王 翠 紅

(中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

硬質(zhì)道路石油瀝青的應(yīng)用最早始于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)歐洲正經(jīng)歷著能源危機(jī)，為了利用較少的材料鋪筑出質(zhì)量較好的瀝青路面，法國(guó)的技術(shù)人員率先開展研究，提出了采用硬質(zhì)瀝青鋪筑薄型或超薄型瀝青路面的結(jié)構(gòu)模型。實(shí)踐證明，采用該結(jié)構(gòu)鋪助的路面使用性能好，而且能節(jié)約施工材料，因此該設(shè)計(jì)理念隨后在歐洲甚至世界各地得到推廣。該技術(shù)在保證路面的壽命和抗高溫變形能力不變甚至是有所提高的基礎(chǔ)上，使瀝青路面的鋪筑厚度降低10～20 cm，不僅節(jié)約了瀝青黏結(jié)劑的用量，而且也節(jié)約了集料的用量[1-3]。用于該鋪筑技術(shù)的硬質(zhì)瀝青應(yīng)具有硬度大、黏度大、黏附力強(qiáng)、抗老化性能好的特點(diǎn)。

硬質(zhì)道路石油瀝青能夠得到迅速推廣，不僅在于降低工程中瀝青及集料的用量、降低公路施工成本；而且隨著原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化程度加劇，生產(chǎn)硬質(zhì)道路石油瀝青也會(huì)成為石化行業(yè)解決重油加工后路的方法之一。

通常生產(chǎn)道路瀝青的工藝有蒸餾、氧化、溶劑脫瀝青及調(diào)合工藝。其中，調(diào)合工藝是生產(chǎn)道路瀝青最常用的方法，該工藝操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好、可操作性強(qiáng)，且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。通過(guò)合理選擇調(diào)合組分可以生產(chǎn)出質(zhì)量?jī)?yōu)良的瀝青產(chǎn)品。因硬質(zhì)道路瀝青要求具有硬度大、黏度高等特點(diǎn)，所以硬質(zhì)道路瀝青中需要摻入高溫性能好的關(guān)鍵組分。

1 硬質(zhì)道路石油瀝青關(guān)鍵組分

硬質(zhì)道路石油瀝青關(guān)鍵組分不僅需要適合的原料，還需要合理的工藝路線，既能保證關(guān)鍵組分具有所需要的高溫特性，又能使產(chǎn)品生產(chǎn)具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

1.1 硬質(zhì)道路瀝青關(guān)鍵組分原料篩選

以代號(hào)為B，D，E，F(xiàn)的4種原油的減壓渣油為原料，考察不同原料經(jīng)氧化工藝制備硬質(zhì)道路瀝青關(guān)鍵組分的效果，篩選出適合制備關(guān)鍵組分的原料。不同原料經(jīng)氧化工藝制備產(chǎn)物的性質(zhì)見表1。由表1可以看出：與D和E的減壓渣油相比，B和F的減壓渣油經(jīng)氧化工藝制備的產(chǎn)物具有更高的軟化點(diǎn)和PI值；B的減壓渣油的氧化產(chǎn)物還具有更高的針入度，同時(shí)具有更低的脆點(diǎn)，因此，B和F的減壓渣油經(jīng)氧化后的產(chǎn)物具有更好的高溫性能和感溫性能，更適合作為硬質(zhì)瀝青的關(guān)鍵組分；與F的減壓渣油相比，B的減壓渣油經(jīng)氧化后的產(chǎn)物具有更好的感溫性能。綜合分析，B的減壓渣油更適合作為硬質(zhì)瀝青關(guān)鍵組分的原料。

表1 不同渣油氧化后的產(chǎn)物性質(zhì)

