硬質道路石油瀝青關鍵組分的研制

王 翠 紅

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

硬質道路石油瀝青的應用最早始于20世紀70年代，當時歐洲正經歷著能源危機，為了利用較少的材料鋪筑出質量較好的瀝青路面，法國的技術人員率先開展研究，提出了采用硬質瀝青鋪筑薄型或超薄型瀝青路面的結構模型。實踐證明，采用該結構鋪助的路面使用性能好，而且能節約施工材料，因此該設計理念隨后在歐洲甚至世界各地得到推廣。該技術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上，使瀝青路面的鋪筑厚度降低10～20 cm，不僅節約了瀝青黏結劑的用量，而且也節約了集料的用量[1-3]。用于該鋪筑技術的硬質瀝青應具有硬度大、黏度大、黏附力強、抗老化性能好的特點。

硬質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；而且隨著原油重質化、劣質化程度加劇，生產硬質道路石油瀝青也會成為石化行業解決重油加工后路的方法之一。

通常生產道路瀝青的工藝有蒸餾、氧化、溶劑脫瀝青及調合工藝。其中，調合工藝是生產道路瀝青最常用的方法，該工藝操作簡單、經濟性好、可操作性強，且產品質量穩定。通過合理選擇調合組分可以生產出質量優良的瀝青產品。因硬質道路瀝青要求具有硬度大、黏度高等特點，所以硬質道路瀝青中需要摻入高溫性能好的關鍵組分。

1 硬質道路石油瀝青關鍵組分

硬質道路石油瀝青關鍵組分不僅需要適合的原料，還需要合理的工藝路線，既能保證關鍵組分具有所需要的高溫特性，又能使產品生產具有一定的經濟性。

1.1 硬質道路瀝青關鍵組分原料篩選

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

表1 不同渣油氧化后的產物性質

1.2 硬質瀝青關鍵組分制備工藝

實驗室選用代號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瀝青關鍵組分，性質見表2。由表2可以看出，當實沸點蒸餾切割溫度達到560 ℃時所得深拔渣油的軟化點只有83.1 ℃，采用深度氧化得到產物的軟化點為116.0 ℃，采用溶劑脫瀝青工藝可以得到軟化點在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的產物，相比之下，蒸餾深拔工藝得到物料的軟化點較低。

表2 不同工藝下產物的軟化點

與深度氧化工藝相比，溶劑脫瀝青過程的操作溫度較低；溶劑脫瀝青工藝不僅可以靈活地得到不同軟化點的脫油瀝青，同時可以聯產較優質的催化裂化或加氫原料，提高企業的經濟效益；而深度氧化過程則存在溫度較高或者時間較長，同時存在尾氣排放的環保問題。因此，從獲得產物的可調控性及經濟效益出發，選用溶劑脫瀝青工藝制備硬質瀝青關鍵組分成為首選工藝。

1.3 硬質瀝青關鍵組分成型造粒條件

當瀝青的軟化點超過50 ℃時，常溫下即為固體。因此，當軟化點達到100 ℃時，若采用液相儲存和運輸，雖便于使用，但需要較高的溫度，且不宜長距離運輸；若采用類似建筑瀝青的塊狀成型，雖然便于儲存和運輸，但是使用時難以在較短時間內熔化，影響施工周期。如果能夠將硬質瀝青關鍵組分制成細小顆粒，則既便于儲存和運輸，又便于現場使用。

為考察關鍵組分性質與成型條件之間的關系，實驗室選用5種軟化點不同的瀝青進行造粒。所選5種瀝青的軟化點列于表3，不同軟化點瀝青的黏溫曲線見圖1。

表3 瀝青軟化點數據

圖1 瀝青的黏溫曲線◆—1號； ■—2號； ▲—3號； ●—4號； 號

結合表3和圖1可以看出，瀝青的軟化點不同，不同溫度下的黏度差別較大。因此，不同軟化點的瀝青，在進行成型造粒時需要的加熱溫度不同，加熱溫度過低，造粒時就會出現拉絲現象；加熱溫度過高，由于黏度較小，成型造粒時易出現流淌成片現象；加熱溫度適合時，瀝青的黏度適中，造粒時才能顆粒飽滿，大小均勻。

通過對所選樣品性質數據及造粒成型時的情況進行綜合分析，得出當瀝青黏度在0.6～6 Pa·s范圍時適合成型造粒。

2 硬質道路石油瀝青關鍵組分的通用性考察

對表2中的溶劑脫瀝青1樣品進行造粒成型，考察其作為硬質道路瀝青關鍵組分的通用性，以確定該關鍵組分制備技術及指標控制是否可以大規模推廣。實驗室選取了4種不同油源生產的90號瀝青(代號分別為L，M，N，Q)作為調合軟組分，性質見表4，以代號L的瀝青為原料，考察關鍵組分加入量對調合產物性質的影響，結果見表5。在相同工藝條件、相同關鍵組分添加比例下，考察其對不同油源的通用性，結果見表6。

