春風和塔河減壓渣油調(diào)合生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)道路瀝青的研究

王新軍，張建峰

(1.中國石油化工股份有限公司煉油事業(yè)部，北京 100728；2.中國石化大連(撫順)石油化工研究院)

春風原油屬于低硫環(huán)烷基原油，其減壓渣油(減渣)作為道路瀝青的產(chǎn)品特點是松弛性能好(延伸度大)、抗老化性能好(針入度比大)。塔河原油減渣作為道路瀝青的特點是黏度和軟化點高，低溫延展性差[1]。上述兩種瀝青產(chǎn)品各具特點，都是新疆公路建設中使用的重要道路瀝青資源。

石油瀝青的使用性能與化學組成密切相關，瀝青是由各種極性、非極性分子通過復雜分子間作用而形成的材料。按分子極性，瀝青由飽和分(Sa)、芳香分(Ar)、膠質(zhì)(R)和瀝青質(zhì)(A)四組分組成，芳香分和飽和分一起構成連續(xù)相，使膠質(zhì)-瀝青質(zhì)形成膠胞而穩(wěn)定分散，瀝青質(zhì)的存在對瀝青的感溫性能和高溫性能有正面的影響，膠質(zhì)的存在可使瀝青具有良好的塑性和黏附性，并能改善瀝青的抗脆裂性，提高瀝青的延伸度[2-3]。瀝青中四組分存在一個較好構成比例，一般來說，當飽和分質(zhì)量分數(shù)為8%～15%、芳香分30%～55%、膠質(zhì)25%～45%、瀝青質(zhì)1%～10%時，瀝青的各項性能比較好[4]。

瀝青質(zhì)量取決于原油和生產(chǎn)工藝，其中原油是影響瀝青質(zhì)量的最關鍵因素。在確定某一種原油的情況下，其生產(chǎn)工藝包括氧化、改性、調(diào)合及溶劑脫瀝青等，可以影響瀝青化學組成，進而達到改善瀝青產(chǎn)品性能或拓展原料來源的目的。調(diào)合工藝由于裝置簡單、流程短、條件緩和、靈活性高而在瀝青生產(chǎn)中得到廣泛應用，調(diào)合原料主要包括溶劑脫瀝青得到的瀝青、減渣、餾分油等，具體應根據(jù)原料及目標產(chǎn)品性質(zhì)要求來選擇適宜的調(diào)合技術[5]。

在實驗室以春風原油、塔河原油為原料進行實沸點蒸餾試驗，對其渣油性質(zhì)及組成進行分析，根據(jù)性質(zhì)互補性原則進行兩種減渣調(diào)合試驗，對調(diào)合規(guī)律進行考察。根據(jù)實驗室結(jié)果，在新疆進行工業(yè)應用試驗，對工業(yè)產(chǎn)品進行混合料試驗和鋪路試驗。

1 實 驗

1.1 試驗原料

試驗用春風原油和塔河原油分別取自新疆春風油田及塔河煉化有限責任公司，兩種原油的性質(zhì)見表1。

表1 春風和塔河原油性質(zhì)

1.2 試驗方法

1)實沸點蒸餾試驗。在FY-Ⅲ型實沸點蒸餾儀上對春風和塔河原油進行實沸點蒸餾試驗，分析兩種減渣的性質(zhì)。

2)調(diào)合試驗。將春風和塔河稠油減渣按照不同比例進行調(diào)合，分析調(diào)合產(chǎn)物的性質(zhì)。

3)工業(yè)試驗。按照實驗室確定的減渣性質(zhì)，在工廠進行兩種減渣生產(chǎn)，并按實驗室確定的工藝條件進行調(diào)合。

2 結(jié)果與討論

2.1 春風和塔河原油性質(zhì)分析

從表1可以看出，春風原油硫含量低、酸值和鈣含量高、黏度及密度較大、渣油收率高，根據(jù)原油評價結(jié)果，該原油屬環(huán)烷基高酸高鈣重質(zhì)原油。塔河原油硫含量、鎳和釩含量高，渣油收率高，酸值低，屬于高硫、高重金屬和高瀝青質(zhì)中間基重質(zhì)原油。

