不同工艺制备沥青性能分析

【摘要】通过常规方法和SHRP胶结料性能评价方法，对某中间基原油为原料制备的直馏沥青、氧化沥青、催化氧化沥青和SBS改性沥青的性能进行了考察。研究结果表明：其直馏沥青的使用性能较差，SBS改性沥青和催化氧化沥青的高低温性能、抗疲劳开裂性能较好；氧化沥青的使用性能优于直馏沥青。建议对直馏沥青的性能加以改善。

【关键词】直馏沥青；氧化沥青；催化氧化沥青；SBS改性沥青；使用性能

目前，常用的道路沥青生产工艺大体上可包括三种：第一种是物理方法，如原油常减压蒸馏工艺和调合工艺等，其生产的直馏沥青和调合沥青也是当前我国用于铺设公路最多的沥青产品，几乎占到了80%的份额；第二种属于化学改性方法，如吹空气氧化工艺、催化氧化和酸改性工艺等，我国在上世纪90年代较多采用氧化（半氧化）工艺生产道路沥青[1]，但由于氧化尾气处理和生产成本等原因，目前除对生产特殊要求的沥青产品偶有使用外，用于一般道路沥青的生产已几乎绝迹；第三种是聚合物改性方法，比如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）、丁苯橡胶（SBR）、废轮胎胶粉等改性工艺，其中SBS改性沥青近年来用于铺筑高等级公路面层的增长速度较快，使用量相对较大，约占道路沥青总量的20%。尽管如此，如果不考虑其他因素，而按沥青的性能考察上述几种道路沥青，及其对沥青路面性能的影响，哪种工艺生产的沥青产品更适合于相应的沥青混凝土，其使用性能到底如何，就需要进行深入的研究，以便根据不同的场合合理选择相应的产品，从而提高路面质量和寿命。鉴于此，本文用某中间基原油为原料，通过常规方法和SHRP胶结料性能评价方法[2]，对直馏沥青、氧化沥青、催化氧化沥青和SBS改性沥青的性能进行了考察。在此基础上，针对我国实际情况，提出了道路沥青的生产和应用建议。

1试验部分

1.1试验原料。中间基原油，来自于哈萨克斯坦油田；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS），工业级，天津乐金渤天化学有限责任公司；减压渣油，自制。1.2试验仪器。RheoStress6000型动态剪切流变仪（DSR），德国HAAKE公司；TE-BBR-F型弯曲梁流变仪（BBR）、CT-2000F型动力黏度测定仪，美国CANNON公司；YKA-100LT型高速剪切设备，上海依凯机械制造有限公司；PNR12型针入度仪、RKA5型软化点测定仪、BPA4型脆点仪、T6060型薄膜烘箱（TFOT），德国Petrotest公司；CS325-B型旋转薄膜烘箱（RTFOT），美国JamesCox＆Sons公司；9900型压力老化仪，美国PrentexAlloyFabricators公司。1.3试验制备。通过将某中间基原油进行常减压蒸馏，并控制温度和真空度，使其针入度符合相应牌号要求而得到直馏沥青。将适宜拔出深度的减压渣油在一定温度下通入一定量的空气，并控制氧化时间得到氧化沥青。将减压渣油在一定温度下通入空气，同时加入一定量的某种酸作为催化剂，并控制氧化时间得到催化氧化沥青。用减压渣油（直馏沥青）作原料，加入SBS后通过高速剪切设备进行粉碎研磨，之后加入稳定剂并进行反应发育后得到SBS改性沥青。1.4测定或表征。（1）技术指标：按照JTGF40—2004标准，对直馏沥青和SBS改性沥青以A级沥青和聚合物改性沥青进行测定；按照CTPK1373—2005标准，对氧化沥青和催化氧化沥青进行测定。（2）针入度：用针入度仪分别侧定25℃和0℃时的针入度，0℃针入度可表征沥青的低温性能。（3）环球法软化点：用软化点仪测定，表征沥青的高温性能。（4）弗拉斯脆点：用脆点仪测定，表征沥青的低温性能。（5）动力黏度：用动力黏度测定仪测定60℃黏度，表征高温性能。（6）抗老化性能：薄膜烘箱加热老化后的沥青针入度与原样针入度之比，以百分数表示，即得到针入度比，表征抗老化性能。（7）流变学性能：由DSR测定沥青RTFOT前后的复数剪切模量G*和相位角δ，用G*/sinδ表征高温性能；用RTFOT前后G*/sinδ的变化，表征抗老化性能；用BBR测定沥青RTFOT、压力老化后的蠕变劲度S和蠕变速率m，表征低温性能。

