CA砂浆用基质沥青制备技术研究

2015-03-13罗望群黄婉利董宏伟李海燕

铁道建筑 2015年9期

关键词：性能指标专用砂浆

罗望群，黄婉利，董宏伟，李海燕

(1.中国石化炼油销售有限公司，上海 200050;2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

CA砂浆用基质沥青制备技术研究

罗望群1，黄婉利1，董宏伟2，李海燕2

(1.中国石化炼油销售有限公司，上海 200050;2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

基质沥青是CA砂浆用乳化沥青的关键原材料。通过对原油选择、沥青制备工艺的研究，结合乳化沥青和CA砂浆的制备、性能检测及灌注揭板试验，最终开发出了高速铁路专用基质沥青，并制定了相应的技术标准。对原材料、生产过程、检验分析、出厂运输等各个环节进行严格控制，确保了基质沥青的质量。2008年以来，累计生产了约20万t性能优良、质量稳定的基质沥青，并将之广泛应用于高速铁路CA砂浆工程。

基质沥青石油沥青乳化沥青水泥乳化沥青砂浆板式无砟轨道

CRTSⅠ型和CRTSⅡ型板式无砟轨道是我国高速铁路的主要轨道结构形式，水泥乳化沥青砂浆层(Cement Asphalt Mortar，简称CA砂浆)处于预制混凝土轨道板与底座(或支撑层)之间，主要起到支撑、调整、缓冲协调等作用，是轨道结构中关键功能材料之一［1-3］。水泥乳化沥青砂浆由乳化沥青、干料、消泡剂、水等原材料组成。现场施工时，按一定的工艺将原材料拌合在一起，检测合格后，灌注到精确调整了高度的轨道板下3～5 cm厚的空间中，固化后形成兼具强度和弹性的连续垫层。

CA砂浆的核心组分是乳化沥青，基质沥青是乳化沥青的主要组分，其性能在很大程度上决定乳化沥青的性能。因此，基质沥青的研发是CA砂浆制备技术的关键环节之一。

石油沥青是实际应用中非常重要的基质沥青品种之一，是原油加工过程的一种产品，在常温下是黑色或黑褐色的粘稠液体、半固体或固体，其性质和组成随原油来源和生产方法的不同而变化。因此，原油的选择、加工工艺研究以及质量控制就成为基质沥青生产技术的核心。本文结合CA砂浆的性能对其进行有针对性的研究。

1 原油选择

石油沥青的性能主要取决于生产沥青所用的原油，不是任何原油都可以生产出符合标准的沥青。原油主要是由多种相对分子质量不同和沸点不同的烃类化合物及非烃类化合物组成的混合物。原油的分类方法很多，我国现采用关键馏分特性分类法和硫含量分类法相结合的分类方法。关键馏分特性分类法是依据原油中特定的轻、重两个馏分的比重指数API度，将原油分为石蜡基、石蜡—中间基、中间—石蜡基、中间基、中间—环烷基、环烷—中间基、环烷基、石蜡—环烷基、环烷—石蜡基9类;按照硫含量分类法，原油可分为低硫、含硫和高硫。生产优质沥青的关键在于选择合适的原油。石油沥青的组成和性质差异，归根到底是因为原油的组成和性质差异，确定沥青品质的内在因素是其组成和结构［4-5］。研究表明:沥青是复杂的混合物，它可以再分成4类具有相同结构的分子团:饱和烃类、芳香烃类、胶质类、沥青质类;优质的沥青是以相对分子质量很大的沥青质为中心，胶质浸润环绕在沥青质周围形成胶团，芳香分和饱和分(统称油分)构成连续相，使胶质—沥青质构成的胶团能稳定地分散其中［6］，如图1所示。

图1 沥青各组分示意

在宏观性能方面，优质沥青应具有较好的流动性、热稳定性、持久的粘附性、弹塑性、抗水性等。一般而

言，环烷基原油和蜡含量较低的中间基原油或稠油是生产优质沥青的合适原料。因而，在世界各地生产的近1 500种原油中，只有少量油种适合生产优质沥青，这些原油的产地主要集中在美国、中东、加勒比海周围诸国和俄罗斯。大多数国家主要选用中东和南美的原油生产优质沥青。而中国自产的原油大半是石蜡基原油，不适合生产优质沥青。自20世纪80年代起，陆续发现并开发出一些稠油资源，如辽河油田欢喜岭稠油、新疆克拉玛依稠油、胜利油田单家寺稠油、塔河稠油和渤海绥中36-1稠油，可以用于生产优质沥青。除了自产原油外，我国每年还进口超过1亿 t原油进行加工和沥青的生产。

