重質委油脫油瀝青制備湖瀝青代替品技術研究*

黃小僑，岳宗豪，江發強，邵子奇，李雨師

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

重質委油脫油瀝青(DOA)是溶劑脫瀝青工藝中除脫瀝青油以外的主要產品，主要成分為膠質、瀝青質及少量油分，其軟化點高、針入度低、延展性和黏結性差。我國脫油瀝青雖然生產規模較大，且經濟成本相對廉價，但由于產品的低溫性能較差，除少量用于生產道路瀝青、建筑瀝青[1-4]及碳素的材料外，其他方面的利用研究較少。我國對脫油瀝青的研究側重于其生產工藝，對其產品的利用也僅限于少數方面[5]。因此，拓寬脫油瀝青應用領域，提高其附加值對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。

目前人們形成共識的湖瀝青以特立尼達湖為代表。特立尼達湖瀝青是一種天然瀝青，自1860年起，開始應用于建筑及道路工程中。目前，使用特立尼達湖瀝青的國家及地區已達三十多個，而且已被一些主要的發達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場、高速公路等工程上。實踐證明，摻入一定量特立尼達湖瀝青制備的改性瀝青可以顯著地改善瀝青的表面層結構和路用性能。但由于湖瀝青價格高于普通道路瀝青和建筑瀝青且資源有限，在道路鋪設過程中的使用量又較大，故制約了它的大范圍推廣使用。本研究以委油生產的DOA等為原料，復配一定量的無機礦物質，制備湖瀝青替代品，并以此替代品為改性劑，昆侖AH-90為基質瀝青，制備改性瀝青，并對其進行評價。

1 主要原料

本研究使用委油生產的DOA原料及目標產品(湖瀝青)的部分性質見表1。

表1 DOA與湖瀝青基本性質

從表1中可以看出，湖瀝青在甲苯中的溶解度只有56.70%，灰分質量分數為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。從DOA的性質可以看出，其溶解度遠遠高于湖瀝青，灰分含量遠遠低于湖瀝青，也就是說作為道路瀝青黏結劑的有效組分DOA遠遠高于湖瀝青。

研究表明湖瀝青之所以是良好的道路瀝青改性劑，是因為其含有大量的無機礦物質成分，為了確定本研究選用的無機礦物質的組成，對湖瀝青中的礦物質進行了X射線衍射分析，得到了它的無機礦物質組成，并通過顯微鏡得到了無機礦物質的粒徑分布。

根據X射線衍射分析中各個峰的位置、強度、高度初步判斷可能含有的礦物質，然后根據某種礦物質的PDF卡在譜圖中找到相應的特征峰的位置，從而判斷該物質是否存在以及計算某種礦物質在總礦物質中的相對含量。湖瀝青與擬選無機礦物質的礦物組成見表2。

表2 湖瀝青與擬選無機礦物質的礦物組成

從表2可以看出，湖瀝青中的礦物質約一半是以高嶺石為主的黏土礦，而另外的主要是石英，同時含有極少量的黃鐵礦、斜長石和礦物鹽；擬選無機礦物質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礦物質和AH-70，制備出的硬瀝青母體與湖瀝青的性質相似。

2 結果與討論

2.1 湖瀝青替代品的制備及評價

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

表3 湖瀝青替代品與湖瀝青性質比較

2.2 湖瀝青改性瀝青的制備及評價

《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)(以下簡稱《規范》)中關于湖瀝青改性瀝青產品技術要求見表4。

表4 湖瀝青改性瀝青性質

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

由表5可知，隨著湖瀝青用量增加，改性瀝青軟化點升高，針入度降低。由圖1可知，當湖瀝青質量分數為12%～18%時，改性瀝青針入度為4～6 mm，符合表4中TMA-50對針入度的要求。選擇湖瀝青質量分數為16%，制備樣品分析，其針入度為5.1 mm。

在同樣的工藝條件下，添加不同質量分數的湖瀝青替代品，實驗結果見表6及圖2。由圖2可知，當湖瀝青替代品的質量分數為13%～21%時，改性瀝青針入度為4～6 mm，符合表4中TMA-50對針入度的要求。選擇湖瀝青替代品的質量分數為18%，制備樣品分析，其針入度為5 mm。

表5 不同質量分數湖瀝青對改性瀝青性質的影響溫度/℃時間/hw (湖瀝青)/%w (AH-90)/%針入度 (25 ℃)/(10-1 mm)軟化點/℃1800.55957048.01800.510906349.21800.515855751.21800.520803855.0表6 不同質量分數湖瀝青替代品對改性瀝青性質的影響溫度/℃時間/hw (湖瀝青替代品)/%w (AH-90)/%針入度 (25 ℃)/(10-1 mm)軟化點/℃1800.55957248.61800.510906650.11800.515855853.51800.520804256.61800.525753659.3

圖1 湖瀝青質量分數對改性瀝青性質的影響 圖2 湖瀝青替代品質量分數對改性瀝青性質的影響

對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《規范》進行分析，結果見表7。由表7可看出，采用DOA制備的湖瀝青替代品，針入度、動力黏度、PG等級、黏度等級等與湖瀝青相當。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

2.3 高性能瀝青混合料綜合路用性能研究

對以湖瀝青替代品制備的改性瀝青混合料進行混合料路用性能試驗研究，內容主要包括混合料的高溫抗車轍性能、水穩定性能和低溫抗裂性能等方面。

1)最佳油石比的確定。根據各種礦料配合比例及其毛體積密度，并結合以往經驗，AC-20C最佳油石比按4.5%，對應的馬歇爾試驗數據見表8。根據表8試驗結果，按照規范的要求計算AC-20C的有效瀝青質量分數為3.87%，對應的粉膠比為1.3，對應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數據

2)高溫穩定性能。采用車轍試驗得出的動穩定度來評價改性瀝青混合料的高溫穩定性。試驗結果見表9。

表9 混合料高溫穩定性試驗結果

由表9結果可見，混合料的馬歇爾穩定度、流值及車轍試驗的動穩定度，均達到了《規范》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)水穩定性能。根據《規范》的要求，瀝青混合料的水穩定性能指標采用浸水馬歇爾試驗殘留穩定度和凍融前后的劈裂強度比兩個指標來評價。湖瀝青替代品混合料浸水馬歇爾試驗中所測定的馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂試驗中凍融劈裂強度比試驗結果分別為91.5%和82.6%，均能滿足現行《規范》在1-3-2區域的馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂試驗中凍融劈裂強度比分別不低于85%和80%的要求。

4)低溫抗裂性能。根據《規范》的要求，瀝青混合料的抗低溫開裂性能用低溫彎曲試驗的破壞應變指標來評價。湖瀝青替代品混合料的低溫彎曲試驗的破壞應變試驗結果為2115 με(-10 ℃)，滿足《規范》在1-3-2區域要求的≥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 結論

(1)以DOA和昆侖AH-70瀝青為原料，復配一定質量的無機礦物質，制備出的硬瀝青母體與湖瀝青的性質相似。(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、黏度等級等方面均與湖瀝青相當，因此以DOA為原料制備湖瀝青替代品是可行的。(3)通過車轍試驗評價了瀝青混合料的高溫穩定性，通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗評價了混合料的水穩定性，通過低溫彎曲試驗評價了瀝青混合料的低溫抗裂性。結果表明，DOA制備的湖瀝青替代品混合料的路用性能完全滿足《規范》的相應要求。