重質(zhì)委油脫油瀝青制備湖瀝青代替品技術(shù)研究*

黃小僑，岳宗豪，江發(fā)強(qiáng)，邵子奇，李雨師

(1.中石油燃料油有限責(zé)任公司研究院，北京 100195； 2.中石油燃料油有限責(zé)任公司華北銷售分公司，北京 100123)

重質(zhì)委油脫油瀝青(DOA)是溶劑脫瀝青工藝中除脫瀝青油以外的主要產(chǎn)品，主要成分為膠質(zhì)、瀝青質(zhì)及少量油分，其軟化點(diǎn)高、針入度低、延展性和黏結(jié)性差。我國脫油瀝青雖然生產(chǎn)規(guī)模較大，且經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)廉價(jià)，但由于產(chǎn)品的低溫性能較差，除少量用于生產(chǎn)道路瀝青、建筑瀝青[1-4]及碳素的材料外，其他方面的利用研究較少。我國對(duì)脫油瀝青的研究側(cè)重于其生產(chǎn)工藝，對(duì)其產(chǎn)品的利用也僅限于少數(shù)方面[5]。因此，拓寬脫油瀝青應(yīng)用領(lǐng)域，提高其附加值對(duì)于完善溶劑脫瀝青工藝，提高重油加工的整體效益具有重要的意義。

目前人們形成共識(shí)的湖瀝青以特立尼達(dá)湖為代表。特立尼達(dá)湖瀝青是一種天然瀝青，自1860年起，開始應(yīng)用于建筑及道路工程中。目前，使用特立尼達(dá)湖瀝青的國家及地區(qū)已達(dá)三十多個(gè)，而且已被一些主要的發(fā)達(dá)國家如美英等國指定使用。中國自1973年開始使用該瀝青，1999年后大批量使用在機(jī)場(chǎng)、高速公路等工程上。實(shí)踐證明，摻入一定量特立尼達(dá)湖瀝青制備的改性瀝青可以顯著地改善瀝青的表面層結(jié)構(gòu)和路用性能。但由于湖瀝青價(jià)格高于普通道路瀝青和建筑瀝青且資源有限，在道路鋪設(shè)過程中的使用量又較大，故制約了它的大范圍推廣使用。本研究以委油生產(chǎn)的DOA等為原料，復(fù)配一定量的無機(jī)礦物質(zhì)，制備湖瀝青替代品，并以此替代品為改性劑，昆侖AH-90為基質(zhì)瀝青，制備改性瀝青，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 主要原料

本研究使用委油生產(chǎn)的DOA原料及目標(biāo)產(chǎn)品(湖瀝青)的部分性質(zhì)見表1。

表1 DOA與湖瀝青基本性質(zhì)

從表1中可以看出，湖瀝青在甲苯中的溶解度只有56.70%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.90%，從灰分和甲苯不溶物可以看出，湖瀝青中的不溶物主要是黏土類物質(zhì)。從DOA的性質(zhì)可以看出，其溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于湖瀝青，灰分含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于湖瀝青，也就是說作為道路瀝青黏結(jié)劑的有效組分DOA遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于湖瀝青。

研究表明湖瀝青之所以是良好的道路瀝青改性劑，是因?yàn)槠浜写罅康臒o機(jī)礦物質(zhì)成分，為了確定本研究選用的無機(jī)礦物質(zhì)的組成，對(duì)湖瀝青中的礦物質(zhì)進(jìn)行了X射線衍射分析，得到了它的無機(jī)礦物質(zhì)組成，并通過顯微鏡得到了無機(jī)礦物質(zhì)的粒徑分布。

根據(jù)X射線衍射分析中各個(gè)峰的位置、強(qiáng)度、高度初步判斷可能含有的礦物質(zhì)，然后根據(jù)某種礦物質(zhì)的PDF卡在譜圖中找到相應(yīng)的特征峰的位置，從而判斷該物質(zhì)是否存在以及計(jì)算某種礦物質(zhì)在總礦物質(zhì)中的相對(duì)含量。湖瀝青與擬選無機(jī)礦物質(zhì)的礦物組成見表2。

表2 湖瀝青與擬選無機(jī)礦物質(zhì)的礦物組成

從表2可以看出，湖瀝青中的礦物質(zhì)約一半是以高嶺石為主的黏土礦，而另外的主要是石英，同時(shí)含有極少量的黃鐵礦、斜長(zhǎng)石和礦物鹽；擬選無機(jī)礦物質(zhì)成分主要是蒙脫石黏土礦(87%)和石英(10%)。研究中通過加入擬選無機(jī)礦物質(zhì)和AH-70，制備出的硬瀝青母體與湖瀝青的性質(zhì)相似。

2 結(jié)果與討論

2.1 湖瀝青替代品的制備及評(píng)價(jià)

本研究制備湖瀝青替代品的步驟是，基質(zhì)瀝青加熱到200 ℃后加入一定比例DOA和無機(jī)礦物質(zhì)，攪拌2 h，停止加熱和攪拌后，倒出樣品進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表3。由表3可知，湖瀝青替代品與湖瀝青兩者的性質(zhì)相近，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足湖瀝青的技術(shù)要求。

表3 湖瀝青替代品與湖瀝青性質(zhì)比較

2.2 湖瀝青改性瀝青的制備及評(píng)價(jià)

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中關(guān)于湖瀝青改性瀝青產(chǎn)品技術(shù)要求見表4。

