硬质道路石油沥青关键组分的研制

王 翠 红

(中国石化石油化工科学研究院，北京 100083)

硬质道路石油沥青的应用最早始于20世纪70年代，当时欧洲正经历着能源危机，为了利用较少的材料铺筑出质量较好的沥青路面，法国的技术人员率先开展研究，提出了采用硬质沥青铺筑薄型或超薄型沥青路面的结构模型。实践证明，采用该结构铺助的路面使用性能好，而且能节约施工材料，因此该设计理念随后在欧洲甚至世界各地得到推广。该技术在保证路面的寿命和抗高温变形能力不变甚至是有所提高的基础上，使沥青路面的铺筑厚度降低10～20 cm，不仅节约了沥青黏结剂的用量，而且也节约了集料的用量[1-3]。用于该铺筑技术的硬质沥青应具有硬度大、黏度大、黏附力强、抗老化性能好的特点。

硬质道路石油沥青能够得到迅速推广，不仅在于降低工程中沥青及集料的用量、降低公路施工成本；而且随着原油重质化、劣质化程度加剧，生产硬质道路石油沥青也会成为石化行业解决重油加工后路的方法之一。

通常生产道路沥青的工艺有蒸馏、氧化、溶剂脱沥青及调合工艺。其中，调合工艺是生产道路沥青最常用的方法，该工艺操作简单、经济性好、可操作性强，且产品质量稳定。通过合理选择调合组分可以生产出质量优良的沥青产品。因硬质道路沥青要求具有硬度大、黏度高等特点，所以硬质道路沥青中需要掺入高温性能好的关键组分。

1 硬质道路石油沥青关键组分

硬质道路石油沥青关键组分不仅需要适合的原料，还需要合理的工艺路线，既能保证关键组分具有所需要的高温特性，又能使产品生产具有一定的经济性。

1.1 硬质道路沥青关键组分原料筛选

以代号为B，D，E，F的4种原油的减压渣油为原料，考察不同原料经氧化工艺制备硬质道路沥青关键组分的效果，筛选出适合制备关键组分的原料。不同原料经氧化工艺制备产物的性质见表1。由表1可以看出：与D和E的减压渣油相比，B和F的减压渣油经氧化工艺制备的产物具有更高的软化点和PI值；B的减压渣油的氧化产物还具有更高的针入度，同时具有更低的脆点，因此，B和F的减压渣油经氧化后的产物具有更好的高温性能和感温性能，更适合作为硬质沥青的关键组分；与F的减压渣油相比，B的减压渣油经氧化后的产物具有更好的感温性能。综合分析，B的减压渣油更适合作为硬质沥青关键组分的原料。

表1 不同渣油氧化后的产物性质

1.2 硬质沥青关键组分制备工艺

实验室选用代号B的减压渣油为原料，分别采用溶剂脱沥青、蒸馏深拔及深度氧化工艺制备硬质沥青关键组分，性质见表2。由表2可以看出，当实沸点蒸馏切割温度达到560 ℃时所得深拔渣油的软化点只有83.1 ℃，采用深度氧化得到产物的软化点为116.0 ℃，采用溶剂脱沥青工艺可以得到软化点在115.2～152.0 ℃范围的脱油沥青。由此可见，采用氧化或溶剂脱沥青工艺可以得到高软化点的产物，相比之下，蒸馏深拔工艺得到物料的软化点较低。

表2 不同工艺下产物的软化点

与深度氧化工艺相比，溶剂脱沥青过程的操作温度较低；溶剂脱沥青工艺不仅可以灵活地得到不同软化点的脱油沥青，同时可以联产较优质的催化裂化或加氢原料，提高企业的经济效益；而深度氧化过程则存在温度较高或者时间较长，同时存在尾气排放的环保问题。因此，从获得产物的可调控性及经济效益出发，选用溶剂脱沥青工艺制备硬质沥青关键组分成为首选工艺。

1.3 硬质沥青关键组分成型造粒条件

当沥青的软化点超过50 ℃时，常温下即为固体。因此，当软化点达到100 ℃时，若采用液相储存和运输，虽便于使用，但需要较高的温度，且不宜长距离运输；若采用类似建筑沥青的块状成型，虽然便于储存和运输，但是使用时难以在较短时间内熔化，影响施工周期。如果能够将硬质沥青关键组分制成细小颗粒，则既便于储存和运输，又便于现场使用。

为考察关键组分性质与成型条件之间的关系，实验室选用5种软化点不同的沥青进行造粒。所选5种沥青的软化点列于表3，不同软化点沥青的黏温曲线见图1。

表3 沥青软化点数据

图1 沥青的黏温曲线◆—1号； ■—2号； ▲—3号； ●—4号； 号

结合表3和图1可以看出，沥青的软化点不同，不同温度下的黏度差别较大。因此，不同软化点的沥青，在进行成型造粒时需要的加热温度不同，加热温度过低，造粒时就会出现拉丝现象；加热温度过高，由于黏度较小，成型造粒时易出现流淌成片现象；加热温度适合时，沥青的黏度适中，造粒时才能颗粒饱满，大小均匀。

