辽河油田AH-90温拌沥青老化动力学研究

王 松，王洪国，郭志文，韩 洋，朱志成，廖克俭

（辽宁石油化工大学化学化工与环境学部，辽宁抚顺113001）

温拌沥青技术由于其较低的拌合与摊铺温度，减少了对环境的污染和能源的消耗，正在逐步的替代传统的热拌沥青技术[1，2]。国外研发的基于水溶性乳化平台的温拌技术（Evotherm）在2007年引入国内后，各科研单位和院校对其进行了广泛的研究和应用[3-5]。这种技术虽然在很多方面满足了温拌技术的要求，但也存在着明显的不足，例如在拌合过程中会严重堵塞防尘布袋，大量消耗水资源，对拌合设备的使用寿命造成严重影响等。

近年来，我国对道路沥青在铺设过程及后期使用过程中持续抗老化性能上的要求越来越高，为了更好的对温拌技术的抗老化性能进行研究，本文将采用基于油溶性乳化平台的温拌技术，此技术的优点在于无需大型拌合设备的使用和大量水资源的消耗，可以直接将温拌剂与沥青进行搅拌制得温拌沥青。

对油基温拌沥青的老化动力学研究，更有利于了解沥青老化的机理和过程,对改善沥青的抗老化性能方面提供更大的帮助[6]。本文通过旋转薄膜烘箱试验对两种沥青进行不同时间的老化,对得到的软化点指标进行线性拟合回归研究,最终得到相关系数较高的老化动力学方程,并对方程的合理性进行分析验证[7-9]。

1 实验部分

1.1 原料及仪器

AH-90 基质沥青（辽河油田新近生产）;OS-125油基温拌剂（实验室自主研制，半透明状淡黄色液体pH 值在6～7 之间）。

SYD-2806 C 型沥青针人度试验机（上海昌吉地质仪器有限公司）；SYD-2806E 全自动沥青软化点试验器（上海昌吉地质仪器有限公司）；SD-0625型沥青布氏旋转粘度计（上海地学仪器研究所）；LY型沥青延度测定仪（无锡市石油仪器设备厂）；82 型沥青薄膜烘箱（无锡市石油仪器设备厂）。

1.2 试验方法

将OS-125 油基温拌剂以2‰的掺入量与AH-90 基质沥青在110℃的温度下进行充分拌合，制得油基温拌沥青并测定其基础理化性质。

分别对AH-90 基质沥青与油基温拌沥青在82型旋转薄膜烘箱中按照GB/T 5302 国家标准进行老化试验：将（50±1）g 试样放入老化器皿中，分别在150、163、180℃高温条件下进行老化，老化时间分别为5、10、15、20、25、30h，对老化后的试样均测定其软化点值，根据软化点参数建立老化动力学模型，计算出各动力学参数，得到老化动力学方程[10]。

2 结果与分析

2.1 AH-90 基质沥青与温拌沥青理化性质对比

分别对AH-90 基质沥青和温拌沥青进行基础理化性质测定，结果见表1。

表1 两种沥青的理化性质Tab.1 Physicochemical properties of two kinds of asphalt

从表1 可以看出，温拌沥青的动力粘度较AH-90 基质沥青有所降低，这是由于温拌剂是一种液体，经过与基质沥青的充分拌制后，在沥青内部将大分子胶质集团分散成小分子集团，起到了降粘的作用；温拌沥青的闪点较AH-90 基质沥青有所降低，这是由于温拌剂的闪点较低，与基质沥青混合后，使得温拌沥青的闪点有所下降；软化点，针入度，延度等基础理化性质方面两者的变化不大。

2.2 软化点随沥青老化程度的不同所产生的变化关系

图1、2 分别表现出了AH-90 基质沥青和温拌沥青在150、163、180℃温度下，不同老化时间对沥青软化点的影响。

图1 AH-90 沥青软化点与老化时间的关系Fig.1 Relationship between the softening point and aging time of AH-90 asphalt

图2 温拌沥青软化点与老化时间的关系Fig.2 Relationship between the softening point and aging time of warm mix asphalt