1.2 硬質(zhì)瀝青關(guān)鍵組分制備工藝

實(shí)驗(yàn)室選用代號(hào)B的減壓渣油為原料，分別采用溶劑脫瀝青、蒸餾深拔及深度氧化工藝制備硬質(zhì)瀝青關(guān)鍵組分，性質(zhì)見表2。由表2可以看出，當(dāng)實(shí)沸點(diǎn)蒸餾切割溫度達(dá)到560 ℃時(shí)所得深拔渣油的軟化點(diǎn)只有83.1 ℃，采用深度氧化得到產(chǎn)物的軟化點(diǎn)為116.0 ℃，采用溶劑脫瀝青工藝可以得到軟化點(diǎn)在115.2～152.0 ℃范圍的脫油瀝青。由此可見，采用氧化或溶劑脫瀝青工藝可以得到高軟化點(diǎn)的產(chǎn)物，相比之下，蒸餾深拔工藝得到物料的軟化點(diǎn)較低。

表2 不同工藝下產(chǎn)物的軟化點(diǎn)

與深度氧化工藝相比，溶劑脫瀝青過(guò)程的操作溫度較低；溶劑脫瀝青工藝不僅可以靈活地得到不同軟化點(diǎn)的脫油瀝青，同時(shí)可以聯(lián)產(chǎn)較優(yōu)質(zhì)的催化裂化或加氫原料，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；而深度氧化過(guò)程則存在溫度較高或者時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)存在尾氣排放的環(huán)保問(wèn)題。因此，從獲得產(chǎn)物的可調(diào)控性及經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，選用溶劑脫瀝青工藝制備硬質(zhì)瀝青關(guān)鍵組分成為首選工藝。

1.3 硬質(zhì)瀝青關(guān)鍵組分成型造粒條件

當(dāng)瀝青的軟化點(diǎn)超過(guò)50 ℃時(shí)，常溫下即為固體。因此，當(dāng)軟化點(diǎn)達(dá)到100 ℃時(shí)，若采用液相儲(chǔ)存和運(yùn)輸，雖便于使用，但需要較高的溫度，且不宜長(zhǎng)距離運(yùn)輸；若采用類似建筑瀝青的塊狀成型，雖然便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，但是使用時(shí)難以在較短時(shí)間內(nèi)熔化，影響施工周期。如果能夠?qū)⒂操|(zhì)瀝青關(guān)鍵組分制成細(xì)小顆粒，則既便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，又便于現(xiàn)場(chǎng)使用。

為考察關(guān)鍵組分性質(zhì)與成型條件之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)室選用5種軟化點(diǎn)不同的瀝青進(jìn)行造粒。所選5種瀝青的軟化點(diǎn)列于表3，不同軟化點(diǎn)瀝青的黏溫曲線見圖1。

表3 瀝青軟化點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖1 瀝青的黏溫曲線◆—1號(hào)； ■—2號(hào)； ▲—3號(hào)； ●—4號(hào)； 號(hào)

結(jié)合表3和圖1可以看出，瀝青的軟化點(diǎn)不同，不同溫度下的黏度差別較大。因此，不同軟化點(diǎn)的瀝青，在進(jìn)行成型造粒時(shí)需要的加熱溫度不同，加熱溫度過(guò)低，造粒時(shí)就會(huì)出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象；加熱溫度過(guò)高，由于黏度較小，成型造粒時(shí)易出現(xiàn)流淌成片現(xiàn)象；加熱溫度適合時(shí)，瀝青的黏度適中，造粒時(shí)才能顆粒飽滿，大小均勻。

通過(guò)對(duì)所選樣品性質(zhì)數(shù)據(jù)及造粒成型時(shí)的情況進(jìn)行綜合分析，得出當(dāng)瀝青黏度在0.6～6 Pa·s范圍時(shí)適合成型造粒。

