不同工藝制備瀝青性能分析

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【摘要】通過常規方法和SHRP膠結料性能評價方法，對某中間基原油為原料制備的直餾瀝青、氧化瀝青、催化氧化瀝青和SBS改性瀝青的性能進行了考察。研究結果表明：其直餾瀝青的使用性能較差，SBS改性瀝青和催化氧化瀝青的高低溫性能、抗疲勞開裂性能較好；氧化瀝青的使用性能優于直餾瀝青。建議對直餾瀝青的性能加以改善。

【關鍵詞】直餾瀝青；氧化瀝青；催化氧化瀝青；SBS改性瀝青；使用性能

目前，常用的道路瀝青生產工藝大體上可包括三種：第一種是物理方法，如原油常減壓蒸餾工藝和調合工藝等，其生產的直餾瀝青和調合瀝青也是當前我國用于鋪設公路最多的瀝青產品，幾乎占到了80%的份額；第二種屬于化學改性方法，如吹空氣氧化工藝、催化氧化和酸改性工藝等，我國在上世紀90年代較多采用氧化（半氧化）工藝生產道路瀝青[1]，但由于氧化尾氣處理和生產成本等原因，目前除對生產特殊要求的瀝青產品偶有使用外，用于一般道路瀝青的生產已幾乎絕跡；第三種是聚合物改性方法，比如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）、丁苯橡膠（SBR）、廢輪胎膠粉等改性工藝，其中SBS改性瀝青近年來用于鋪筑高等級公路面層的增長速度較快，使用量相對較大，約占道路瀝青總量的20%。盡管如此，如果不考慮其他因素，而按瀝青的性能考察上述幾種道路瀝青，及其對瀝青路面性能的影響，哪種工藝生產的瀝青產品更適合于相應的瀝青混凝土，其使用性能到底如何，就需要進行深入的研究，以便根據不同的場合合理選擇相應的產品，從而提高路面質量和壽命。鑒于此，本文用某中間基原油為原料，通過常規方法和SHRP膠結料性能評價方法[2]，對直餾瀝青、氧化瀝青、催化氧化瀝青和SBS改性瀝青的性能進行了考察。在此基礎上，針對我國實際情況，提出了道路瀝青的生產和應用建議。

1試驗部分

1.1試驗原料。中間基原油，來自于哈薩克斯坦油田；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS），工業級，天津樂金渤天化學有限責任公司；減壓渣油，自制。1.2試驗儀器。RheoStress6000型動態剪切流變儀（DSR），德國HAAKE公司；TE-BBR-F型彎曲梁流變儀（BBR）、CT-2000F型動力黏度測定儀，美國CANNON公司；YKA-100LT型高速剪切設備，上海依凱機械制造有限公司；PNR12型針入度儀、RKA5型軟化點測定儀、BPA4型脆點儀、T6060型薄膜烘箱（TFOT），德國Petrotest公司；CS325-B型旋轉薄膜烘箱（RTFOT），美國JamesCox＆Sons公司；9900型壓力老化儀，美國PrentexAlloyFabricators公司。1.3試驗制備。通過將某中間基原油進行常減壓蒸餾，并控制溫度和真空度，使其針入度符合相應牌號要求而得到直餾瀝青。將適宜拔出深度的減壓渣油在一定溫度下通入一定量的空氣，并控制氧化時間得到氧化瀝青。將減壓渣油在一定溫度下通入空氣，同時加入一定量的某種酸作為催化劑，并控制氧化時間得到催化氧化瀝青。用減壓渣油（直餾瀝青）作原料，加入SBS后通過高速剪切設備進行粉碎研磨，之后加入穩定劑并進行反應發育后得到SBS改性瀝青。1.4測定或表征。（1）技術指標：按照JTGF40—2004標準，對直餾瀝青和SBS改性瀝青以A級瀝青和聚合物改性瀝青進行測定；按照CTPK1373—2005標準，對氧化瀝青和催化氧化瀝青進行測定。（2）針入度：用針入度儀分別側定25℃和0℃時的針入度，0℃針入度可表征瀝青的低溫性能。（3）環球法軟化點：用軟化點儀測定，表征瀝青的高溫性能。（4）弗拉斯脆點：用脆點儀測定，表征瀝青的低溫性能。（5）動力黏度：用動力黏度測定儀測定60℃黏度，表征高溫性能。（6）抗老化性能：薄膜烘箱加熱老化后的瀝青針入度與原樣針入度之比，以百分數表示，即得到針入度比，表征抗老化性能。（7）流變學性能：由DSR測定瀝青RTFOT前后的復數剪切模量G*和相位角δ，用G*/sinδ表征高溫性能；用RTFOT前后G*/sinδ的變化，表征抗老化性能；用BBR測定瀝青RTFOT、壓力老化后的蠕變勁度S和蠕變速率m，表征低溫性能。

