超聲波處理對(duì)復(fù)合瀝青的理化性質(zhì)和流變性能影響

惠興智

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

引言

改革開放以來，我國公路交通建設(shè)發(fā)展迅猛，瀝青道路以其優(yōu)異的綜合性能被廣泛運(yùn)用在我國高速公路和城市道路中。但隨著工業(yè)的發(fā)展和生活水平的提高，交通量、車輛載重量和車輛行駛頻率逐年增加，對(duì)于瀝青道路的綜合性能已有更高的要求，而對(duì)于瀝青混合料來說，所用瀝青的性能對(duì)于瀝青混合料的性能影響深重[1-2]。道路瀝青的生產(chǎn)過程中，主要是通過熱處理和多種組分混合的方式調(diào)整瀝青的質(zhì)量。在復(fù)雜的多組分石油體系中，低分子和高分子量化合物分子之間存在協(xié)同作用形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)單元，即在外部作用下能夠改變其組成分子的結(jié)構(gòu)，這種方法可用于調(diào)節(jié)石油分散體系[3-4]。外部作用一般為引入石油系統(tǒng)的特殊化學(xué)添加劑以及超聲波處理。超聲波能積極影響化學(xué)反應(yīng)的速率，加快熱傳遞，有助于提高工藝的生產(chǎn)率，降低它們的能量強(qiáng)度，改善最終產(chǎn)品的質(zhì)量[5]。超聲波處理石油瀝青的主要優(yōu)點(diǎn)是可以降低能量消耗和處理過程中的絕對(duì)安全[6-7]。這些文獻(xiàn)表明，超聲波處理對(duì)減壓渣油和石油餾分的物理化學(xué)性質(zhì)的影響是不明確的，對(duì)于包含烴類的復(fù)雜多組分介質(zhì)在超聲波場(chǎng)的作用機(jī)制和超聲波處理過程中復(fù)合瀝青發(fā)生物理化學(xué)變化的效能仍存在較大的爭(zhēng)議。研究超聲波處理對(duì)瀝青原料和復(fù)合瀝青的物理化學(xué)性質(zhì)的影響，以及對(duì)混合多種原料瀝青得到的復(fù)合瀝青流變性能的影響，旨在驗(yàn)證超聲波處理對(duì)于提高復(fù)合瀝青性能的可行性。

1 試驗(yàn)方案

通過UIP1000hd 發(fā)生器進(jìn)行超聲波處理，超聲波功率為2.4～2.6 W/cm2，振蕩頻率為20.0±0.1 kHz，樣品在氮?dú)猸h(huán)境中超聲處理300 s；根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011），通過旋轉(zhuǎn)流變儀研究不同剪切速率下的動(dòng)態(tài)黏度進(jìn)而評(píng)價(jià)復(fù)合瀝青的流變性；采用液相色譜法研究減壓渣油和石油餾分中石蠟-環(huán)烷烴的濃度變化。

2 瀝青原料的物理化學(xué)性質(zhì)研究

研究對(duì)象為阿蘭重油（AHO）減壓渣油、西伯利亞原油（WSO）減壓渣油、減壓重瓦斯油（HVGO）、420 ～500 ℃下餾分油（DOF）、從減壓塔濃縮段底板抽出的黑油餾分（BOF）。減壓渣油和餾分在超聲波處理前后的物理化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 減壓渣油和石油餾分超聲波處理前后的物理化學(xué)性質(zhì)

（1）所得結(jié)果不能明確揭示這些石油產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)黏度或軟化點(diǎn)與超聲波作用的關(guān)系，但密度和瀝青質(zhì)含量的變化趨勢(shì)都表明石油組分中的分散結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。（2）超聲波處理引起的運(yùn)動(dòng)黏度和密度下降幅度最大的是AHO、WSO 減壓渣油和黑油餾分BOF，它們的化學(xué)基團(tuán)組成中均含有瀝青質(zhì)，并且瀝青質(zhì)的含量在超聲波處理后均有所提升。

采用液相色譜法研究減壓渣油和石油餾分的烴類組成，并通過初始樣品中樹脂含量的百分比表示通過超聲波處理降低的樹脂含量，結(jié)果表明超聲波處理會(huì)導(dǎo)致減壓渣油和石油餾分的化學(xué)組分發(fā)生變化，見圖1。

圖1 超聲波作用下減壓渣油和石油餾分中化學(xué)基團(tuán)組成的變化

在減壓渣油（AHO、WSO）和石油餾分（DOF、HVGO、BOF）中，石蠟-環(huán)烷烴濃度均呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，所有樣品中的樹脂含量都在降低。因?yàn)槌暡ê芸赡軐?dǎo)致樹脂的部分降解，而且樹脂在超聲波激發(fā)的空化作用下會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈降解形成石蠟-環(huán)烷化合物，組分中瀝青質(zhì)含量的輕微增加見表1，可以解釋為由于樹脂降解而導(dǎo)致的組分重新分布。