按照經(jīng)驗判斷，當原油的w(A+R)/w(蠟)在0.5～1.5之間時，可以生產(chǎn)一般普通道路瀝青，當w(A+R)/w(蠟)大于1.5時，可以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)道路瀝青。當渣油的H/C原子比小于等于1.6時，可以用來生產(chǎn)道路瀝青[4]。春風和塔河原油的w(A+R)/w(蠟)分別為2.39和9.57，春風和塔河減壓渣油的H/C原子比分別為1.56和1.40。按上述經(jīng)驗判斷，春風和塔河原油均可以作為生產(chǎn)道路瀝青的原料。但通過實際瀝青性質(zhì)分析，塔河渣油由于其w(A+R)/w(蠟)較高，組分匹配不合理，必須經(jīng)過組分重新調(diào)整后，才能生產(chǎn)合格的道路瀝青。

2.2 春風和塔河減渣性質(zhì)

對春風原油和塔河原油通過常減壓蒸餾工藝得到的不同餾程的減壓渣油，按《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)“道路石油瀝青技術要求”進行了全面分析測試，結(jié)果見表2。

表2 春風和塔河減渣性質(zhì)

從表2可以看出，春風減渣蠟含量低、閃點高、延伸度好，薄膜烘箱試驗后的殘留針入度比(膜后針入度比)達到了85%以上、殘留延伸度(10 ℃)(膜后延伸度)遠高于技術指標要求，說明該減渣具有良好的低溫性能和抗老化性能。塔河減渣PI值偏大(已超過A級瀝青指標要求的上限)、軟化點高，說明塔河渣油感溫性和高溫性能好，但延伸度小，塑性較差。

從春風減渣-1和春風減渣-2各項性質(zhì)可以看出，春風原油通過常減壓蒸餾工藝可以直接生產(chǎn)出合格的50號A級、70號A級道路瀝青。春風減渣-3針入度(25 ℃)為86(0.1 mm)，軟化點為45 ℃，接近90號A級瀝青(夏炎熱區(qū))軟化點指標要求的下限，只能滿足90B指標要求。而塔河減渣不滿足A級指標。

2.3 春風和塔河減渣族組成分析

春風和塔河減渣的族組成分析結(jié)果見表3。

表3 春風和塔河減渣PI值及族組成

從表3可見，塔河減渣瀝青質(zhì)含量明顯高于春風渣油，瀝青質(zhì)的存在對瀝青的感溫性能和高溫性能有正面的影響，由于塔河減渣-1瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高達21.95%，因此使得塔河減渣PI值較大，接近1.5，膠體類型屬于偏凝膠型膠體。相反春風減渣中瀝青質(zhì)含量很少，質(zhì)量分數(shù)低于1.0%，因此造成春風減渣PI值偏小，感溫性能和高溫性能有所欠缺。膠質(zhì)含量方面，春風減渣明顯高于塔河減渣，因此使得春風減渣比塔河減渣具有更好的塑性和抗裂性能。由此可見，春風和塔河減渣具有差異顯著的組成特點，在性能方面會體現(xiàn)很好的互補性。

2.4 春風和塔河減渣調(diào)合規(guī)律考察

試驗采用3種不同針入度的春風減渣與1種塔河減渣進行調(diào)合，系統(tǒng)考察了塔河減渣加入量對調(diào)合瀝青針入度和軟化點的影響，結(jié)果見圖1、圖2。圖3為塔河減渣加入量對調(diào)合瀝青性質(zhì)的影響。