表4 湖瀝青改性瀝青性質(zhì)

以湖瀝青為改性劑，以委油生產(chǎn)的AH-90作為基質(zhì)瀝青，制備含不同湖瀝青量的改性瀝青。工藝條件為攪拌溫度180 ℃，攪拌時(shí)間0.5 h，制得的改性瀝青性質(zhì)見表5及圖1。

由表5可知，隨著湖瀝青用量增加，改性瀝青軟化點(diǎn)升高，針入度降低。由圖1可知，當(dāng)湖瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～18%時(shí)，改性瀝青針入度為4～6 mm，符合表4中TMA-50對(duì)針入度的要求。選擇湖瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，制備樣品分析，其針入度為5.1 mm。

在同樣的工藝條件下，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的湖瀝青替代品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6及圖2。由圖2可知，當(dāng)湖瀝青替代品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%～21%時(shí)，改性瀝青針入度為4～6 mm，符合表4中TMA-50對(duì)針入度的要求。選擇湖瀝青替代品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%，制備樣品分析，其針入度為5 mm。

表5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)湖瀝青對(duì)改性瀝青性質(zhì)的影響溫度/℃時(shí)間/hw (湖瀝青)/%w (AH-90)/%針入度 (25 ℃)/(10-1 mm)軟化點(diǎn)/℃1800.55957048.01800.510906349.21800.515855751.21800.520803855.0表6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)湖瀝青替代品對(duì)改性瀝青性質(zhì)的影響溫度/℃時(shí)間/hw (湖瀝青替代品)/%w (AH-90)/%針入度 (25 ℃)/(10-1 mm)軟化點(diǎn)/℃1800.55957248.61800.510906650.11800.515855853.51800.520804256.61800.525753659.3

圖1 湖瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)改性瀝青性質(zhì)的影響 圖2 湖瀝青替代品質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)改性瀝青性質(zhì)的影響

對(duì)分別采用湖瀝青和湖瀝青替代品制備針入度5 mm左右的改性瀝青，按照《規(guī)范》進(jìn)行分析，結(jié)果見表7。由表7可看出，采用DOA制備的湖瀝青替代品，針入度、動(dòng)力黏度、PG等級(jí)、黏度等級(jí)等與湖瀝青相當(dāng)。綜上所述，以DOA為原料制備湖瀝青替代品是可行的。

表7 改性瀝青的性質(zhì)

2.3 高性能瀝青混合料綜合路用性能研究

對(duì)以湖瀝青替代品制備的改性瀝青混合料進(jìn)行混合料路用性能試驗(yàn)研究，內(nèi)容主要包括混合料的高溫抗車轍性能、水穩(wěn)定性能和低溫抗裂性能等方面。

1)最佳油石比的確定。根據(jù)各種礦料配合比例及其毛體積密度，并結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，AC-20C最佳油石比按4.5%，對(duì)應(yīng)的馬歇爾試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8。根據(jù)表8試驗(yàn)結(jié)果，按照規(guī)范的要求計(jì)算AC-20C的有效瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.87%，對(duì)應(yīng)的粉膠比為1.3，對(duì)應(yīng)的瀝青膜有效厚度為9.4 μm。

表8 最佳油石比下馬歇爾試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2)高溫穩(wěn)定性能。采用車轍試驗(yàn)得出的動(dòng)穩(wěn)定度來評(píng)價(jià)改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 混合料高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表9結(jié)果可見，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、流值及車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度，均達(dá)到了《規(guī)范》提出的瀝青混合料的性能要求。由此可見湖瀝青替代品混合料具有良好的高溫抗車轍能力。

3)水穩(wěn)定性能。根據(jù)《規(guī)范》的要求，瀝青混合料的水穩(wěn)定性能指標(biāo)采用浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度和凍融前后的劈裂強(qiáng)度比兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)。湖瀝青替代品混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)中所測(cè)定的馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)中凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果分別為91.5%和82.6%，均能滿足現(xiàn)行《規(guī)范》在1-3-2區(qū)域的馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)中凍融劈裂強(qiáng)度比分別不低于85%和80%的要求。

4)低溫抗裂性能。根據(jù)《規(guī)范》的要求，瀝青混合料的抗低溫開裂性能用低溫彎曲試驗(yàn)的破壞應(yīng)變指標(biāo)來評(píng)價(jià)。湖瀝青替代品混合料的低溫彎曲試驗(yàn)的破壞應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果為2115 με(-10 ℃)，滿足《規(guī)范》在1-3-2區(qū)域要求的≥2000 με(-10 ℃)，表明湖瀝青替代品混合料具有良好的低溫抗裂性能。

3 結(jié)論

(1)以DOA和昆侖AH-70瀝青為原料，復(fù)配一定質(zhì)量的無機(jī)礦物質(zhì)，制備出的硬瀝青母體與湖瀝青的性質(zhì)相似。(2)分別以湖瀝青和湖瀝青替代品為改性劑，昆侖AH-90為基質(zhì)瀝青，在同樣的工藝條件下，制備的改性瀝青在針入度、PG等級(jí)、黏度等級(jí)等方面均與湖瀝青相當(dāng)，因此以DOA為原料制備湖瀝青替代品是可行的。(3)通過車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，通過浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)了混合料的水穩(wěn)定性，通過低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)了瀝青混合料的低溫抗裂性。結(jié)果表明，DOA制備的湖瀝青替代品混合料的路用性能完全滿足《規(guī)范》的相應(yīng)要求。