2結果與討論

通過對上述方法制備的直餾瀝青、氧化瀝青、催化氧化瀝青和SBS改性瀝青按相應的技術指標進行分析檢測。其中，直餾瀝青符合我國交通部JTGF40—2004標準中110A和90A瀝青技術要求，氧化瀝青符合哈薩克斯坦CTPK1373—2005標準中BND90/130和BND60/90標準要求，催化氧化瀝青除加熱后軟化點變化指標較高而不合格外，其他指標符合哈薩克斯坦CTPK1373—2005標準中BND90/130和BND60/90標準要求，SBS改性瀝青符合我國交通部JTGF40—2004中Ⅰ-A、Ⅰ-B和Ⅰ-C技術要求。道路瀝青的使用性能一直是道路工作者和瀝青科研人員最為關心的問題。盡管目前評價瀝青使用性能的一些方法尚存在著一定的局限性，但以針入度和軟化點等指標來測試是常規的方法，以及通過SHRP方法中的PG規范進行評價，都能不同程度反映出瀝青使用性能的好壞[3-4]。因此，下面分別用常規和SHRP膠結料性能評價方法對上述四種瀝青的使用性能進行評價。2.1常規指標評價。為了直觀地對比不同工藝生產的瀝青性質差別，將直餾、氧化、催化氧化以及SBS改性四種工藝制備的瀝青常規主要指標進行對比，如表1所示。2.1.1高溫性能代表高溫性能的軟化點和60℃動力黏度指標由小到大的順序是：直餾瀝青、氧化瀝青、催化氧化瀝青、SBS改性瀝青。這表明對于高溫性能而言，直餾瀝青最差，SBS改性瀝青最好，氧化和催化氧化瀝青居中。2.1.2低溫性能對于低溫性能，四種工藝制備的瀝青0℃針入度由小到大依次為：直餾瀝青<SBS改性瀝青<氧化瀝青<催化氧化瀝青；脆點指標由高到低依次是：直餾瀝青>SBS改性瀝青>氧化瀝青>催化氧化瀝青，二者規律一致。說明直餾瀝青低溫性能最差，其次是SBS改性瀝青，氧化和催化氧化瀝青較好。2.1.3感溫性能根據針入度指數，由大到小的順序為：直餾瀝青、氧化瀝青、催化氧化瀝青、SBS改性瀝青。說明感溫性能也是直餾瀝青最差，SBS改性瀝青最好，而氧化瀝青和催化氧化瀝青居中。2.1.4抗老化性能一般而言，薄膜烘箱試驗后針入度比和軟化點變化指標可表征瀝青的抗熱老化性能，由好到差的順序大致為：直餾瀝青≈氧化瀝青、SBS改性瀝青、催化氧化瀝青?？篃崂匣阅転榇呋趸癁r青最差、直餾瀝青和氧化瀝青較好，主要原因是氧、催化劑和穩定劑等在熱的短期作用下繼續發揮作用所致，這從加熱后直餾瀝青的脆點升高而其他瀝青脆點降低的現象可進一步證明。綜上所述，高溫性能和感溫性能由差到好的順序大致為：直餾瀝青、氧化瀝青、催化氧化瀝青、SBS改性瀝青。低溫性能同樣是直餾瀝青最差。2.2SHRP性能評價。瀝青是一種熱塑性、黏彈性材料，在低溫或快速載荷的作用下表現出彈性特征，在高溫或慢速載荷的作用下表現出黏性特征，在中溫區既表現出彈性又表現出黏性特征。而采用常規評價方法往往難以準確地評價出瀝青的流變性能。而SHRP計劃推薦的性能分級規范可較全面地反映出瀝青在不同的使用溫度下抗車轍、抗變形、抗開裂的能力，可把實驗室內的試驗結果與路用性能較好地關聯起來[2，4]。對上述幾種瀝青根據SHRP瀝青膠結料性能等級規范的要求分別進行測試，結果見表2。直餾、氧化、催化氧化以及SBS改性瀝青分別符合PG64-22、PG64-28、PG70-34和PG70-28級別。為了更加詳細準確地比較幾種工藝制備的瀝青使用性能，將原樣、RTFOT及PAV老化后的瀝青樣品測試全部數據繪制成了溫度與不同性能因素的關系曲線。2.2.1高溫和抗老化性能在SHRP膠結料規范中，用動態剪切流變儀測量復數剪切模量（G*）和相位角（δ），用G*/sinδ（抗車轍因子）來評價膠結料的高溫性能，如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知：同一溫度下，直餾瀝青原樣的抗車轍因子最小，其次是氧化和催化氧化瀝青，SBS改性瀝青最大。這說明直餾瀝青的高溫性能最差，SBS改性瀝青最好，與常規指標評價結果一致。此外RTFOT后催化氧化瀝青的G*/sinδ最大，這進一步說明，催化劑在繼續發揮作用。除此之外，直餾瀝青表現為抗老化性能較差，而氧化和改性瀝青相對穩定。2.2.2低溫性能SHRP規范采用彎曲梁流變儀通過測量經RTFOT和PAV老化后樣品的蠕變勁度（即瀝青抵抗荷載的能力s）和蠕變速率（即荷載作用時瀝青勁度隨時間的變化率m）來評價膠結料的低溫抗裂性能，如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知：盡管斜率不同，但就蠕變勁度而言，同溫度下，催化氧化瀝青最小，直餾瀝青最大，氧化和SBS改性瀝青居中。對于蠕變速率，直餾瀝青最小，催化氧化和SBS改性瀝青最大，氧化瀝青居中。綜合考慮s值和m值，可以認為直餾瀝青的低溫性能較差，催化氧化瀝青低溫性能較好，而氧化瀝青居中，尤其在-22℃以下時，催化氧化瀝青的低溫性能更突出，與常規指標結果基本一致。2.2.3抗疲勞開裂性能RTFOT和PAV后瀝青的G*•sinδ比較如圖5由圖5可知：直餾瀝青的抗疲勞開裂能力最差，另三種瀝青比較接近且在中溫區具有較強的抗疲勞開裂能力，其中，SBS改性瀝青和催化氧化瀝青抗疲勞開裂性能較好。綜上所述，綜合考慮瀝青各性質參數等因素，直餾瀝青的各項性能均較差，雖然催化氧化瀝青的高低溫等性能相對較好，但其抗老化性能差，而SBS改性和氧化瀝青的使用性能相對更好。2.3實際應用?？傮w來看，原油常減壓蒸餾工藝具有裝置簡單、投資少、技術難度小、操作容易和成本低等優點，是由原油生產各種瀝青必不可少的工藝。然而，本研究中直餾瀝青（包括調合瀝青）盡管常規指標符合交通部JTGF40—2004標準中要求最高的A級瀝青技術要求，但其各種使用性能均較差。這說明兩點：一是我國用于鋪路最多的直餾瀝青和調合瀝青性能尚不能適應交通環境的要求；二是我國現行的道路瀝青技術要求（指標）有待改進，尤其是表征瀝青低溫性能的指標。我國曾經使用的氧化瀝青工藝，裝置投資和操作費用并不是太大，但因為氧化尾氣的處理和排放受到大家關注，比直餾瀝青會增加一些成本，但瀝青的使用性能會提高一個檔次。若解決好尾氣處理問題，則不失為一種較好的瀝青生產方法。催化氧化瀝青工藝，除存在與氧化瀝青工藝同樣的問題外，由于催化劑的加入，對設備和管線的防腐是最大的問題，實行起來非常困難。此外，殘存的氧化劑在完成產品制備之后仍會繼續反應，而使瀝青性質不穩定。而SBS改性瀝青工藝，裝置占地面積小，投資較少，操作簡單靈活，易于實現，無大的環保問題，且產品性能較好，缺點是添加改性劑等所增加的成本較高。鑒于此，綜合考慮性能和生產等因素，采用氧化瀝青用于一、二級公路面層和高速公路下面層的鋪筑較合適，而SBS改性瀝青可用于高速公路等面層鋪筑，直餾瀝青可用于低等級公路和生產改性瀝青的原料等場合。