2结果与讨论

通过对上述方法制备的直馏沥青、氧化沥青、催化氧化沥青和SBS改性沥青按相应的技术指标进行分析检测。其中，直馏沥青符合我国交通部JTGF40—2004标准中110A和90A沥青技术要求，氧化沥青符合哈萨克斯坦CTPK1373—2005标准中BND90/130和BND60/90标准要求，催化氧化沥青除加热后软化点变化指标较高而不合格外，其他指标符合哈萨克斯坦CTPK1373—2005标准中BND90/130和BND60/90标准要求，SBS改性沥青符合我国交通部JTGF40—2004中Ⅰ-A、Ⅰ-B和Ⅰ-C技术要求。道路沥青的使用性能一直是道路工作者和沥青科研人员最为关心的问题。尽管目前评价沥青使用性能的一些方法尚存在着一定的局限性，但以针入度和软化点等指标来测试是常规的方法，以及通过SHRP方法中的PG规范进行评价，都能不同程度反映出沥青使用性能的好坏[3-4]。因此，下面分别用常规和SHRP胶结料性能评价方法对上述四种沥青的使用性能进行评价。2.1常规指标评价。为了直观地对比不同工艺生产的沥青性质差别，将直馏、氧化、催化氧化以及SBS改性四种工艺制备的沥青常规主要指标进行对比，如表1所示。2.1.1高温性能代表高温性能的软化点和60℃动力黏度指标由小到大的顺序是：直馏沥青、氧化沥青、催化氧化沥青、SBS改性沥青。这表明对于高温性能而言，直馏沥青最差，SBS改性沥青最好，氧化和催化氧化沥青居中。2.1.2低温性能对于低温性能，四种工艺制备的沥青0℃针入度由小到大依次为：直馏沥青<SBS改性沥青<氧化沥青<催化氧化沥青；脆点指标由高到低依次是：直馏沥青>SBS改性沥青>氧化沥青>催化氧化沥青，二者规律一致。说明直馏沥青低温性能最差，其次是SBS改性沥青，氧化和催化氧化沥青较好。2.1.3感温性能根据针入度指数，由大到小的顺序为：直馏沥青、氧化沥青、催化氧化沥青、SBS改性沥青。说明感温性能也是直馏沥青最差，SBS改性沥青最好，而氧化沥青和催化氧化沥青居中。2.1.4抗老化性能一般而言，薄膜烘箱试验后针入度比和软化点变化指标可表征沥青的抗热老化性能，由好到差的顺序大致为：直馏沥青≈氧化沥青、SBS改性沥青、催化氧化沥青。抗热老化性能为催化氧化沥青最差、直馏沥青和氧化沥青较好，主要原因是氧、催化剂和稳定剂等在热的短期作用下继续发挥作用所致，这从加热后直馏沥青的脆点升高而其他沥青脆点降低的现象可进一步证明。综上所述，高温性能和感温性能由差到好的顺序大致为：直馏沥青、氧化沥青、催化氧化沥青、SBS改性沥青。低温性能同样是直馏沥青最差。2.2SHRP性能评价。沥青是一种热塑性、黏弹性材料，在低温或快速载荷的作用下表现出弹性特征，在高温或慢速载荷的作用下表现出黏性特征，在中温区既表现出弹性又表现出黏性特征。而采用常规评价方法往往难以准确地评价出沥青的流变性能。而SHRP计划推荐的性能分级规范可较全面地反映出沥青在不同的使用温度下抗车辙、抗变形、抗开裂的能力，可把实验室内的试验结果与路用性能较好地关联起来[2，4]。对上述几种沥青根据SHRP沥青胶结料性能等级规范的要求分别进行测试，结果见表2。直馏、氧化、催化氧化以及SBS改性沥青分别符合PG64-22、PG64-28、PG70-34和PG70-28级别。为了更加详细准确地比较几种工艺制备的沥青使用性能，将原样、RTFOT及PAV老化后的沥青样品测试全部数据绘制成了温度与不同性能因素的关系曲线。2.2.1高温和抗老化性能在SHRP胶结料规范中，用动态剪切流变仪测量复数剪切模量（G*）和相位角（δ），用G*/sinδ（抗车辙因子）来评价胶结料的高温性能，如图1和图2所示。由图1和图2可知：同一温度下，直馏沥青原样的抗车辙因子最小，其次是氧化和催化氧化沥青，SBS改性沥青最大。这说明直馏沥青的高温性能最差，SBS改性沥青最好，与常规指标评价结果一致。此外RTFOT后催化氧化沥青的G*/sinδ最大，这进一步说明，催化剂在继续发挥作用。除此之外，直馏沥青表现为抗老化性能较差，而氧化和改性沥青相对稳定。2.2.2低温性能SHRP规范采用弯曲梁流变仪通过测量经RTFOT和PAV老化后样品的蠕变劲度（即沥青抵抗荷载的能力s）和蠕变速率（即荷载作用时沥青劲度随时间的变化率m）来评价胶结料的低温抗裂性能，如图3和图4所示。由图3和图4可知：尽管斜率不同，但就蠕变劲度而言，同温度下，催化氧化沥青最小，直馏沥青最大，氧化和SBS改性沥青居中。对于蠕变速率，直馏沥青最小，催化氧化和SBS改性沥青最大，氧化沥青居中。综合考虑s值和m值，可以认为直馏沥青的低温性能较差，催化氧化沥青低温性能较好，而氧化沥青居中，尤其在-22℃以下时，催化氧化沥青的低温性能更突出，与常规指标结果基本一致。2.2.3抗疲劳开裂性能RTFOT和PAV后沥青的G*•sinδ比较如图5由图5可知：直馏沥青的抗疲劳开裂能力最差，另三种沥青比较接近且在中温区具有较强的抗疲劳开裂能力，其中，SBS改性沥青和催化氧化沥青抗疲劳开裂性能较好。综上所述，综合考虑沥青各性质参数等因素，直馏沥青的各项性能均较差，虽然催化氧化沥青的高低温等性能相对较好，但其抗老化性能差，而SBS改性和氧化沥青的使用性能相对更好。2.3实际应用。总体来看，原油常减压蒸馏工艺具有装置简单、投资少、技术难度小、操作容易和成本低等优点，是由原油生产各种沥青必不可少的工艺。然而，本研究中直馏沥青（包括调合沥青）尽管常规指标符合交通部JTGF40—2004标准中要求最高的A级沥青技术要求，但其各种使用性能均较差。这说明两点：一是我国用于铺路最多的直馏沥青和调合沥青性能尚不能适应交通环境的要求；二是我国现行的道路沥青技术要求（指标）有待改进，尤其是表征沥青低温性能的指标。我国曾经使用的氧化沥青工艺，装置投资和操作费用并不是太大，但因为氧化尾气的处理和排放受到大家关注，比直馏沥青会增加一些成本，但沥青的使用性能会提高一个档次。若解决好尾气处理问题，则不失为一种较好的沥青生产方法。催化氧化沥青工艺，除存在与氧化沥青工艺同样的问题外，由于催化剂的加入，对设备和管线的防腐是最大的问题，实行起来非常困难。此外，残存的氧化剂在完成产品制备之后仍会继续反应，而使沥青性质不稳定。而SBS改性沥青工艺，装置占地面积小，投资较少，操作简单灵活，易于实现，无大的环保问题，且产品性能较好，缺点是添加改性剂等所增加的成本较高。鉴于此，综合考虑性能和生产等因素，采用氧化沥青用于一、二级公路面层和高速公路下面层的铺筑较合适，而SBS改性沥青可用于高速公路等面层铺筑，直馏沥青可用于低等级公路和生产改性沥青的原料等场合。