2 硬質(zhì)道路石油瀝青關(guān)鍵組分的通用性考察

對(duì)表2中的溶劑脫瀝青1樣品進(jìn)行造粒成型，考察其作為硬質(zhì)道路瀝青關(guān)鍵組分的通用性，以確定該關(guān)鍵組分制備技術(shù)及指標(biāo)控制是否可以大規(guī)模推廣。實(shí)驗(yàn)室選取了4種不同油源生產(chǎn)的90號(hào)瀝青(代號(hào)分別為L(zhǎng)，M，N，Q)作為調(diào)合軟組分，性質(zhì)見表4，以代號(hào)L的瀝青為原料，考察關(guān)鍵組分加入量對(duì)調(diào)合產(chǎn)物性質(zhì)的影響，結(jié)果見表5。在相同工藝條件、相同關(guān)鍵組分添加比例下，考察其對(duì)不同油源的通用性，結(jié)果見表6。

表4 基質(zhì)瀝青的性質(zhì)

由表4可以看出，所選4種基質(zhì)瀝青的針入度符合90號(hào)瀝青的針入度范圍，且4個(gè)樣品間的針入度間隔范圍較小，但是其族組成數(shù)據(jù)差別較大，飽和分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在14.6%～21.3%范圍內(nèi)，芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25.9%～37.7%范圍內(nèi)，膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40.3%～52.8%范圍內(nèi)，瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1%～8.5%范圍內(nèi)。說(shuō)明所選瀝青樣品具有代表性。

表5 不同調(diào)合比例下瀝青的性質(zhì)

由表5可以看出，隨著關(guān)鍵組分加入量的增加，調(diào)合瀝青針入度逐漸降低，脆點(diǎn)、軟化點(diǎn)逐漸增加，說(shuō)明所制備的關(guān)鍵組分確實(shí)能夠改善瀝青的高溫性能。

表6 關(guān)鍵組分的通用性

注：m(基質(zhì)瀝青)m(關(guān)鍵組分)為7030。

由表6可以看出：在關(guān)鍵組分摻入比例相同、工藝條件相同的情況下，調(diào)合產(chǎn)物的PG分級(jí)均能達(dá)到PG70-22以上；結(jié)合表4和表6的數(shù)據(jù)可以看出，摻加關(guān)鍵組分后，基質(zhì)瀝青在保留PG等級(jí)的低溫優(yōu)勢(shì)甚至有所提高的基礎(chǔ)上(M瀝青經(jīng)摻加了關(guān)鍵組分后，其PG等級(jí)的低溫等級(jí)提高了一檔)，其PG等級(jí)的高溫等級(jí)至少提高了二檔(每間隔6 ℃為一檔)。這說(shuō)明所制備的關(guān)鍵組分不僅對(duì)基質(zhì)瀝青高溫性能改善效果好，而且其油源的適配性也很好。分析關(guān)鍵組分能夠很好地改善基質(zhì)瀝青高溫性能、同時(shí)又不降低其低溫性能的原因可能在于：①關(guān)鍵組分的瀝青質(zhì)含量高，因此具有軟化點(diǎn)高、黏度大的特點(diǎn)，具有改善基質(zhì)瀝青高溫性能的能力。②在瀝青的膠體結(jié)構(gòu)中，以相對(duì)分子質(zhì)量很大的瀝青質(zhì)為中心，周圍吸附了一些極性較大的可溶質(zhì)組成的膠團(tuán)。瀝青質(zhì)分子對(duì)極性強(qiáng)大的膠質(zhì)所具有的強(qiáng)吸附力是形成瀝青膠體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。當(dāng)高瀝青質(zhì)含量的關(guān)鍵組分加入到基質(zhì)瀝青中時(shí)，首先通過(guò)外力作用將基質(zhì)瀝青的膠體結(jié)構(gòu)打破，此時(shí)關(guān)鍵組分進(jìn)入并重組其膠體結(jié)構(gòu)，使調(diào)合產(chǎn)物既保留了關(guān)鍵組分瀝青質(zhì)含量高的性能，同時(shí)又保留了基質(zhì)瀝青結(jié)構(gòu)黏度小的特點(diǎn)。

