THFS改性瀝青制備工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)

季 節(jié), 石越峰, 索 智, 許 鷹

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院， 北京 100044;2.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院 北京節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100044)

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THFS改性瀝青制備工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)

季 節(jié)1，2, 石越峰1，2, 索 智1, 許 鷹1

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院， 北京 100044;2.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院 北京節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京 100044)

為了確定煤直接液化殘?jiān)?direct coal liquefaction residue，DCLR)中四氫呋喃可溶物(tetrahydrofuran soluble，THFS)作為改性劑與瀝青之間的制備工藝，運(yùn)用正交試驗(yàn)和灰關(guān)聯(lián)分析法優(yōu)化設(shè)計(jì)TFHS改性瀝青的制備工藝，并利用針入度分級(jí)和SHRP PG評(píng)價(jià)體系分析不同THFS添加量下(與基質(zhì)瀝青質(zhì)量比4%、6%、8%、10%)改性瀝青的性能. 試驗(yàn)結(jié)果表明：利用正交試驗(yàn)和灰關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的方法可優(yōu)化設(shè)計(jì)THFS改性瀝青的制備工藝，確定的最佳制備工藝為剪切溫度150 ℃，剪切時(shí)間45 min，剪切速率4 000 r/min. 同時(shí)，THFS的加入可以改善瀝青的高溫性能，但對(duì)瀝青低溫性能有一定的不利影響，綜合THFS改性瀝青的高低溫性能，推薦THFS最佳添加量為6%.

煤直接液化殘?jiān)麯CLR； 四氫呋喃可溶物THFS； 正交試驗(yàn)； 灰關(guān)聯(lián)分析； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 性能評(píng)價(jià)

煤直接液化技術(shù)是指將煤粉碎到一定粒度后，與氫氣和催化劑在高溫(430 ℃～470 ℃)、高壓(10～30 MPa)下直接作用，使煤加氫裂解轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w油品的工藝過程[1]. 煤直接液化工藝中不可避免的會(huì)產(chǎn)生占原料煤總質(zhì)量30%的副產(chǎn)物——煤直接液化殘?jiān)?direct coal liquefaction residue，DCLR). 通常DCLR通過減壓蒸餾分離，其中包含大量的重油和瀝青質(zhì)[2-3]. 根據(jù)DCLR的組成和特性，王寨霞等將DCLR用于石油瀝青的改性進(jìn)行了初步探索性研究，發(fā)現(xiàn)DCLR添加量為7%可以滿足ASTM D5710—95標(biāo)準(zhǔn)的40～55針入度級(jí)別的技術(shù)要求[4]. 范蕓珠等探討了DCLR對(duì)石油瀝青的選擇性，發(fā)現(xiàn)選用軟組分含量高的瀝青以及高速剪切能夠提高DCLR對(duì)石油瀝青的改性效果[5]. 何亮等對(duì)不同DCLR添加量下改性瀝青的性能進(jìn)行測試，結(jié)果表明隨著DCLR添加量的增加，改性瀝青的黏度呈上升趨勢(shì)[6]. 趙鵬等分析了DCLR的組成，結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，提出了DCLR可開發(fā)成瀝青改性劑[7]. 楊建麗等發(fā)現(xiàn)DCLR可替代TLA用于石油瀝青的改性，在達(dá)到同樣改性效果時(shí)，DCLR的添加量要明顯低于TLA添加量[8]. 季節(jié)等利用SHRP PG、針入度分級(jí)體系、紅外光譜儀和凝膠色譜儀分析DCLR與石油瀝青共混改性后宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)DCLR對(duì)瀝青的共混改性主要為物理改性[9]. 張德潤等利用表面自由能理論量化評(píng)價(jià)了DCLR改性瀝青的水穩(wěn)定性能，結(jié)果表明DCLR改性瀝青與集料組合的水穩(wěn)定性均優(yōu)于基質(zhì)瀝青[10]. 在將DCLR應(yīng)用于石油瀝青改性時(shí)發(fā)現(xiàn)DCLR含有45%左右的四氫呋喃不溶物，使得DCLR改性瀝青的低溫性能急劇下降. 因此，很多學(xué)者著手對(duì)DCLR進(jìn)行萃取，萃取出四氫呋喃不溶物，將萃取后的DCLR四氫呋喃可溶物THFS(tetrahydrofuran soluble)開發(fā)為石油瀝青改性劑. 高妍等對(duì)DCLR萃余物中萃取劑的回收技術(shù)進(jìn)行研究，為DCLR的萃取技術(shù)中萃取劑的高效利用提供理論基礎(chǔ)[11]. 鐘金龍等對(duì)神華DCLR中的有機(jī)可溶物進(jìn)行了萃取，研究其萃取條件，并分析了萃取物的性質(zhì)[12]. 苗強(qiáng)等分析了DCLR特性，發(fā)現(xiàn)了DCLR經(jīng)萃取提取高附加值有機(jī)物[13]. 常鴻雁等通過熱重分析技術(shù)，考察了DCLR及THFS的熱解特性[14]. 陳靜等以苯甲醛為交聯(lián)劑，采用THFS對(duì)石油瀝青進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)THFS添加量為4%、摻混溫度為170 ℃時(shí)改性瀝青的性能最好[15].