圖1 調(diào)合瀝青針入度隨塔河減渣加入量的變化●—春風減渣-1與塔河減渣-1； ■—春風減渣-2與塔河減渣-1； ▲—春風減渣-3與塔河減渣-1。圖2同

圖2 調(diào)合瀝青軟化點隨塔河減渣加入量的變化

圖3 塔河減渣加入量對調(diào)合瀝青性質(zhì)的影響▲—延伸度(10 ℃)/cm； ●—膜后針入度比，%； 膜后延伸度(10 ℃)/cm

從圖1、圖2可以看出，調(diào)合瀝青針入度隨塔河減渣加入量的增大呈先增大后減小的趨勢，主要是因為兩種渣油的組成和膠體結(jié)構存在較大差別，軟化點變化與針入度的變化規(guī)律有較好的一致性。從圖3可以看出，隨塔河減渣加入量增大，調(diào)合瀝青的膜后針入度比及膜后延伸度呈現(xiàn)下降趨勢，在一定范圍內(nèi)增加塔河減渣加入量，調(diào)合瀝青的薄膜烘箱試驗前(膜前)延伸度(10 ℃)都大于150 cm，但是當塔河減渣加入量增加到一定比例，調(diào)合瀝青膜前延伸度開始急劇下降，因此，如果追求較高延伸度指標，塔河減渣加入量不宜太大。

2.5 調(diào)合瀝青與春風減渣性質(zhì)比較

試驗采用適宜針入度的春風減渣和塔河減渣，采用調(diào)合工藝制備70號及90號調(diào)合瀝青，并與相同牌號的春風減渣性質(zhì)進行比較，結(jié)果見表4。

由表4可以看出，選擇適宜針入度的春風和塔河減渣，通過調(diào)合工藝，可以制備出70號和90號A級道路瀝青，而且各項指標余量較大。從調(diào)合瀝青和春風減渣PI值、軟化點及黏度(60 ℃)指標可以看出，調(diào)合瀝青在感溫性及高溫穩(wěn)定性上相比春風減渣有很大的改善，雖然調(diào)合瀝青延伸度(10 ℃)和針入度比與減渣相比有所下降，但仍遠遠高于規(guī)范要求。

JTG F40—2004“道路石油瀝青技術要求”采用延伸度(10 ℃)來評價瀝青的低溫性能，存在一定的局限性。評價瀝青低溫性能的方法有很多，如延伸度(0 ℃)、針入度(0 ℃)、脆點、彎曲梁流變試驗(BBR)及直接拉伸試驗(DTT)等。哈薩克斯坦和俄羅斯道路石油瀝青標準就采用延伸度(0 ℃)、針入度(0 ℃)及脆點來表征[6]。為了更好地比較低溫性能，對調(diào)合瀝青及減渣進行了針入度(0 ℃)、延伸度(0 ℃)、脆點測試，從表4中結(jié)果可以看出，由于在春風減渣中調(diào)入了適量的瀝青質(zhì)含量高、PI值大、感溫性好的塔河減渣，使得調(diào)合瀝青對溫度變化的敏感性降低，因此，調(diào)合瀝青針入度(0 ℃)和延伸度(0 ℃)比春風減渣更大，脆點更低，低溫性能更好。

表4 調(diào)合瀝青與春風減渣性質(zhì)比較

表5為春風和塔河兩種減渣調(diào)合后的族組成分析結(jié)果。春風減渣中膠質(zhì)含量較高，而瀝青質(zhì)量含量較少。塔河減渣瀝青質(zhì)含量過高，雖然可降低瀝青的溫度敏感性，但對瀝青的塑性會有負面影響。當瀝青中四組分匹配合理，瀝青的高低溫性能才能得到很好的兼顧。通過調(diào)合，瀝青的組成進行了重新分配，四組分匹配更趨于合理。