3 硬質(zhì)道路瀝青使用性能

3.1 硬質(zhì)道路瀝青混合料性能

為了評(píng)價(jià)采用外摻關(guān)鍵組分所制備硬質(zhì)道路瀝青的性能，實(shí)驗(yàn)室以同一種基質(zhì)瀝青為原料，分別制備出硬質(zhì)道路瀝青和SBS改性瀝青?；旌狭显O(shè)計(jì)采用常見的AC-20C類型，油石比為4.5%，為使評(píng)價(jià)結(jié)果具有可比性，瀝青混合料中除硬質(zhì)道路瀝青與SBS改性瀝青兩種黏結(jié)劑不同外，其他材料以及混合料級(jí)配均相同，瀝青性能評(píng)價(jià)及其混合料性能評(píng)價(jià)結(jié)果見表7。由表7可以看出：所制備的硬質(zhì)瀝青在高溫性能方面明顯優(yōu)于SBS改性瀝青，硬質(zhì)瀝青PG分級(jí)可承受最高環(huán)境溫度為76 ℃，而SBS改性瀝青PG分級(jí)可承受最高環(huán)境溫度為70 ℃；在低溫性能方面，所制備的硬質(zhì)瀝青略差于SBS改性瀝青；對(duì)于瀝青混合料性能而言，與SBS改性瀝青相比，所制備的硬質(zhì)道路瀝青具有更好的高溫性能，其動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到了6 128次mm，SBS改性瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度為5 433次mm；在瀝青混合料低溫性能方面，所制備的硬質(zhì)瀝青的低溫性能稍差于SBS改性瀝青，硬質(zhì)瀝青混合料的破壞應(yīng)變?yōu)? 365 με，SBS改性瀝青的破壞應(yīng)變?yōu)? 820 με。硬質(zhì)道路瀝青的主要目的是解決路面高溫車轍損壞問(wèn)題，雖然SBS改性瀝青長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是解決瀝青路面車轍病害的有效手段，但是因SBS改性瀝青的價(jià)格大約是采用上述工藝制備硬質(zhì)瀝青的2倍，且硬質(zhì)瀝青施工的和易性遠(yuǎn)優(yōu)于SBS改性瀝青，由此推斷硬質(zhì)瀝青的應(yīng)用前景十分廣闊。

表7 硬質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青性能對(duì)比

3.2 硬質(zhì)道路瀝青路用性能

利用所研發(fā)生產(chǎn)的硬質(zhì)道路瀝青關(guān)鍵組分，采用調(diào)合工藝，實(shí)現(xiàn)工廠化穩(wěn)定生產(chǎn)硬質(zhì)道路瀝青產(chǎn)品。所生產(chǎn)的硬質(zhì)道路石油瀝青成功地應(yīng)用于江珠高速、江六高速等高速路段的瀝青層，經(jīng)過(guò)2年以上的氣候和通車考驗(yàn)，瀝青路面無(wú)車轍、無(wú)開裂，仍然保持優(yōu)良的使用性能，受到用戶好評(píng)。實(shí)踐證明所生產(chǎn)的硬質(zhì)道路石油瀝青質(zhì)量穩(wěn)定，性能優(yōu)異。

4 結(jié) 論

(1)溶劑脫瀝青工藝是生產(chǎn)硬質(zhì)道路瀝青添加劑既靈活又經(jīng)濟(jì)的手段，同時(shí)聯(lián)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)催化裂化或加氫原料。

(2)以溶劑脫瀝青工藝制備的關(guān)鍵組分為調(diào)合硬組分，采用調(diào)合工藝可以穩(wěn)定生產(chǎn)出滿足要求的硬質(zhì)道路瀝青產(chǎn)品。

(3)硬質(zhì)瀝青關(guān)鍵組分對(duì)基質(zhì)瀝青高溫性能的改善效果明顯，硬質(zhì)瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青。

(4)采用關(guān)鍵組分生產(chǎn)的硬質(zhì)道路瀝青用于高速公路實(shí)體工程，經(jīng)過(guò)2年以上的氣候和通車考驗(yàn)，瀝青路面無(wú)車轍、無(wú)開裂，保持優(yōu)良的使用性能。