煤油共炼沥青砂的道路沥青性能研究

张瑞，李峰，张晨晖，宋扬扬

(陕西省石油化工研究设计院，陕西 西安 710054)

煤油共炼技术是用重油、渣油和煤焦油等作为煤液化溶剂油，通过加氢反应，裂解生成轻、中质油，同时还有一些烃类气体、固液分离过程产生的煤油共炼沥青砂(又称MY沥青砂)和工艺水等产生[1-5]。煤油共炼沥青砂一般约占进料量的7%～15%，在室温下的外观状态呈固体沥青状，其主要组成包括加氢工艺产生的重质液化油、沥青类物质、未反应的原料煤，还有其它矿物质杂质等[6-7]。目前，企业对液化残渣的利用方案一般采用燃烧、气化等[8-12]。

本文利用沥青砂制备道路沥青用改性添加剂。实验结果显示，沥青混合料技术指标能够满足道路沥青的路用性能要求。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

煤油共炼残渣(MY沥青砂)、催化裂化油浆、合成导热油废油(二苄基甲苯)、70#基质沥青、矿料均为工业级。

FA60高剪切分散搅拌机；SYD-2801针入度试验器；SYD-2806E沥青软化点试验仪；SDY-4508D沥青延度试验器；MDJ-2数控马歇尔试件自动击实仪；SYD-0709马歇尔稳定度试验仪；HYCZ-1全自动车辙试验仪；LD716全自动劈裂试验仪。

1.2 实验方法

1.2.1 MY沥青添加剂的制备 将煤油共炼残渣磨细，用80目筛进行筛分。裂化油浆和合成导热废油作为溶剂。

加热废合成导热油和裂化油浆到130～170 ℃，慢慢加入煤油共炼沥青砂粉末，继续加热搅拌，60～70 min，转速1 000 r/min时，冷却后得到不同溶剂含量的MY沥青添加剂。

1.2.2 MY改性沥青制备 采用掺配-搅拌法。当基质沥青温度达到160 ℃时，将搅拌的转速稍微调快，并缓慢加MY沥青添加剂，加入完毕后，待温度达到160～170 ℃时，调节搅拌转速至250 r/min，搅拌60 min，关闭加热源，关掉搅拌，即制成改性沥青。

1.2.3 MY改性沥青混合料的制备 车辙板试件根据确定的矿料级配和沥青用量，按照《公路工程集料试验规程》(JTJ 052—2000)中的T0702—2000方法成型要求，采用轮碾成型机制作板块状试件[13]。以常规条件下的70#基质沥青性能指标为标准，将改性沥青的性能与其对比。

2 结果与讨论

2.1 红外表征

图1 MY沥青砂的红外光谱图Fig.1 IR of MY

图2 裂化油浆的红外光谱图Fig.1 IR of oil slurry

由于MY沥青砂中沥青烯和无机物含量高，并凝聚形成空间网络结构，从而MY沥青砂在沥青体系中易形成较大的积聚团体，造成沥青局部性能不均匀。芳烃溶剂能使MY沥青砂溶胀，从而有利于分子间的相互作用，MY沥青砂在沥青中分布更加均匀。

所以，本实验选用MY沥青砂，与裂化油浆、合成导热废油协同作用，制备MY沥青砂添加剂。

2.2 MY加入量对基质沥青性能的影响

由图3可知，随着MY添加剂掺量的增加，针入度减少，说明掺入添加剂后，基质沥青变硬，抗变形能力增强。沥青添加剂的加入量大于20%时，针入度降低至52.4 mm。说明70#基质沥青经MY添加剂改性后，已经达到50#基质沥青的针入度性能要求。

图3 MY沥青砂添加剂掺入量对沥青针入度的影响Fig.3 The influence of MY asphalt addition amount on theasphalt needle penetration

由图4可知，掺入MY沥青砂添加剂后，沥青的软化点得到明显提高，且随着其掺量的增加而加大。当加入量为16%时，软化点为54 ℃，说明改性后，沥青的耐热性提高。在高温天气环境下，道路铺设沥青混合料的动稳定度也会相应提高。

图4 MY沥青砂添加剂加入量对沥青软化点的影响Fig.4 Softening point curve

图5 MY沥青添加剂掺量对沥青延度的影响Fig.5 The influence of MY asphalt additionamount on the asphalt ductility

