗粒之间被沥青填充的空间。这些空隙影响混合料的耐久性。研究结果表明，传统混合料和NB混合料的VFB百分比与传统值相似或更低，但TS-NB除外，其比传统混合料增加了2.7%。

5.4. 抗水损害能力

因此，有必要认识到水和湿气的有害影响并采取措施加以缓解，同时确保混合料在各种条件下的硬度、耐久性和弹性[40]。TSR可定义为水分耐久性指数系数，其值应至少为80%。TSR取决于集料表面与沥青之间的粘附力以及沥青结合料的内聚特性。内聚力是指材料在承受荷载和应力时的整体完整性，它受多种因素影响，包括沥青结合料的粘度和化学成分、沥青结合料内部的吸引力以及水的渗透。水可以通过饱和和由于冻融循环而扩大空隙系统来影响内聚力。沥青对水的粘附力可能受到分离或位移机制的影响。

粘附力取决于集料级配、Vv和渗透性。在潮湿环境下，如果这些参数中的任何一个发生变化，粘附力可能会发生变化[41]。

图11显示了传统混合料和NB混合料的TSR值。测试结果表明，NB混合料对湿气和水条件具有最高的抵抗力。含有SS-NB的混合料比传统混合料抗水损害能力高5.72%。这可能归因于SS-NB中含有大量的碳，因为高含量的碳元素增加了沥青结合料的粘附性能，从而增加了耐久性并提供更好的抗水损害能力。具体来说，碳起着至关重要的作用。它以高浓度存在并形成链，有助于在NB结构内形成强键，增加沥青的稳定性及其粘附集料的能力。此外，高碳含量的沥青是一种吸收性材料，有助于截留水分并增强沥青的性能和抗湿性[32]。

图11. 常规混合料和NB混合料的TSR

6. 成本分析

开发能够同时提供经济、技术和环境效益的创新工艺和产品模型，对于确保政策有效针对可持续发展目标至关重要。必须发现更环保、更经济的替代品以实现可持续发展。NB被认为是伊拉克储量丰富的自然资源之一，可以在从北到南的各个省份加以利用。通过投资NB或将其纳入道路铺筑作业可以实现经济收益。这是因为NB比石油沥青更经济，后者源自原油的蒸馏过程，并且NB是国家资源。石油作为一种主要能源，占全球消费量的30%以上。委内瑞拉、沙特阿拉伯、加拿大、伊朗、伊拉克和俄罗斯等国家拥有大量的探明石油储量。在炼油厂的蒸馏过程中，大约10%的原油通过沥青制造转化为沥青材料和其他产品。这种沥青生产各种零售产品，包括沥青乳液、铺路混合料、油漆、焦油屋面和其他产品[42]。

在过去的六十年中，石油价格的持续变化影响了沥青价格，由于炼油作业，沥青成本增加了20倍。沥青价格跟随原油价格；因此，沥青的数量和质量受到影响。原油价格每上涨1%，沥青价格上涨0.7%。由12个国家组成的石油输出国组织(OPEC)所做的决定在确定沥青成本方面发挥了重要作用[25, 43]。一些专家指出，石油峰值出现在2010年至2020年之间，并且由于产量减少、全球范围内发生危机以及价格大幅上涨，未来几年将下降。与此同时，地质学家Marion King Hubbert在1950年代预测，根据一次能源来源的估计，全球生产力峰值将出现在2007年至2037年之间，之后产量将下降到之前水平的三分之一以下。因此，石油价格对沥青生产及其价格有重大影响，促使道路工程师研究替代的合成沥青材料，这些材料更经济且更环保[44]。在沥青生产过程中，环境受到高度重视。必须对沥青生产商和炼油厂的排放制定严格的规定。在沥青路面的运输和生产过程中减少碳排放已成为全球优先事项。寻找更环保的天然材料对于尽可能管理和最小化温室气体排放至关重要。使用低碳技术已成为实现这一目标的关键。因此，迫切需要未来的研究来研究在铺路工程中使用NB的碳排放率和经济效益。

7. 结论

本研究对源自硫磺泉的天然沥青(NB)、石油沥青及其混合料进行了一系列实验，以评估在热拌沥青混合料中使用NB的适用性。物理测试表明，未经处理的NB不符合当地标准规范限值，不适合直接用于铺路。然而，当NB在163°C下经过适当干燥和热处理（时间取决于每个泉的特性和针入度水平）后，其性能显著改善。不建议超过163°C的过热处理，因为可能导致性能下降。处理后的物理和化学分析显示特性增强，包括针入度降低、延度和软化点增加以及闪点提高，使NB的性能更接近石油沥青。形态学观察强调，石油沥青的表面微观结构与SS-NB非常相似，由于元素组成的差异而与其他NB类型明显不同。处理后的NB表现出比石油沥青更高的稳定性，这可能是由于其较高的硫含量，增强了混合料的硬度和耐久性，钙和氧进一步促进了性能。尽管如此，JS-NB混合料由于其高氧化速率并未显著提高马歇尔稳定性，但在抗水损害方面显示出轻微增强，提高了4.35%。值得注意的是，SS-NB混合料达到了最高的拉伸强度比(TSR)，为85%，超过传统混合料5.7%，并超过了80%的最低阈值，表明NB在减轻水分损害方面具有强大潜力。总之，NB是改善沥青混合料性能的一种有价值且有前景的替代品。在经济上，它具有高度优势，在全国范围内广泛可用，且成本至少比石油沥青低五倍。作为国家资产，NB值得进一步的经济和工程研究，以优化其在基础设施应用中的使用。

8. 建议

未来在几个关键领域的研究可能提供更深入的见解和对当前发现的更全面理解。需要进一步研究评估天然沥青(NB)的内在特性，包括其沥青质来源、提取过程以及影响因素，如沉积物年龄、提取深度和与硫源的接近程度。环境变量——如降雨量、温度波动和泉的地理位置——也可能显著影响NB的特性。鼓励进行更多研究探索替代处理方法，例如使用填料等廉价、易得的材料增强NB，或利用太阳能通过将NB长时间暴露在阳光下并定期测试其性能变化。此外，评估NB混合料在重复荷载和高温下的抗车辙能力以及评估其疲劳开裂行为以确保在实际条件下的性能至关重要。从可持续性角度，应进行NB使用的经济和环境评估，以确定其作为石油沥青替代品的成本效益和环境影响，包括最小化与其应用相关的排放的策略。

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