通过对所选样品性质数据及造粒成型时的情况进行综合分析，得出当沥青黏度在0.6～6 Pa·s范围时适合成型造粒。

2 硬质道路石油沥青关键组分的通用性考察

对表2中的溶剂脱沥青1样品进行造粒成型，考察其作为硬质道路沥青关键组分的通用性，以确定该关键组分制备技术及指标控制是否可以大规模推广。实验室选取了4种不同油源生产的90号沥青(代号分别为L，M，N，Q)作为调合软组分，性质见表4，以代号L的沥青为原料，考察关键组分加入量对调合产物性质的影响，结果见表5。在相同工艺条件、相同关键组分添加比例下，考察其对不同油源的通用性，结果见表6。

表4 基质沥青的性质

由表4可以看出，所选4种基质沥青的针入度符合90号沥青的针入度范围，且4个样品间的针入度间隔范围较小，但是其族组成数据差别较大，饱和分质量分数在14.6%～21.3%范围内，芳香分质量分数在25.9%～37.7%范围内，胶质质量分数在40.3%～52.8%范围内，沥青质质量分数在0.1%～8.5%范围内。说明所选沥青样品具有代表性。

表5 不同调合比例下沥青的性质

由表5可以看出，随着关键组分加入量的增加，调合沥青针入度逐渐降低，脆点、软化点逐渐增加，说明所制备的关键组分确实能够改善沥青的高温性能。

表6 关键组分的通用性

注：m(基质沥青)m(关键组分)为7030。

由表6可以看出：在关键组分掺入比例相同、工艺条件相同的情况下，调合产物的PG分级均能达到PG70-22以上；结合表4和表6的数据可以看出，掺加关键组分后，基质沥青在保留PG等级的低温优势甚至有所提高的基础上(M沥青经掺加了关键组分后，其PG等级的低温等级提高了一档)，其PG等级的高温等级至少提高了二档(每间隔6 ℃为一档)。这说明所制备的关键组分不仅对基质沥青高温性能改善效果好，而且其油源的适配性也很好。分析关键组分能够很好地改善基质沥青高温性能、同时又不降低其低温性能的原因可能在于：①关键组分的沥青质含量高，因此具有软化点高、黏度大的特点，具有改善基质沥青高温性能的能力。②在沥青的胶体结构中，以相对分子质量很大的沥青质为中心，周围吸附了一些极性较大的可溶质组成的胶团。沥青质分子对极性强大的胶质所具有的强吸附力是形成沥青胶体结构的基础。当高沥青质含量的关键组分加入到基质沥青中时，首先通过外力作用将基质沥青的胶体结构打破，此时关键组分进入并重组其胶体结构，使调合产物既保留了关键组分沥青质含量高的性能，同时又保留了基质沥青结构黏度小的特点。

3 硬质道路沥青使用性能

3.1 硬质道路沥青混合料性能

为了评价采用外掺关键组分所制备硬质道路沥青的性能，实验室以同一种基质沥青为原料，分别制备出硬质道路沥青和SBS改性沥青。混合料设计采用常见的AC-20C类型，油石比为4.5%，为使评价结果具有可比性，沥青混合料中除硬质道路沥青与SBS改性沥青两种黏结剂不同外，其他材料以及混合料级配均相同，沥青性能评价及其混合料性能评价结果见表7。由表7可以看出：所制备的硬质沥青在高温性能方面明显优于SBS改性沥青，硬质沥青PG分级可承受最高环境温度为76 ℃，而SBS改性沥青PG分级可承受最高环境温度为70 ℃；在低温性能方面，所制备的硬质沥青略差于SBS改性沥青；对于沥青混合料性能而言，与SBS改性沥青相比，所制备的硬质道路沥青具有更好的高温性能，其动稳定度达到了6 128次mm，SBS改性沥青的动稳定度为5 433次mm；在沥青混合料低温性能方面，所制备的硬质沥青的低温性能稍差于SBS改性沥青，硬质沥青混合料的破坏应变为3 365 με，SBS改性沥青的破坏应变为3 820 με。硬质道路沥青的主要目的是解决路面高温车辙损坏问题，虽然SBS改性沥青长期以来被认为是解决沥青路面车辙病害的有效手段，但是因SBS改性沥青的价格大约是采用上述工艺制备硬质沥青的2倍，且硬质沥青施工的和易性远优于SBS改性沥青，由此推断硬质沥青的应用前景十分广阔。

表7 硬质沥青与SBS改性沥青性能对比

3.2 硬质道路沥青路用性能

利用所研发生产的硬质道路沥青关键组分，采用调合工艺，实现工厂化稳定生产硬质道路沥青产品。所生产的硬质道路石油沥青成功地应用于江珠高速、江六高速等高速路段的沥青层，经过2年以上的气候和通车考验，沥青路面无车辙、无开裂，仍然保持优良的使用性能，受到用户好评。实践证明所生产的硬质道路石油沥青质量稳定，性能优异。

4 结 论

(1)溶剂脱沥青工艺是生产硬质道路沥青添加剂既灵活又经济的手段，同时联产优质催化裂化或加氢原料。

(2)以溶剂脱沥青工艺制备的关键组分为调合硬组分，采用调合工艺可以稳定生产出满足要求的硬质道路沥青产品。

(3)硬质沥青关键组分对基质沥青高温性能的改善效果明显，硬质沥青混合料的高温性能优于SBS改性沥青。

(4)采用关键组分生产的硬质道路沥青用于高速公路实体工程，经过2年以上的气候和通车考验，沥青路面无车辙、无开裂，保持优良的使用性能。