作为高速铁路板式无砟轨道结构中关键的垫层材料，CA砂浆对于其主要原材料——乳化沥青以及用于乳化沥青制备的基质沥青提出了更高的要求，不仅应具备优质沥青的性能，而且要求沥青的组成适宜于乳化并能保持性能稳定。

在数十种国内原油和国外原油中，从其制备的沥青的常规性能、乳化性能和砂浆拌合性能三方面综合评价，确定了生产高铁专用基质沥青的三种原油，均为进口高硫中间基中东原油，经评价其饱和烃类、芳香烃类、胶质类、沥青质类组分配伍性合理，不仅使沥青形成稳定的胶体体系，而且保证了沥青优良的高温和低温性能。各项性能指标见表1。

表1 生产专用基质沥青原油主要性能指标

2 专用基质沥青生产技术研究

石油沥青的生产技术包括生产方法、工艺流程和工艺参数等内容，这些内容的选择和确定直接影响沥青的最终质量。在大量试验的基础上，研究确定了专用基质沥青的性能指标。

2.1 生产方法的确定

石油沥青生产方法主要有蒸馏法、溶剂脱油法、氧化法、调和法及这4种方法之间的组合。蒸馏法是利用原油中各组分的沸点不同来实现分离得到沥青的方法。溶剂脱油法是利用溶剂对渣油中各组分的不同溶解能力，从中分离出一部分高沸点的含油组分，剩下的部分便是所需的沥青或进一步加工制备沥青。氧化法是将减压渣油或溶剂脱油沥青在一定温度下吹入空气，原料中各组分与氧分子发生反应，从而使沥青的胶体结构和化学组成及性质发生改变，进行沥青制备的方法。调和法是按沥青质量或胶体结构的要求，调整沥青四个化学组分之间的比例，得到满足使用要求的产品。

蒸馏法由于具有加工流程简捷、产品质量可控性好、生产成本低、产品贮存稳定性好等优点，最终被确定为高铁专用基质沥青的生产方法。

2.2 专用基质沥青的生产工艺

蒸馏法的基本原理是:在炼油厂内采用塔式蒸馏法将原油各馏分经汽化、冷凝，而使之按沸点范围分为汽油、煤油、柴油和蜡油等轻质产品馏分从分馏塔顶部和侧线分别抽出，与此同时，原油中所含高沸点组分经浓缩而成石油沥青。

高铁专用基质沥青的生产是在炼油厂常减压装置(见图2)上进行的。原油先通过电脱盐装置进行脱盐脱水处理，脱出原油中的泥沙、铁锈等固体杂质及原油中的水分和无机盐，经预处理的原油一般含水＜0.5%，含盐＜50 mg/L。然后原油进入由管式加热炉和精馏塔组成的常压蒸馏装置。原油在加热炉中获得精馏所需要的热量，进入精馏塔后发生一次汽化，轻组分从侧线引出，塔底为常压渣油。常压渣油仍含有较多的轻组分，不符合沥青的质量指标要求，必须进一步除去轻组分。原油在常压蒸馏过程中，当加热到一定温度以上时，会引起油品分解，质量变坏，收率下降。因此对高沸点油品进行蒸馏时，必须减压。当常压渣油经减压加热炉加热到适当的温度后，进入减压塔，在一定的真空度下进一步汽化，从侧线得到减压蜡油、燃料油，塔底即为沥青产品。

图2 常减压蒸馏生产装置

2.3 生产基质沥青的主要工艺参数

经反复对比试验，确定了生产高铁专用基质沥青的主要工艺参数，见表2。

表2 生产高铁专用基质沥青的主要工艺参数

2.4 专用基质沥青的性能指标

以上述原油和工艺制备的基质沥青为原料，进行乳化沥青和CA砂浆的制备，经性能检测，各项指标满足规定的要求。以本技术生产的基质沥青的性能指标为基础，结合国内外相关沥青质量规范，制订了高铁专用基质沥青的性能指标，纳入相关的CA砂浆暂行技术条件［7-8］中，并特别强调用于生产沥青的原油宜固定。高铁专用基质沥青的主要性能指标见表3。

表3 高铁专用基质沥青主要性能指标

3 专用基质沥青的生产

中国石化下属多家分公司均为中东原油加工基地，为保证高铁专用基质沥青的质量和生产布局，确定由镇海炼化公司、齐鲁石化分公司、金陵石化分公司、广州石化分公司进行生产;采用原油专输、专储、专炼，沥青专贮的四专流程，确保原料稳定和产品质量稳定;在生产过程、检验分析、出厂运输等各个环节进行严格控制，确保沥青的质量和现场供应。

2008年以来，为武汉试验段、石太客专、沪宁、京沪、哈大、沪杭、宁杭、津秦、合蚌、京石武、成绵乐、宁安等高速铁路的建设，累计生产了约20万t性能优良、质量稳定的基质沥青，满足了 CA砂浆工程应用的需要。