克拉瑪依瀝青延度衰減及恢復方法研究

王新朋 夏鳳石 李 瑞 張 青

(西安星光能源有限公司 西安 710608)

克拉瑪依瀝青以優(yōu)質(zhì)的新疆九區(qū)環(huán)烷基稠油作為原料，采用丙烷脫瀝青調(diào)和工藝生產(chǎn)的瀝青能夠滿足JTG F40-2004 《公路工程瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(道路石油A級瀝青)標準要求，具有良好的高低溫性能和優(yōu)良的路用性能[1]，在西北地區(qū)使用廣泛。其四組分中，膠質(zhì)含量遠高于其他瀝青，瀝青質(zhì)含量小于1%，密度小于1 g/cm3[2]。由于這種特性，克拉瑪依瀝青在運輸和存儲中與其他瀝青混合后，會造成其性能快速衰減。

本文將探討幾種常用的進口或國產(chǎn)瀝青及SBS改性瀝青與克拉瑪依瀝青混合后的性能變化，并對混合后的克拉瑪依瀝青進行高速剪切試驗，以探討性能衰減后的克拉瑪依瀝青的性能恢復方法。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗選取克拉瑪依90號A級道路石油瀝青、韓國SK90號瀝青、韓國GS90號瀝青、中石化鎮(zhèn)海煉化90號A級瀝青、中石油西太90號A級瀝青5種道路石油瀝青和SBS聚合物改性瀝青，其主要指標見表1，四組分指標見表2。SBS聚合物改性瀝青I-C性質(zhì)見表3。

表1 5種90號瀝青主要指標

表2 5種道路石油瀝青四組分試驗結(jié)果分析

表3 SBS聚合物改性瀝青I-C主要指標

表1中5種進口和國產(chǎn)90號瀝青常規(guī)指標基本接近，但由表2可見，克拉瑪依90號瀝青的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量與其余4種90號瀝青有明顯區(qū)別，克拉瑪依90號瀝青的瀝青質(zhì)含量低、膠質(zhì)含量高。

1.2 試驗設備

試驗研究設備有針入度儀、延度儀、恒溫水浴、軟化點儀、電加熱套及攪拌裝置、高速剪切機、液相吸附色譜裝置、烘箱等。

2 試驗分析與討論

2.1 克拉瑪依瀝青與其他少量瀝青混合后對其性能的影響

克拉瑪依90號瀝青的瀝青質(zhì)與膠質(zhì)含量與其余4種瀝青存在明顯差異。分別將4種道路石油瀝青、SBS聚合物改性瀝青I-C按照不同比例混入克拉瑪依90號瀝青中，并進行試驗檢測分析，結(jié)果如表4。

表4 克拉瑪依90號瀝青混入5種瀝青后試驗結(jié)果分析

由表4可見，9和10號克拉瑪依瀝青10 ℃和15 ℃延度衰減明顯，其余瀝青性能沒有明顯影響。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在延度試驗拉伸過程中，9和10號瀝青延度試樣表面粗糙，粗細不均，拉伸至一定長度后，在逐漸拉細的延度試樣上，出現(xiàn)類似于膠團狀物質(zhì)不均勻地分散在延度試樣上，膠團段較粗，兩側(cè)逐漸變細，2個膠團中間的瀝青明顯比膠團細，延度試樣在其粗細不均處迅速斷開。其余延度試樣表面光滑均勻，無粗糙感。因克拉瑪依90號瀝青膠質(zhì)含量高，瀝青質(zhì)含量非常低，瀝青膠質(zhì)具有較高的極性，其直接決定著瀝青的延度和黏附性[3]。少量SBS改性瀝青的混入，打破克拉瑪依90號瀝青原有的化學動態(tài)平衡，造成克拉瑪依90號瀝青里的膠質(zhì)凝團析出，延度快速衰減，軟化點和針入度沒有明顯變化。說明摻配了少量SBS聚合物改性瀝青的克拉瑪依90號瀝青的組分沒有明顯變化，只是其內(nèi)部膠質(zhì)的物理狀態(tài)發(fā)生變化，由均勻分散狀態(tài)變化為團聚狀態(tài)。對以上10組瀝青樣品進行四組分試驗分析，結(jié)果見表5。

表5 10組樣品的四組分試驗分析結(jié)果 %

由表5可見，10組混入不同比例其他瀝青的克拉瑪依90號瀝青，其四組分含量沒有劇烈變動，說明其化學成分沒有發(fā)生變化，與未混入其他瀝青的克拉瑪依90號瀝青的四組分數(shù)據(jù)沒有大的變化，還是表現(xiàn)出瀝青質(zhì)含量低、膠質(zhì)含量高的特性。

