CA砂漿專用乳化瀝青生產(chǎn)技術(shù)研究

羅望群，董宏偉，黃婉利，李海燕

(1.中國石化煉油銷售有限公司，上海 200050;2.中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

CA砂漿專用乳化瀝青生產(chǎn)技術(shù)研究

羅望群1，董宏偉2，黃婉利1，李海燕2

(1.中國石化煉油銷售有限公司，上海 200050;2.中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

乳化瀝青是CA砂漿的關(guān)鍵原材料。采用以中東優(yōu)質(zhì)原油加工的基質(zhì)瀝青和乳化劑復(fù)配技術(shù)，研發(fā)出性能優(yōu)良的高鐵用乳化瀝青。通過中試和放大生產(chǎn)，以及CA砂漿的模擬灌注試驗(yàn)和現(xiàn)場灌注揭板試驗(yàn)，確定了乳化瀝青的生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)了乳化瀝青的工業(yè)化生產(chǎn)，并提出了CA砂漿用乳化瀝青的技術(shù)要求。自2008年以來，累計(jì)生產(chǎn)了約35萬t乳化瀝青，施工里程超過2 000 km(雙線)。在乳化瀝青生產(chǎn)和供應(yīng)過程中，應(yīng)特別重視生產(chǎn)廠的選擇、原材料的管理、管線設(shè)備的潔凈等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

乳化瀝青 水泥乳化瀝青砂漿 生產(chǎn)技術(shù) 板式無砟軌道

CRTSⅠ型、Ⅱ型板式無砟軌道是我國高速鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)形式，水泥乳化瀝青砂漿(Cement Asphalt Mortar，簡稱CA砂漿)是板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的功能材料，其性能的好壞直接影響到板式無砟軌道的使用壽命、耐久性和維修工作量［1－3］。

乳化瀝青是CA砂漿的關(guān)鍵原材料，與公路交通或者建筑行業(yè)的常規(guī)乳化瀝青相比具有特殊性［4］，其性能在很大程度上決定了CA砂漿的質(zhì)量。因此，乳化瀝青的制備和生產(chǎn)技術(shù)就成為CA砂漿成套技術(shù)的核心之一。

1 原材料選擇

乳化瀝青由基質(zhì)瀝青、乳化劑、穩(wěn)定劑及其他外加劑、水等原材料組成，選擇合適的基質(zhì)瀝青和乳化體系對于乳化瀝青的性能至關(guān)重要。

1.1 基質(zhì)瀝青

在數(shù)十種國內(nèi)外原油中，從其制備的瀝青的常規(guī)性能、乳化性能和砂漿拌合性能三方面綜合評價(jià)，確定了以進(jìn)口高硫中間基中東原油作為生產(chǎn)高鐵專用基質(zhì)瀝青的原料，并采用對原油專輸、專儲、專煉，產(chǎn)品專貯的四專流程，進(jìn)行基質(zhì)瀝青的加工生產(chǎn)。其主要性能指標(biāo)見表1。

決定瀝青性能的內(nèi)在因素是其組成和結(jié)構(gòu)［5－6］。經(jīng)測試，基質(zhì)瀝青的主要組成見圖1。

測試結(jié)果表明，以中東優(yōu)質(zhì)原油加工的基質(zhì)瀝青，其組成相對穩(wěn)定，各成分匹配合理，屬于穩(wěn)定溶膠型瀝青，有利于保證乳化瀝青性能的穩(wěn)定。

表1 基質(zhì)瀝青的主要性能指標(biāo)

圖1 基質(zhì)瀝青的主要組成

1.2 乳化體系

CA砂漿對乳化瀝青的綜合性能要求決定了其乳化劑體系的復(fù)雜性。采用正交試驗(yàn)法，對數(shù)百種乳化劑和外加劑進(jìn)行了復(fù)配篩選，歷時(shí)5年，經(jīng)上萬次的反復(fù)試驗(yàn)，制備出慢裂型、多功能的復(fù)合乳化劑。復(fù)合乳化劑評價(jià)結(jié)果見表2。

表2 復(fù)合乳化劑評價(jià)結(jié)果

2 生產(chǎn)工藝研究

2.1 乳化瀝青中試生產(chǎn)

以室內(nèi)乳化瀝青配方為依據(jù)，在中國石化試驗(yàn)基地進(jìn)行了乳化瀝青的中試生產(chǎn)。乳化瀝青中試生產(chǎn)裝置見圖2，其主體乳化設(shè)備為中型膠體磨，加工能力6 t/h。