綜上，人們主要將DCLR或THFS作為改性劑用于石油瀝青的改性，并對(duì)改性后瀝青的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但并沒有涉及DCLR或THFS改性瀝青的制備工藝及其制備工藝參數(shù)對(duì)瀝青性能影響的研究. 因此，本文擬采用THFS作為改性劑對(duì)石油瀝青進(jìn)行改性，利用正交試驗(yàn)和灰關(guān)聯(lián)分析方法確定不同制備工藝參數(shù)(剪切溫度、剪切時(shí)間、剪切速率)對(duì)THFS改性瀝青性能的影響規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計(jì)THFS改性瀝青的最佳制備工藝. 利用針入度分級(jí)和SHRP PG評(píng)價(jià)體系分析不同THFS添加量下(與基質(zhì)瀝青質(zhì)量比4%、6%、8%、10%)改性瀝青的性能，為THFS改性瀝青在道路工程中的大規(guī)模應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青采用韓國進(jìn)口SK-90瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[16]中的相關(guān)規(guī)定對(duì)其進(jìn)行了性能測試，見表1，其中SK-90瀝青的PG分級(jí)為58-22.

表1 SK-90瀝青的性能

1.2 THFS

DCLR來自中國神華煤制油化工有限公司內(nèi)蒙生產(chǎn)的附產(chǎn)品，為粉末狀. 采用索氏抽提器利用四氫呋喃溶劑對(duì)DCLR進(jìn)行萃取，得到THFS. 根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[16]中的相關(guān)規(guī)定對(duì)THFS性能進(jìn)行測試，見表2.

2 試驗(yàn)方案

本文擬利用正交試驗(yàn)方法組織安排試驗(yàn). 正交試驗(yàn)適用于多因素試驗(yàn)，可從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些代表點(diǎn)具有均勻和整齊的特點(diǎn)，其主要步驟如下：首先確定影響因素及其水平，其次根據(jù)影響因素及其水平繪制正交試驗(yàn)表，最后借助正交試驗(yàn)表來組織安排試驗(yàn)[17]. 本文確定三因素三水平的正交試驗(yàn)，表3為正交試驗(yàn)中的三因素及其三水平，正交試驗(yàn)方案見表4.

表2 THFS的技術(shù)指標(biāo)

表3 三因素三水平表

表4 正交試驗(yàn)方案

3 結(jié)果與討論

3.1 正交試驗(yàn)

按照表4制備9組THFS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》(JTG E20—2011)[16]中的相關(guān)規(guī)定對(duì)其進(jìn)行針入度、延度、軟化點(diǎn)、135 ℃布氏黏度的測試及針入度指數(shù)PI的計(jì)算，分別計(jì)算上述5個(gè)指標(biāo)的和值與極差，見表5和圖1.

表5 極差分析表

1)從圖1(a)可知，影響瀝青針入度各因素的主次排序?yàn)椋杭羟袝r(shí)間>剪切溫度>剪切速率. 隨著剪切時(shí)間的增加，瀝青的針入度先增加后下降，當(dāng)剪切溫度為60 min時(shí)，針入度最低，瀝青高溫穩(wěn)定性能最優(yōu). 剪切溫度是次要因素，隨著剪切溫度的升高，瀝青的針入度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)剪切溫度高于160 ℃時(shí)，瀝青針入度值的降低幅度減小.

2)由圖1(b)可知，影響瀝青延度各因素的主次排序?yàn)椋杭羟袝r(shí)間>剪切溫度>剪切速率. 隨剪切時(shí)間增加，瀝青的延度迅速降低，當(dāng)剪切時(shí)間為30 min時(shí)，瀝青的延度值最大. 隨剪切溫度升高，瀝青的延度值呈下降趨勢(shì)，當(dāng)溫度低于160 ℃，瀝青的延度值下降緩慢，之后隨剪切溫度升高，瀝青的延度值急劇下降.