3 復(fù)合瀝青的物理化學(xué)性質(zhì)

為了分析超聲波對(duì)復(fù)合瀝青流變性能的影響，按4 ∶4 ∶2 的 比 例 將AHO 減 壓 渣 油、WSO 減壓渣油、HVGO 進(jìn)行混合得到bnd70/100 級(jí)道路復(fù)合瀝青樣品。在溫度為130 ℃、轉(zhuǎn)速為60 rad/min的攪拌器中，將復(fù)合瀝青樣品攪拌30 min 制得樣品1。在攪拌溫度為110 ℃、轉(zhuǎn)速為60 rad/min 的攪拌器中，將道路復(fù)合瀝青樣品攪拌25 min 后關(guān)閉外部加熱，對(duì)復(fù)合瀝青進(jìn)行超聲波處理5 min 得到樣品2。在沒有外部加熱的情況下，超聲波處理期間復(fù)合瀝青的溫度在5 min 內(nèi)從110 ℃增加到160 ℃。樣品1 和2 的物理化學(xué)性質(zhì)見表2。

表2 超聲波處理前后復(fù)合瀝青樣品的物理化學(xué)性質(zhì)

結(jié)果表明，與僅使用攪拌器攪拌的復(fù)合瀝青樣品1 相比，超聲波處理后的復(fù)合瀝青樣品2 具有更長(zhǎng)的使用壽命（軟化點(diǎn)和脆性點(diǎn)之和更大）、閃點(diǎn)更高、老化后參數(shù)更好。在相同的軟化點(diǎn)，樣品2 較軟（25 ℃下的針入度大5 個(gè)單位）。樣品2 在25 ℃時(shí)的拉力略高于樣品1，表明超聲波處理后的樣品2 黏結(jié)力良好，黏結(jié)料具有較好的抗剪切能力。從樣品1、2 的滲透指數(shù)變化可以發(fā)現(xiàn)，瀝青膠體狀態(tài)從明顯的“溶膠”結(jié)構(gòu)到“溶膠-凝膠”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)道路瀝青來說更為理想。

4 復(fù)合瀝青的流變性能

為了分析超聲波處理對(duì)復(fù)合瀝青流變性能的影響，通過多次改變動(dòng)態(tài)剪切流變儀剪切速率（1.5 ～3 ～1.5 rad/s）研究復(fù)合瀝青動(dòng)態(tài)黏度的變化。根據(jù)在兩次剪切速率為1.5 rad/s 時(shí)的動(dòng)態(tài)黏度值，通過公式（1）計(jì)算動(dòng)態(tài)黏度變化百分比，評(píng)估超聲波處理前后復(fù)合瀝青流變性能變化，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

式中：m—?jiǎng)討B(tài)剪切前后的動(dòng)態(tài)黏度變化，%；η1—剪切速率增加前，1.5 rad/s 處的動(dòng)態(tài)黏度，Pa·s；η2—將剪切速率重新降低到1.5 rad/s時(shí)的動(dòng)態(tài)黏度，Pa·s。

圖2 復(fù)合瀝青樣品1、2 的動(dòng)態(tài)黏度試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)剪切速率從1.5 rad/s 增加到30 rad/s 時(shí)，經(jīng)過超聲波處理的復(fù)合瀝青樣品2 的動(dòng)態(tài)黏度從178 Pa·s 降至100 Pa·s，當(dāng)恢復(fù)到初始剪切速率后，動(dòng)態(tài)黏度恢復(fù)到120 Pa·s。根據(jù)公式（1）計(jì)算，樣品2 的動(dòng)態(tài)黏度變化百分比為32.2%。未經(jīng)超聲波處理的樣品1 具有較高的初始動(dòng)態(tài)黏度278 Pa·s，但其剪切阻力較低，樣品1 在剪切作用下的動(dòng)態(tài)黏度變化為58.5%?？梢缘贸?，超聲波處理可以提高復(fù)合瀝青的流變性能，從而提高瀝青的抗剪切變形能力。

5 結(jié)語

通過超聲波處理研究復(fù)合瀝青的流變性能，發(fā)現(xiàn)超聲波可以改善合成瀝青的流變性能，提高瀝青的均勻性和抗剪切性能，建立了超聲波處理瀝青的有效途徑。與現(xiàn)有的瀝青道路生產(chǎn)技術(shù)相比，超聲波處理能夠大大降低瀝青加熱和瀝青混合料制備過程中的能耗，降低瀝青道路的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)成本。