由图1、2 可以看出，随着老化时间的增加，两种沥青的软化点均逐渐增大，说明随着老化时间的增加和老化温度的上升，沥青的老化程度越严重。其中温拌沥青在不同老化时间的软化点较之AH-90 基质沥青均有所下降，说明温拌沥青的抗老化性能要优于AH-90 基质沥青。

同时由图1、2 可以看出，两种沥青的老化时间与软化点均呈现出了线性关系。

2.3 以软化点为参数建立沥青的老化动力学模型

一般认为，沥青老化过程为一级不可逆反应[11]，可以用软化点的升高来表示反应进行的深度[12]，因此，以软化点为参数建立一级反应方程：

式中 c：沥青中生成沥青质的反应物浓度，mol；t：老化时间，h；k：总反应速率常数，h-1。

根据Lookwood 的观点[13]，认为反应物的浓度c与软化点R 成正比，即，将此式带入方程（1），两边同时积分得：

式中 R0：初始时的软化点，℃；R：时间为t 时刻的软化点，℃。

由式（2）可以看出，只要测出沥青在不同时刻的软化点值，便可求出总反应速率常数k。求得的k值越大，说明软化点升高的速率越快，即沥青的抗老化性能越差。

根据图1、2 中所测得的软化点数据计算出不同时刻的，将其与所对应的时间t 进行线性回归分析，所得线性回归曲线见图3、4。

图3 AH-90 沥青ln（R/RO）与老化时间的关系Fig.3 Relationship between ln（R/RO）and aging time of AH-90 asphalt

图4 温拌沥青ln（R/RO）与老化时间的关系Fig.4 Relationship between ln（R/RO）and aging time of warm mix asphalt

由图3、4 所绘制出的线性关系以及表2 中的老化速率常数k 可以看出，随着老化温度的上升，直线斜率逐渐变大，沥青抗老化性能逐渐降低。在同温度条件下，AH-90 沥青的k 值大于温拌沥青的k 值，说明AH-90 沥青较之油基温拌沥青的老化速率更快，抗老化性能更差。

根据Arrhrenius 方程[14]，沥青老化反应速率常数k 与老化反应温度T 之间存在以下定量关系：

式中 A：指前因子，h-1；Ea：沥青老化反应活化能，J·mo-1；P：普适气体常数，J·（mol·K）-1，取8.314J·（mol·K）-1。

对式（3）两边取对数，得：

由式（2）～（4）即可得到以软化点为参数的沥青老化动力学方程：

根据式（4），对比作出关系曲线图，见图5。

图5 两种沥青-lnk 与1/T 之间的关系Fig.5 Relationship between -lnk and 1/T of Two kinds of asphalt

经线性回归便可解出直线的斜率（即）和直线在Y 轴上的截距（即），这样便可求得老化反应活化能与指前因子A，从而得到最终的沥青老化动力学方程（各参数计算结果见表2）。

表2 AH-90 与温拌沥青的老化动力学参数Tab.2 Aging kinetic parameters of AH-90 and warm mix asphalt

从表2 中可以看出，温拌沥青与AH-90 沥青相比具有较高的活化能和较低的反应速率常数，说明温拌沥青具有更好的抗老化性能。

将表2 的数据代回到式（4）中，即可得到老化动力学方程：

式（5）、（6）分别为AH-90 沥青和温拌沥青的老化动力学方程。将不同老化时间代入到式（5）、（6）中得到软化点的计算值，表3、4 为实验值与计算值的对比结果。

表3 基质沥青的软化点值Tab.3 Softening point values of matrix asphalt

表4 温拌沥青的软化点值Tab.4 Softening point value of warm mix asphalt

从表3、4 可以看出，计算值与实验值之间的差距较小，可靠度较高，说明以软化点为参数所建立的老化动力学模型与沥青的真实老化过程较为相符。

4 结论

（1）掺入OS-125 油基温拌剂所制得的温拌沥青与AH-90 基质沥青相比，具有更低的动力粘度和闪点，其他基础理化性质无明显变化。

（2）两种沥青的软化点均随着老化温度和老化时间的增加而升高，且符合线性规律。

（3）较高的活化能和较低的反应速率反映出基于油溶性表面活性平台的OS-125 油基温拌剂更好的改善了沥青的抗老化性能。

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