在室內(nèi)乳化瀝青配方的基礎(chǔ)上進(jìn)行了中試生產(chǎn)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備的乳化瀝青(室內(nèi)樣)與中試生產(chǎn)出的乳化瀝青(生產(chǎn)樣)的性能檢測結(jié)果對比見表3。

表3 室內(nèi)樣與生產(chǎn)樣的性能檢測結(jié)果對比

由表3可見，中試生產(chǎn)的乳化瀝青，其顆粒粒徑偏粗，導(dǎo)致貯存穩(wěn)定性和水泥混合性變差。通過對乳化瀝青膠體磨間隙、瀝青以及皂液溫度、皂液pH值、油水比、瀝青泵以及皂液泵壓力等的調(diào)整，生產(chǎn)出了性能合格的乳化瀝青。其性能指標(biāo)見表4。

表4 調(diào)整后中試生產(chǎn)乳化瀝青性能指標(biāo)

2.2 模擬灌注試驗(yàn)

采用中試生產(chǎn)的乳化瀝青，進(jìn)行了實(shí)尺寸灌注試驗(yàn)，并依據(jù)線路直線和彎道兩種情況采用了兩種底座，見圖3。

圖2 乳化瀝青中試生產(chǎn)裝置

圖3 灌注試驗(yàn)的兩種底座

砂漿各項(xiàng)性能的檢測結(jié)果均滿足規(guī)定的要求，砂漿灌注效果良好。

綜上所述，無論乳化瀝青自身的性能還是CA砂漿的性能均滿足要求，說明乳化瀝青中試生產(chǎn)工藝合格。

2.3 乳化瀝青放大生產(chǎn)

2008年初，為滿足武漢綜合試驗(yàn)段CA砂漿的工程應(yīng)用，在中國石化集團(tuán)公司長嶺分公司進(jìn)行了高鐵乳化瀝青的工業(yè)化生產(chǎn)，進(jìn)一步研究乳化瀝青的生產(chǎn)工藝。

生產(chǎn)設(shè)備不同，生產(chǎn)工藝參數(shù)也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在中試放大生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)此生產(chǎn)裝置的特點(diǎn)，經(jīng)反復(fù)對比試驗(yàn)，確定了高鐵乳化瀝青的生產(chǎn)工藝。以陽離子乳化瀝青為例，其主要生產(chǎn)工藝參數(shù)見表5。

圖4 高鐵乳化瀝青生產(chǎn)裝置

表5 高鐵乳化瀝青主要生產(chǎn)工藝參數(shù)

生產(chǎn)工藝流程如下:

1)皂液配制

乳化劑、鹽酸、水等按一定比例加入到皂液罐中，加熱攪拌至乳化劑溶化均勻，溫度控制在50～55℃，pH控制在2～3。

2)乳化瀝青制備

首先皂液通過皂液泵加入到膠體磨中，然后將加熱到規(guī)定溫度的基質(zhì)瀝青通過瀝青泵送入膠體磨與皂液混合，在膠體磨高速運(yùn)轉(zhuǎn)的磨盤和乳化劑的作用下，瀝青被均勻地剪切、分散，形成水包油型的瀝青乳液。為控制乳化瀝青的粒徑大小，可以通過調(diào)整膠體磨出口閥門大小，控制膠體磨的背壓。

3)乳化瀝青冷卻

式中：α和β分別為價(jià)值函數(shù)收益區(qū)域和損失區(qū)域的凹凸系數(shù)[24]，表示X方主體對待收益和損失的風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度，α,β∈(0,1);λ為損失規(guī)避系數(shù)[25]，表示X方主體的損失規(guī)避程度，λ>1。

經(jīng)過膠體磨高速剪切后，乳化瀝青的溫度很高，為防止沸騰，經(jīng)換熱器降溫到80℃以下后進(jìn)入乳化瀝青產(chǎn)品罐。然后進(jìn)行二次冷卻，將溫度降至35℃以下。

4)裝車

乳化瀝青檢驗(yàn)合格后，按合同要求裝車出廠。

經(jīng)檢測，某批次放大生產(chǎn)的陽離子乳化瀝青的性能見表6。

表6 某批次放大生產(chǎn)的陽離子乳化瀝青的性能

2.4 現(xiàn)場灌注揭板試驗(yàn)

生產(chǎn)出的乳化瀝青除了滿足自身規(guī)定的要求外，還必須使制備出的CA砂漿具有優(yōu)良的綜合性能。2008年4月，以放大生產(chǎn)的乳化瀝青為原料，在武漢試驗(yàn)段中鐵十一局和中鐵八局施工現(xiàn)場，分別采用三一重工和邯鄲機(jī)械公司生產(chǎn)的砂漿攪拌車，進(jìn)行了CA砂漿的制備以及灌注揭板試驗(yàn)，對乳化瀝青的性能和生產(chǎn)工藝做進(jìn)一步的考察。