3结语

（1）通过常规方法和SHRP胶结料性能评价方法，研究了不同工艺制备的沥青的高低温性能、感温性能和抗疲劳开裂等使用性能，其中以SBS改性沥青和氧化沥青较好，而直馏沥青最差。（2）对于路用性能要求较高的沥青路面，在不大量增加产品成本的基础上，应该适度使用氧化沥青，或者改善直馏和调合沥青性能，开发与高等级公路相适应的道路沥青生产新技术。（3）0℃针入度和脆点等指标与沥青低温性能的相关性更高。建议相关部门应该对沥青指标与其路用性能的相关性进行深入研究，以便结合我国实际情况制定更加合理的技术标准或要求。

参考文献

[1]张德勤，范耀华，师洪俊.石油沥青的生产与应用[M].北京：中国石化出版社，2001.

[2]美国公路学会.高性能沥青路面（Superpave）基础参考手册[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]张志祥，游玉石.SuperpavePG性能规范与针入度规范的有效性分析[J].石油沥青，2007，21（1）：47-50.

[4]李笑尘.SUPERPAVE中的沥青PG分级浅析[C].中国公路学会养护与管理分会第七届学术年会论文集，2017.

作者:郭皎河 吴晓颖 傅丽 张建峰 宁爱民 单位:中国石化大连石油化工研究院