遼河油田AH-90溫拌瀝青老化動(dòng)力學(xué)研究

王 松，王洪國(guó)，郭志文，韓 洋，朱志成，廖克儉

（遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧撫順113001）

溫拌瀝青技術(shù)由于其較低的拌合與攤鋪溫度，減少了對(duì)環(huán)境的污染和能源的消耗，正在逐步的替代傳統(tǒng)的熱拌瀝青技術(shù)[1，2]。國(guó)外研發(fā)的基于水溶性乳化平臺(tái)的溫拌技術(shù)（Evotherm）在2007年引入國(guó)內(nèi)后，各科研單位和院校對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究和應(yīng)用[3-5]。這種技術(shù)雖然在很多方面滿足了溫拌技術(shù)的要求，但也存在著明顯的不足，例如在拌合過(guò)程中會(huì)嚴(yán)重堵塞防塵布袋，大量消耗水資源，對(duì)拌合設(shè)備的使用壽命造成嚴(yán)重影響等。

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)道路瀝青在鋪設(shè)過(guò)程及后期使用過(guò)程中持續(xù)抗老化性能上的要求越來(lái)越高，為了更好的對(duì)溫拌技術(shù)的抗老化性能進(jìn)行研究，本文將采用基于油溶性乳化平臺(tái)的溫拌技術(shù)，此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需大型拌合設(shè)備的使用和大量水資源的消耗，可以直接將溫拌劑與瀝青進(jìn)行攪拌制得溫拌瀝青。

對(duì)油基溫拌瀝青的老化動(dòng)力學(xué)研究，更有利于了解瀝青老化的機(jī)理和過(guò)程,對(duì)改善瀝青的抗老化性能方面提供更大的幫助[6]。本文通過(guò)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)對(duì)兩種瀝青進(jìn)行不同時(shí)間的老化,對(duì)得到的軟化點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行線性擬合回歸研究,最終得到相關(guān)系數(shù)較高的老化動(dòng)力學(xué)方程,并對(duì)方程的合理性進(jìn)行分析驗(yàn)證[7-9]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

AH-90 基質(zhì)瀝青（遼河油田新近生產(chǎn)）;OS-125油基溫拌劑（實(shí)驗(yàn)室自主研制，半透明狀淡黃色液體pH 值在6～7 之間）。

SYD-2806 C 型瀝青針人度試驗(yàn)機(jī)（上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司）；SYD-2806E 全自動(dòng)瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)器（上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司）；SD-0625型瀝青布氏旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)（上海地學(xué)儀器研究所）；LY型瀝青延度測(cè)定儀（無(wú)錫市石油儀器設(shè)備廠）；82 型瀝青薄膜烘箱（無(wú)錫市石油儀器設(shè)備廠）。

1.2 試驗(yàn)方法

將OS-125 油基溫拌劑以2‰的摻入量與AH-90 基質(zhì)瀝青在110℃的溫度下進(jìn)行充分拌合，制得油基溫拌瀝青并測(cè)定其基礎(chǔ)理化性質(zhì)。

分別對(duì)AH-90 基質(zhì)瀝青與油基溫拌瀝青在82型旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱中按照GB/T 5302 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行老化試驗(yàn)：將（50±1）g 試樣放入老化器皿中，分別在150、163、180℃高溫條件下進(jìn)行老化，老化時(shí)間分別為5、10、15、20、25、30h，對(duì)老化后的試樣均測(cè)定其軟化點(diǎn)值，根據(jù)軟化點(diǎn)參數(shù)建立老化動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算出各動(dòng)力學(xué)參數(shù)，得到老化動(dòng)力學(xué)方程[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 AH-90 基質(zhì)瀝青與溫拌瀝青理化性質(zhì)對(duì)比

分別對(duì)AH-90 基質(zhì)瀝青和溫拌瀝青進(jìn)行基礎(chǔ)理化性質(zhì)測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 兩種瀝青的理化性質(zhì)Tab.1 Physicochemical properties of two kinds of asphalt

從表1 可以看出，溫拌瀝青的動(dòng)力粘度較AH-90 基質(zhì)瀝青有所降低，這是由于溫拌劑是一種液體，經(jīng)過(guò)與基質(zhì)瀝青的充分拌制后，在瀝青內(nèi)部將大分子膠質(zhì)集團(tuán)分散成小分子集團(tuán)，起到了降粘的作用；溫拌瀝青的閃點(diǎn)較AH-90 基質(zhì)瀝青有所降低，這是由于溫拌劑的閃點(diǎn)較低，與基質(zhì)瀝青混合后，使得溫拌瀝青的閃點(diǎn)有所下降；軟化點(diǎn)，針入度，延度等基礎(chǔ)理化性質(zhì)方面兩者的變化不大。

2.2 軟化點(diǎn)隨瀝青老化程度的不同所產(chǎn)生的變化關(guān)系

圖1、2 分別表現(xiàn)出了AH-90 基質(zhì)瀝青和溫拌瀝青在150、163、180℃溫度下，不同老化時(shí)間對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響。

圖1 AH-90 瀝青軟化點(diǎn)與老化時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Relationship between the softening point and aging time of AH-90 asphalt

圖2 溫拌瀝青軟化點(diǎn)與老化時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relationship between the softening point and aging time of warm mix asphalt