表4 基質瀝青的性質

由表4可以看出，所選4種基質瀝青的針入度符合90號瀝青的針入度范圍，且4個樣品間的針入度間隔范圍較小，但是其族組成數據差別較大，飽和分質量分數在14.6%～21.3%范圍內，芳香分質量分數在25.9%～37.7%范圍內，膠質質量分數在40.3%～52.8%范圍內，瀝青質質量分數在0.1%～8.5%范圍內。說明所選瀝青樣品具有代表性。

表5 不同調合比例下瀝青的性質

由表5可以看出，隨著關鍵組分加入量的增加，調合瀝青針入度逐漸降低，脆點、軟化點逐漸增加，說明所制備的關鍵組分確實能夠改善瀝青的高溫性能。

表6 關鍵組分的通用性

注：m(基質瀝青)m(關鍵組分)為7030。

由表6可以看出：在關鍵組分摻入比例相同、工藝條件相同的情況下，調合產物的PG分級均能達到PG70-22以上；結合表4和表6的數據可以看出，摻加關鍵組分后，基質瀝青在保留PG等級的低溫優勢甚至有所提高的基礎上(M瀝青經摻加了關鍵組分后，其PG等級的低溫等級提高了一檔)，其PG等級的高溫等級至少提高了二檔(每間隔6 ℃為一檔)。這說明所制備的關鍵組分不僅對基質瀝青高溫性能改善效果好，而且其油源的適配性也很好。分析關鍵組分能夠很好地改善基質瀝青高溫性能、同時又不降低其低溫性能的原因可能在于：①關鍵組分的瀝青質含量高，因此具有軟化點高、黏度大的特點，具有改善基質瀝青高溫性能的能力。②在瀝青的膠體結構中，以相對分子質量很大的瀝青質為中心，周圍吸附了一些極性較大的可溶質組成的膠團。瀝青質分子對極性強大的膠質所具有的強吸附力是形成瀝青膠體結構的基礎。當高瀝青質含量的關鍵組分加入到基質瀝青中時，首先通過外力作用將基質瀝青的膠體結構打破，此時關鍵組分進入并重組其膠體結構，使調合產物既保留了關鍵組分瀝青質含量高的性能，同時又保留了基質瀝青結構黏度小的特點。

3 硬質道路瀝青使用性能

3.1 硬質道路瀝青混合料性能

為了評價采用外摻關鍵組分所制備硬質道路瀝青的性能，實驗室以同一種基質瀝青為原料，分別制備出硬質道路瀝青和SBS改性瀝青。混合料設計采用常見的AC-20C類型，油石比為4.5%，為使評價結果具有可比性，瀝青混合料中除硬質道路瀝青與SBS改性瀝青兩種黏結劑不同外，其他材料以及混合料級配均相同，瀝青性能評價及其混合料性能評價結果見表7。由表7可以看出：所制備的硬質瀝青在高溫性能方面明顯優于SBS改性瀝青，硬質瀝青PG分級可承受最高環境溫度為76 ℃，而SBS改性瀝青PG分級可承受最高環境溫度為70 ℃；在低溫性能方面，所制備的硬質瀝青略差于SBS改性瀝青；對于瀝青混合料性能而言，與SBS改性瀝青相比，所制備的硬質道路瀝青具有更好的高溫性能，其動穩定度達到了6 128次mm，SBS改性瀝青的動穩定度為5 433次mm；在瀝青混合料低溫性能方面，所制備的硬質瀝青的低溫性能稍差于SBS改性瀝青，硬質瀝青混合料的破壞應變為3 365 με，SBS改性瀝青的破壞應變為3 820 με。硬質道路瀝青的主要目的是解決路面高溫車轍損壞問題，雖然SBS改性瀝青長期以來被認為是解決瀝青路面車轍病害的有效手段，但是因SBS改性瀝青的價格大約是采用上述工藝制備硬質瀝青的2倍，且硬質瀝青施工的和易性遠優于SBS改性瀝青，由此推斷硬質瀝青的應用前景十分廣闊。

表7 硬質瀝青與SBS改性瀝青性能對比

3.2 硬質道路瀝青路用性能

利用所研發生產的硬質道路瀝青關鍵組分，采用調合工藝，實現工廠化穩定生產硬質道路瀝青產品。所生產的硬質道路石油瀝青成功地應用于江珠高速、江六高速等高速路段的瀝青層，經過2年以上的氣候和通車考驗，瀝青路面無車轍、無開裂，仍然保持優良的使用性能，受到用戶好評。實踐證明所生產的硬質道路石油瀝青質量穩定，性能優異。

4 結 論

(1)溶劑脫瀝青工藝是生產硬質道路瀝青添加劑既靈活又經濟的手段，同時聯產優質催化裂化或加氫原料。

(2)以溶劑脫瀝青工藝制備的關鍵組分為調合硬組分，采用調合工藝可以穩定生產出滿足要求的硬質道路瀝青產品。

(3)硬質瀝青關鍵組分對基質瀝青高溫性能的改善效果明顯，硬質瀝青混合料的高溫性能優于SBS改性瀝青。

(4)采用關鍵組分生產的硬質道路瀝青用于高速公路實體工程，經過2年以上的氣候和通車考驗，瀝青路面無車轍、無開裂，保持優良的使用性能。