3結語

（1）通過常規方法和SHRP膠結料性能評價方法，研究了不同工藝制備的瀝青的高低溫性能、感溫性能和抗疲勞開裂等使用性能，其中以SBS改性瀝青和氧化瀝青較好，而直餾瀝青最差。（2）對于路用性能要求較高的瀝青路面，在不大量增加產品成本的基礎上，應該適度使用氧化瀝青，或者改善直餾和調合瀝青性能，開發與高等級公路相適應的道路瀝青生產新技術。（3）0℃針入度和脆點等指標與瀝青低溫性能的相關性更高。建議相關部門應該對瀝青指標與其路用性能的相關性進行深入研究，以便結合我國實際情況制定更加合理的技術標準或要求。

參考文獻

[1]張德勤，范耀華，師洪俊.石油瀝青的生產與應用[M].北京：中國石化出版社，2001.

[2]美國公路學會.高性能瀝青路面（Superpave）基礎參考手冊[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]張志祥，游玉石.SuperpavePG性能規范與針入度規范的有效性分析[J].石油瀝青，2007，21（1）：47-50.

[4]李笑塵.SUPERPAVE中的瀝青PG分級淺析[C].中國公路學會養護與管理分會第七屆學術年會論文集，2017.

作者:郭皎河 吳曉穎 傅麗 張建峰 寧愛民 單位:中國石化大連石油化工研究院