2.2 高速剪切對延度衰減后的克拉瑪依90號瀝青性能的影響

通常認為瀝青質(zhì)分子吸附強極性膠質(zhì)形成膠束分散在油分(芳香分、飽和分)中，生成膠體溶液。且只有當瀝青質(zhì)與可溶質(zhì)的相對含量及性質(zhì)相互匹配時，其膠體體系才能處于穩(wěn)定狀態(tài)[4]。對9號和10號克拉瑪依90號瀝青，使用高速剪切機在高溫下進行剪切分散后，對其性能進行試驗分析，結(jié)果見表6。

表6 經(jīng)高速剪切后瀝青性能試驗結(jié)果

由表6可見，經(jīng)過不同溫度高速剪切之后，與未剪切前相比，指標衰減后的克拉瑪依90號瀝青的延度有不同幅度的提升，其中，135 ℃高速剪切后延度提升幅度較小，但結(jié)果已經(jīng)滿足JTG F40-2004 《公路工程瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的道路石油瀝青90號A級的要求。提升幅度隨著剪切溫度的升高而增加。9號樣品在150 ℃剪切后，延度拉伸過程中，樣品表面光滑無粗糙感，10號樣品在170 ℃剪切時后，表面光滑無粗糙感。且延度指標已經(jīng)恢復到與原樣基本一致。

2.3 分析與討論

1) 克拉瑪依90號瀝青的瀝青質(zhì)含量很低，膠質(zhì)含量高，其膠質(zhì)無法像其他瀝青一樣吸附在瀝青質(zhì)上形成均勻連續(xù)的瀝青質(zhì)-膠質(zhì)均一相態(tài)，而是以單一相膠質(zhì)均勻分散在飽和分和芳香分中。這種分散相沒有瀝青質(zhì)作為固體吸附相，相態(tài)不穩(wěn)定，受外界干擾易發(fā)生變化。

2) 克拉瑪依90號瀝青混入SBS改性瀝青后，SBS聚合物改性瀝青以不均勻的團塊狀分散于克拉瑪依90號瀝青中，聚合物改性瀝青相允許具有相似結(jié)構(gòu)和極性的物質(zhì)來共同形成他們的主相位結(jié)構(gòu)[5]。

3) 克拉瑪依90號瀝青膠質(zhì)向SBS改性瀝青聚集，造成原有膠質(zhì)均勻分散體系破壞，膠質(zhì)團聚。這種膠質(zhì)團聚沒有明顯的界限，是以SBS改性瀝青膠團中心吸附較多膠質(zhì)，外圍膠質(zhì)被飽和分和芳香分軟化的膠團。這也就很好地說明了延度試驗過程中出現(xiàn)的粗細不均的現(xiàn)象。

4) 其他4種道路石油瀝青與克拉瑪依90號瀝青混合后，未出現(xiàn)延度明顯衰減的現(xiàn)象，其原因在于這4種道路石油瀝青中的膠質(zhì)已經(jīng)充分地包裹了瀝青質(zhì)，是一個穩(wěn)定均一的相態(tài)，其膠質(zhì)結(jié)構(gòu)和極性與克拉瑪依90號瀝青中膠質(zhì)一致，不會造成克拉瑪依90號瀝青膠質(zhì)團聚。

5) 在高溫下對延度衰減的克拉瑪依90號瀝青進行高速剪切，在高溫狀態(tài)下，膠質(zhì)和聚合物改性瀝青均為液態(tài)，通過外力剪切和分散，將SBS聚合物改性瀝青剪切成細小微粒均勻分散，同時把已經(jīng)團聚的膠質(zhì)重新分散，使其形成均勻穩(wěn)定的狀態(tài)，恢復其指標性能。

3 結(jié)論

1) 克拉瑪依90號瀝青混入少量SBS聚合物改性瀝青后，其延度性能衰減明顯。在克拉瑪依瀝青的運輸、存儲過程中，應避免克拉瑪依瀝青與SBS改性瀝青共用儲罐、管道或運輸車輛，做到專罐專用、運輸車輛專用。

2) SBS聚合物改性瀝青導致克拉瑪依90號瀝青膠質(zhì)團聚，原有膠質(zhì)均勻分散體系破壞。

3) 當出現(xiàn)克拉瑪依瀝青混入少量SBS改性瀝青造成質(zhì)量衰減，應盡快通過高溫狀態(tài)下高速剪切，恢復其延度性能指標。