在砂漿制備過程中，對流態(tài)和固化砂漿性能均進(jìn)行了檢測。檢測結(jié)果表明，現(xiàn)場制備的砂漿各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)定的要求，性能良好。

現(xiàn)場灌注揭板情況見圖5?？梢?，砂漿填充飽滿，表面平整密實(shí)，斷面均勻，無分層，無沉砂，灌注效果良好。

乳化瀝青的中試生產(chǎn)、模擬灌注試驗(yàn)、放大生產(chǎn)和現(xiàn)場灌注試驗(yàn)結(jié)果表明，乳化瀝青各項(xiàng)性能優(yōu)良，以其為原料制備的CA砂漿滿足規(guī)定的要求，最終開發(fā)出了高鐵專用乳化瀝青，提出了相應(yīng)的技術(shù)要求，并被納入到相應(yīng)CA砂漿的暫行技術(shù)條件中［7－8］。

圖5 現(xiàn)場灌注揭板情況

3 生產(chǎn)和供應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

2008年以來，為滿足武漢試驗(yàn)段、石太客專、滬寧、京滬、哈大、滬杭、寧杭、津秦、合蚌、京石武、成綿樂、寧安等高速鐵路建設(shè)的需要，先后生產(chǎn)了約35萬t乳化瀝青，施工里程超過2 000 km(雙線)，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。在生產(chǎn)和供應(yīng)過程中，應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)。

1)生產(chǎn)廠的選擇

在工程應(yīng)用中，常涉及到乳化瀝青生產(chǎn)廠的選址問題，主要應(yīng)考慮:①乳化瀝青的運(yùn)輸。為了保證乳化瀝青的現(xiàn)場供應(yīng)及時(shí)高效，同時(shí)考慮到運(yùn)輸成本等，應(yīng)盡可能將乳化瀝青生產(chǎn)廠選擇在工程施工里程的中部，毗鄰高速公路，在保證運(yùn)輸方便的同時(shí)，最大限度地降低運(yùn)輸距離。②基質(zhì)瀝青的運(yùn)輸。由于高鐵乳化瀝青的特殊性，在原油專輸、專儲、專煉，瀝青專貯的四專流程基礎(chǔ)上，實(shí)行基質(zhì)瀝青的專運(yùn)，即采用專用油罐、罐車等，通過鐵路專用線和水路專運(yùn)碼頭對瀝青進(jìn)行運(yùn)輸。因此，要求生產(chǎn)廠擁有該設(shè)施并離上述地點(diǎn)較近。③生產(chǎn)廠的管理水平。無論是新建廠還是租賃廠，必須具備較高的生產(chǎn)管理水平，必須通過質(zhì)量管理體系認(rèn)證，等等。④生產(chǎn)廠的規(guī)模和生產(chǎn)能力。由于高鐵CA砂漿施工的階段性和時(shí)效性，導(dǎo)致乳化瀝青的供應(yīng)存在著需求集中、用量較大等特點(diǎn)，要求生產(chǎn)廠必須具有較大的規(guī)模、較大的儲存能力和較強(qiáng)的生產(chǎn)能力。通常要求膠體磨主機(jī)的乳化瀝青生產(chǎn)能力在40 t/h以上，乳化瀝青貯存能力1 000 t以上。按照相關(guān)要求，乳化瀝青到達(dá)現(xiàn)場的溫度應(yīng)該控制在35℃以下。因此，在大量集中供應(yīng)的條件下，必須有足夠的降溫設(shè)施和方法，以保證對乳化瀝青的溫度控制。

2)原材料管理

高鐵用乳化瀝青的組成成分較多，包括基質(zhì)瀝青、多種乳化劑、外加劑和水等，要特別加強(qiáng)原材料的管理。除了基質(zhì)瀝青采用專儲專運(yùn)外，乳化劑和外加劑應(yīng)按無毒、非危險(xiǎn)品貯存于陰涼、干燥、通風(fēng)處，不同乳化劑應(yīng)分別存放，保持一定間距，不得混存混放，最好采用專用庫房進(jìn)行貯存。生產(chǎn)用水檢驗(yàn)合格后，要保持水源的穩(wěn)定，不得隨意更換。由于乳化瀝青生產(chǎn)和工藝的集中性，以及乳化劑等原材料生產(chǎn)和供應(yīng)的批量性，應(yīng)根據(jù)工期的要求，提前、足量訂購乳化劑和外加劑，保持一定的庫存，防止和杜絕由于短期用量激增導(dǎo)致缺貨現(xiàn)象的發(fā)生。