由圖1、2 可以看出，隨著老化時(shí)間的增加，兩種瀝青的軟化點(diǎn)均逐漸增大，說(shuō)明隨著老化時(shí)間的增加和老化溫度的上升，瀝青的老化程度越嚴(yán)重。其中溫拌瀝青在不同老化時(shí)間的軟化點(diǎn)較之AH-90 基質(zhì)瀝青均有所下降，說(shuō)明溫拌瀝青的抗老化性能要優(yōu)于AH-90 基質(zhì)瀝青。

同時(shí)由圖1、2 可以看出，兩種瀝青的老化時(shí)間與軟化點(diǎn)均呈現(xiàn)出了線性關(guān)系。

2.3 以軟化點(diǎn)為參數(shù)建立瀝青的老化動(dòng)力學(xué)模型

一般認(rèn)為，瀝青老化過(guò)程為一級(jí)不可逆反應(yīng)[11]，可以用軟化點(diǎn)的升高來(lái)表示反應(yīng)進(jìn)行的深度[12]，因此，以軟化點(diǎn)為參數(shù)建立一級(jí)反應(yīng)方程：

式中 c：瀝青中生成瀝青質(zhì)的反應(yīng)物濃度，mol；t：老化時(shí)間，h；k：總反應(yīng)速率常數(shù)，h-1。

根據(jù)Lookwood 的觀點(diǎn)[13]，認(rèn)為反應(yīng)物的濃度c與軟化點(diǎn)R 成正比，即，將此式帶入方程（1），兩邊同時(shí)積分得：

式中 R0：初始時(shí)的軟化點(diǎn)，℃；R：時(shí)間為t 時(shí)刻的軟化點(diǎn)，℃。

由式（2）可以看出，只要測(cè)出瀝青在不同時(shí)刻的軟化點(diǎn)值，便可求出總反應(yīng)速率常數(shù)k。求得的k值越大，說(shuō)明軟化點(diǎn)升高的速率越快，即瀝青的抗老化性能越差。

根據(jù)圖1、2 中所測(cè)得的軟化點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算出不同時(shí)刻的，將其與所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t 進(jìn)行線性回歸分析，所得線性回歸曲線見(jiàn)圖3、4。

圖3 AH-90 瀝青l(xiāng)n（R/RO）與老化時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between ln（R/RO）and aging time of AH-90 asphalt

圖4 溫拌瀝青l(xiāng)n（R/RO）與老化時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relationship between ln（R/RO）and aging time of warm mix asphalt

由圖3、4 所繪制出的線性關(guān)系以及表2 中的老化速率常數(shù)k 可以看出，隨著老化溫度的上升，直線斜率逐漸變大，瀝青抗老化性能逐漸降低。在同溫度條件下，AH-90 瀝青的k 值大于溫拌瀝青的k 值，說(shuō)明AH-90 瀝青較之油基溫拌瀝青的老化速率更快，抗老化性能更差。

根據(jù)Arrhrenius 方程[14]，瀝青老化反應(yīng)速率常數(shù)k 與老化反應(yīng)溫度T 之間存在以下定量關(guān)系：

式中 A：指前因子，h-1；Ea：瀝青老化反應(yīng)活化能，J·mo-1；P：普適氣體常數(shù)，J·（mol·K）-1，取8.314J·（mol·K）-1。

對(duì)式（3）兩邊取對(duì)數(shù)，得：

由式（2）～（4）即可得到以軟化點(diǎn)為參數(shù)的瀝青老化動(dòng)力學(xué)方程：

根據(jù)式（4），對(duì)比作出關(guān)系曲線圖，見(jiàn)圖5。

圖5 兩種瀝青-lnk 與1/T 之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between -lnk and 1/T of Two kinds of asphalt

經(jīng)線性回歸便可解出直線的斜率（即）和直線在Y 軸上的截距（即），這樣便可求得老化反應(yīng)活化能與指前因子A，從而得到最終的瀝青老化動(dòng)力學(xué)方程（各參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2）。

表2 AH-90 與溫拌瀝青的老化動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab.2 Aging kinetic parameters of AH-90 and warm mix asphalt

從表2 中可以看出，溫拌瀝青與AH-90 瀝青相比具有較高的活化能和較低的反應(yīng)速率常數(shù)，說(shuō)明溫拌瀝青具有更好的抗老化性能。

將表2 的數(shù)據(jù)代回到式（4）中，即可得到老化動(dòng)力學(xué)方程：

式（5）、（6）分別為AH-90 瀝青和溫拌瀝青的老化動(dòng)力學(xué)方程。將不同老化時(shí)間代入到式（5）、（6）中得到軟化點(diǎn)的計(jì)算值，表3、4 為實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比結(jié)果。

表3 基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)值Tab.3 Softening point values of matrix asphalt

表4 溫拌瀝青的軟化點(diǎn)值Tab.4 Softening point value of warm mix asphalt

從表3、4 可以看出，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的差距較小，可靠度較高，說(shuō)明以軟化點(diǎn)為參數(shù)所建立的老化動(dòng)力學(xué)模型與瀝青的真實(shí)老化過(guò)程較為相符。

4 結(jié)論

（1）摻入OS-125 油基溫拌劑所制得的溫拌瀝青與AH-90 基質(zhì)瀝青相比，具有更低的動(dòng)力粘度和閃點(diǎn)，其他基礎(chǔ)理化性質(zhì)無(wú)明顯變化。

（2）兩種瀝青的軟化點(diǎn)均隨著老化溫度和老化時(shí)間的增加而升高，且符合線性規(guī)律。

（3）較高的活化能和較低的反應(yīng)速率反映出基于油溶性表面活性平臺(tái)的OS-125 油基溫拌劑更好的改善了瀝青的抗老化性能。

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