3)由圖1(c)可知，影響瀝青軟化點(diǎn)的各因素主次排序?yàn)椋杭羟袝r(shí)間>剪切溫度>剪切速率. 隨著剪切時(shí)間和剪切溫度的增加，瀝青軟化點(diǎn)幾乎呈線性增加，表明瀝青的高溫性能得到改善. 隨剪切速率增加，瀝青的軟化點(diǎn)先增大后減小，當(dāng)剪切速率為4 000 r/min時(shí)，瀝青的軟化點(diǎn)最大，說明過高的剪切速率會(huì)對(duì)瀝青高溫性能產(chǎn)生不利影響.

4)由圖1(d)可知，影響瀝青黏度的各因素主次排序?yàn)椋杭羟袝r(shí)間>剪切溫度>剪切速率. 瀝青黏度隨剪切時(shí)間的增大，先增大后減小，當(dāng)剪切時(shí)間為45 min時(shí)，瀝青黏度達(dá)到最大值，說明其抵抗變形能力最強(qiáng). 瀝青黏度隨剪切溫度的升高，呈線性增加. 剪切速率對(duì)瀝青黏度影響較小.

5)由圖1(e)可知，影響瀝青PI各因素的主次排序?yàn)椋杭羟袝r(shí)間>剪切速率>剪切溫度. 瀝青PI隨剪切時(shí)間的增加，先降低后增大，隨剪切速率的增加，瀝青PI先增大后減小，當(dāng)剪切時(shí)間為60 min、剪切速率為4 000 r/min時(shí)，瀝青PI達(dá)到最大，說明其溫度敏感性最低.

綜合各因素對(duì)瀝青性能的影響和值與極差變化，確定THFS改性瀝青的制備工藝為A2B2C2.

3.2 灰關(guān)聯(lián)分析

灰關(guān)聯(lián)分析是一種新的因素分析方法，它對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程量化分析以考察系統(tǒng)諸因素之間的相關(guān)程度，是一種定量與定性相結(jié)合的分析方法，其基本思想是根據(jù)事物或因素的序列曲線的相似程度來判斷其關(guān)聯(lián)程度的[18]. 灰色關(guān)聯(lián)分析主要計(jì)算步驟如下：

1)確定參考序列和比較序列，并將各序列均值化處理.

確定參考序列：X0={X0(k)|k=1,2,…,n}

確定比較序列：Xi={Xi(k)|k=1,2,…,n}(i=1,2,…,n)

將上述序列均值化處理：

2)求差序列. 記：Δi(k)=|X′0(k)-X′i(k)|

3)求兩極最大差和最小差. 記：

4)求關(guān)聯(lián)系數(shù).

k=1,2,…,n;i=1,2,…,n

5)計(jì)算灰關(guān)聯(lián)度.

6)按照灰關(guān)聯(lián)度大小排序.ξi越大，Xi與X0的關(guān)聯(lián)度越大，發(fā)展趨勢(shì)越接近.

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析方法的計(jì)算步驟，計(jì)算上述5個(gè)指標(biāo)在THFS改性瀝青制備工藝中所占比例，并對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)分，試驗(yàn)結(jié)果見表6.

由表6可知：5個(gè)指標(biāo)對(duì)THFS改性瀝青性能的影響權(quán)重不一，主次順序分別為軟化點(diǎn)>延度>135 ℃黏度>針入度>PI. 根據(jù)綜合評(píng)分，組合2得分最高，說明該組合下的THFS改性瀝青的性能最優(yōu)越. 因此，通過灰關(guān)聯(lián)分析確定的THFS改性瀝青制備工藝為A1B2C2.

3.3 THFS改性瀝青的最佳制備工藝

對(duì)上述采用正交試驗(yàn)和灰關(guān)聯(lián)分析方法確定的兩種THFS改性瀝青制備工藝進(jìn)行對(duì)比，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)THFS改性瀝青的最佳制備工藝，對(duì)比分析結(jié)果見表7.

表6 灰關(guān)聯(lián)分析

表7 不同制備工藝THFS改性瀝青的性能對(duì)比

從表7可知，工藝二的THFS改性瀝青高溫性能(針入度、軟化點(diǎn)、黏度)、低溫性能(延度)以及感溫性能(PI)均優(yōu)于工藝一，說明利用工藝二可以制備出性能更為優(yōu)異的THFS改性瀝青，從而優(yōu)化確定出THFS改性瀝青的最佳制備工藝為工藝二(A1B2C2)，即剪切溫度為150 ℃，剪切時(shí)間為45 min，剪切速率為4 000 r/min.