表5 減渣和調(diào)合瀝青的族組成分析結(jié)果

2.6 工業(yè)試生產(chǎn)瀝青性質(zhì)及混合料性能評價

表6為70A和90A調(diào)合瀝青工業(yè)試驗結(jié)果。針對新疆地區(qū)工程石料、結(jié)構層混合料類型，委托新疆交通建設集團股份有限公司對調(diào)合瀝青進行了混合料性能評價，混合料性能見表7。

表6 調(diào)合瀝青工業(yè)試驗結(jié)果

表7 調(diào)合瀝青混合料性能

從表6可以看出，調(diào)合瀝青產(chǎn)品指標不僅明顯優(yōu)于《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)“道路石油瀝青技術要求”的指標要求[7]，而且表現(xiàn)出較高的軟化點、較高的黏度(60 ℃)指標特點，低溫松馳性相關的低溫延伸度較大，表征耐老化性質(zhì)的薄膜烘箱試驗后的針入度比較高。說明調(diào)合瀝青具有高低溫性能俱佳、耐老化性能突出的產(chǎn)品特性。從表7可以看出，調(diào)合瀝青混合料性能均滿足JTG F40—2017規(guī)范要求，與新疆某典型瀝青混合料性能基本相當，但高溫性能更加突出。

2.7 工程應用

新疆地區(qū)幅員遼闊，氣候差別大，不同氣候區(qū)對瀝青及瀝青混合料使用性能要求各不相同。依據(jù)氣候分區(qū)影響因子將全疆分為4個不同的公路使用性能區(qū)域：水穩(wěn)性和冰凍性區(qū)、低溫抗裂區(qū)、高低溫過渡區(qū)和高溫抗車轍區(qū)[8]。2016—2017年，采用調(diào)合瀝青在南疆的G579線庫車至拜城至玉兒滾段公路工程一期工程第二合同段和墨和高速項目第一標段、北疆的阿勒泰至火車站迎賓路和察都項目第二標段、東疆的哈密大南湖第二標段，成功鋪筑了5條代表性試驗段。

通過新疆5條不同區(qū)域氣候環(huán)境及交通特點的試驗段的鋪筑及性能檢測和應用觀測表明，調(diào)合瀝青路面各項指標滿足規(guī)范和設計要求，施工質(zhì)量控制良好。經(jīng)過兩冬兩夏凍融循環(huán)，試驗段壓實度、平整度、承載能力、抗滑性能檢測指標均滿足JTGF80/1—2004 公路工程質(zhì)量檢驗評定標準要求，且路用性能優(yōu)良，與同類瀝青相比表現(xiàn)出更好的使用性能。

3 結(jié) 論

(1)春風減渣具有蠟含量和瀝青質(zhì)含量低、膠質(zhì)含量高、薄膜烘箱試驗后殘留針入度比高、殘留延伸度大等優(yōu)點，缺點是PI偏低，感溫性能欠佳，生產(chǎn)90號A級瀝青因軟化點偏低，存在一定的局限性。塔河減渣高溫性能及感溫性能優(yōu)異，但抗老化性能及延伸性能差，不能直接生產(chǎn)出A級道路瀝青。

(2)春風和塔河減渣在性質(zhì)及組成上具有很好的互補性，通過調(diào)合復配工藝過程，能夠使調(diào)合瀝青的組成結(jié)構得到優(yōu)化，使瀝青的高溫、低溫性質(zhì)得到很好的兼顧，可實現(xiàn)產(chǎn)品綜合質(zhì)量和性能全面提升。

(3)采用適宜針入度的春風和塔河減渣，可調(diào)合出滿足A級瀝青技術要求的70號、90號道路瀝青，而且表現(xiàn)出較高的軟化點、較高的黏度(60 ℃)，低溫松馳性相關的低溫延伸度較大，表征耐老化性質(zhì)的薄膜烘箱試驗后的殘留針入度比較高。

(4)春風塔河調(diào)合瀝青路用性能優(yōu)異，高溫性能突出，與同類瀝青相比表現(xiàn)出更好的使用性能。