3)管線和運(yùn)輸工具的清潔

在高鐵乳化瀝青的研發(fā)和生產(chǎn)中，由于高鐵乳化瀝青的特殊性，必須保證乳化瀝青的絕對清潔。比如說，專用瀝青絕對不能和其他瀝青混合，生產(chǎn)設(shè)備、管線和貯存罐必須清理干凈，出料管線和運(yùn)輸罐車必須保持潔凈，否則，要么出現(xiàn)乳化瀝青破乳凝聚，要么出現(xiàn)CA砂漿表面起泡、斷面分層等質(zhì)量問題。

特別應(yīng)注意:生產(chǎn)廠進(jìn)行了公路或者建筑用乳化瀝青的生產(chǎn)后，如果清理不夠干凈，就會導(dǎo)致再次生產(chǎn)的高鐵乳化瀝青出現(xiàn)問題;同理，運(yùn)輸車在運(yùn)輸了其他種類的乳化瀝青后，如果清理不干凈，再來運(yùn)送高鐵專用乳化瀝青，也會導(dǎo)致質(zhì)量事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

1)采用以中東優(yōu)質(zhì)原油加工的基質(zhì)瀝青和乳化劑復(fù)配技術(shù)，研發(fā)出性能優(yōu)良的高鐵專用乳化瀝青。

2)通過中試和放大生產(chǎn)，研究乳化瀝青的生產(chǎn)工藝，通過CA砂漿的實(shí)尺寸灌注試驗(yàn)和現(xiàn)場灌注揭板試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了高鐵專用乳化瀝青的工業(yè)化生產(chǎn)，提出了相應(yīng)的技術(shù)要求。為京滬、哈大等高速鐵路CA砂漿的應(yīng)用生產(chǎn)了約35萬t乳化瀝青，施工里程超過2 000 km(雙線)，在我國CRTSⅠ型、Ⅱ型板式無砟軌道的建設(shè)中占據(jù)主體地位。

3)在生產(chǎn)和供應(yīng)過程中，應(yīng)特別重視生產(chǎn)廠的選擇、原材料的管理和管線設(shè)備的潔凈等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

［1］江成，范佳，王繼軍.高速鐵路無砟軌道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國鐵道科學(xué)，2004，24(2):43－48.

［2］向俊，曹曄，劉寶鋼.客運(yùn)專線板式無砟軌道動(dòng)力設(shè)計(jì)參數(shù)［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(5):982－985.

［3］TAKAI H.40 Years Experiences of the Slab Track on Japanese High Speed Lines［C］//Proc of 1st Int.cof.Valencia:Basque Department of Transport and Public Works Euskal Trenbide Sarea，2007:234－246.

［4］中國鐵道科學(xué)研究院.CRTSⅠ型水泥乳化瀝青砂漿的研究［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2010.

［5］陳月珠，闕國和.瀝青的化學(xué)組成對瀝青使用性能的影響［J］.齊魯石油化工，1989，17(1):31－34.

［6］王永剛，廖克儉，叢玉風(fēng)，等.瀝青化學(xué)組成與其使用性能間的灰熵分析［J］.石油瀝青，2003，17(4):25－28.

［7］鐵道部科學(xué)技術(shù)司.科技基［2008］74號客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［8］鐵道部科學(xué)技術(shù)司.科技基［2008］74號客運(yùn)專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

Research on production technology of emulsified asphalt for
cement asphalt mortar

LUO Wangqun1，DONG Hongwei2，HUANG Wanli1，LI Haiyan2
(1.Sinopec Refinery Product Sales Company Limited，Shanghai 200050，China;2.Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Emulsified asphalt is key material of CA mortar.Compounding technology of base asphalt processed by high quality crude oil from M iddle East and emulsifier was utilized to product high－grade emulsified asphalt for highspeed railway.T hrough medium test and enlargement production，production process of emulsified asphalt was determined，its industrial production was realized and technical requirements of emulsified asphalt used for CA mortar were proposed by simulation perfusion test and field pouring and uncovering test of CA mortar.Since 2008，the cumulative production of emulsified asphalt is about 350 000 and construction mileage is over 2 000 km(double line).Special attention should be paid to the selection of production plant，the management of raw materials，the cleaning of pipeline equipment and so on in the process of emulsified asphalt production and supply.

Emulsified asphalt;Cement emulsified asphalt mortar;Production technology;Slab ballastless track

TU57+8.1;TE626.8+6

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.39

(責(zé)任審編 葛全紅)

1003－1995(2015)10－0176－05

2015－08－01;

2015－09－20

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2007G044－K－1)

羅望群(1968—)，男，高級工程師。