3.4 THFS改性瀝青的制備

按照上述確定的最佳制備工藝制備THFS改性瀝青，具體如下：

1)將基質(zhì)瀝青加熱至120 ℃；

2)將THFS加熱至150 ℃；

3)將熔融狀態(tài)的THFS與基質(zhì)瀝青分別按質(zhì)量比為4∶100，6∶100，8∶100，10∶100進(jìn)行共混，為了保證THFS改性瀝青的均勻性，采用剪切儀將THFS改性瀝青在150 ℃下以4 000 r/min低速剪切45 min.

3.5 THFS改性瀝青的性能

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[16]中的相關(guān)規(guī)定，按照SHRP PG和針入度分級(jí)體系分別對(duì)不同THFS添加量下改性瀝青進(jìn)行性能測試，見表8.

表8 不同THFS添加量下改性瀝青的性能

由表8可知：

1)THFS的加入且隨著THFS添加量的不斷增加，改性瀝青高溫性能越來越好(軟化點(diǎn)、黏度的提高)，但低溫性能越來越差(10 ℃延度的減小)，這意味著瀝青隨著THFS添加量的增加而不斷變硬、變脆. 當(dāng)THFS添加量大于6%時(shí)，THFS改性瀝青的低溫性能已不能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[19]中對(duì)50號(hào)瀝青10 ℃延度(≥10 cm)的要求.

2)THFS的加入且隨著THFS添加量的不斷增加，THFS改性瀝青的PG高溫等級(jí)在不斷提高，但PG低溫等級(jí)在不斷下降，這點(diǎn)與針入度評(píng)價(jià)體系的試驗(yàn)結(jié)果保持一致. 當(dāng)THFS添加量大于6%時(shí)，THFS改性瀝青的低溫等級(jí)下降了1個(gè)等級(jí).

3)綜合THFS改性瀝青的高、低溫性能，推薦THFS最佳添加量為6%.

4 結(jié)論

1)結(jié)合正交試驗(yàn)和灰關(guān)聯(lián)分析優(yōu)化確定THFS改性瀝青的最佳制備工藝，即剪切溫度為150 ℃，剪切時(shí)間為45 min，剪切速率為4 000 r/min.

2)結(jié)合SHRP PG和針入度分級(jí)評(píng)價(jià)體系對(duì)THFS性能進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)THFS的加入會(huì)提高瀝青的高溫性能，但對(duì)瀝青的低溫性能產(chǎn)生不利影響. 綜合THFS改性瀝青的高、低溫性能，推薦THFS最佳添加量為6%.

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[責(zé)任編輯：佟啟巾]

Optimization Design of Preparation Process for THFS Modified Asphalt Binder and its Performance Evaluation

Ji Jie1，2, Shi Yuefeng1，2, Suo Zhi1, Xu Ying1

(1.School of Civil and Traffic Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044;2.School of Civil and Traffic Engineering, Beijing Cooperative Innovation Research Center for Energy-Saving and Emission Reduction, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044)

To determine the preparation process for THFS(tetrahydrofuran soluble)which extracted from DCLR(direct coal liquefaction residue)and asphalt binder, the orthogonal test and grey relational degree analysis are applied to optimize the preparation process for THFS modified asphalt binder. The base asphalt is SK-90 and the THFS contents are 4%, 6%, 8% and 10% by mass of SK-90 asphalt binder. The properties of THFS modified asphalt binders are tested by SHRP PG and Penetration system. The test results indicate that orthogonal test combined with grey relational degree analysis can optimize the preparation process for THFS modified asphalt binder, and determine the optimum preparation process. The shear temperature is 150 ℃, shear time is 45 min, and shear rate is 4 000 r/min. Meanwhile, the high-temperature properties of THFS modified asphalt binders are improved, but the low-temperature properties of THFS modified asphalt binders are declined. Considering the high-and-low temperature properties of THFS modified asphalt binders comprehensively, the 6% THFS content is recommended.

direct coal liquefaction residue; tetrahydrofuran soluble; orthogonal experiment; grey relation degree analysis; optimization design; performance evaluation

1004-6011(2016)03-0055-06

2016-07-08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478028)

季節(jié)(1972—)，女，教授，博士，研究方向：道路工程材料.

U414

A