由图5可知，随MY添加剂加入量的增加，改性沥青变硬，表现为延度降低。当添加剂的加入量大于15%，改性沥青的延度有较大幅度的降低，这是因为MY沥青砂添加剂中含有固相不溶物，造成沥青延展过程的断裂。

水煮法测定的沥青与集料黏附性等级见表1。

表1 沥青与集料黏附性等级Table 1 Grade of asphalt and aggregate adhesion

由表1可知，对于同种集料而言，改性沥青的黏附性等级与普通基质沥青相近，由此说明，掺入MY沥青砂添加剂对沥青与集料的黏附性没有直接影响。

沥青薄膜的残留针入度比可用于评价沥青经过老化后硬度的变化。改性沥青的抗老化性能见表2。

表2 改性沥青的抗老化性能Table 2 Anti-aging properties

由表2可知，改性沥青薄膜老化后针入度比值为68.3%，比原基质沥青薄膜老化后的针入度比63.6%有较大幅度的提高，表明沥青添加剂掺入，改性沥青的热稳定性得到改善。

2.3 MY改性沥青混合料性能测试

2.3.1 混合沥青动稳定度 MY改性沥青的动稳定度和车辙深度采用全自动车辙实验仪，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011中规定的方法进行测试。MY改性沥青按试验规程制备车辙板试件，车辙试验温度和轮压均按照试验规程设定的实验条件进行。

未添加改性剂前，基质沥青混合料的动稳定度为860次/mm。随着改性剂的加入，改性沥青的高温抗车辙性能也相应提高，当加入量达到15%，改性沥青混合料的动稳定度增加至2 400次/mm，车辙动稳定度提高了2倍。改性沥青混合料具有良好的抗车辙能力，这是因为在相同配混条件下，改性剂的加入能有效提高矿粉的含量，同时也能有效提高骨料之间的粘附性。改性剂MY沥青砂添加剂使沥青胶结料在高温下的弹性成分增加，使改性沥青的高温抗车辙能力增强。改性沥青混合料的高温抗车辙性能满足重载沥青路面性能要求。

2.3.2 混合沥青水稳定性 采用冻融劈裂试验研究MY改性沥青混合料的水稳定性，按MY改性沥青混合料配合比设计的结果成型试件，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011中《沥青混合物冻融劈裂试验T0729—2011》规定的方法进行测试，在25 ℃、加载速率50 mm/min的条件下，用冻融劈裂残留强度比来评价混合料的水稳定性，结果见表3。

表3 70#基质沥青改性前后混合料冻融劈裂实验Table 3 Freeze-thaw cleavage experiment

由表3可知，两组沥青混合料均表现出良好的水稳定性。加入MY沥青砂添加剂后，沥青混合料的劈裂强度比增大，表明加入MY沥青砂添加剂的沥青混合料的抗水损害能力比未添加MY沥青砂的沥青混合料抗水损害能力高，说明MY沥青砂添加剂的掺入改善了沥青路面的水稳定性能。

3 结论

(1)合成导热油废油和裂化油浆的混合油浆与煤油共炼残渣的相溶性较好。掺入混合油浆后，煤油共炼残渣的软化点降低，这是因为在掺和过程煤油共炼残渣吸收芳香分和饱和分，释放出重质油分和沥青质，煤油共炼残渣经历了破碎、融胀、聚集等过程而达到了稳定胶体的物理特性。

(2)从改性沥青的针入度、软化点来看，MY沥青砂添加剂加入改善了沥青的高温性能和稳定性。石油沥青能有效溶解分散煤油共炼残渣中的沥青质，促使煤油共炼残渣均匀溶解分散在沥青体系中，增强沥青的内聚力，使其抗流动性、抗氧化性和感温性等获得明显的改善。

(3)在改性沥青混合料的路用性能实验中，改性沥青混合料的动稳定度从860次/mm增加至2 400次/mm，掺入MY沥青砂添加剂的改性沥青混合料的动稳定度和基质沥青混合料相比有明显的改善。同时，改性沥青混合料的冻融劈裂强度比为80.6%，比普通沥青混合料高 2%，MY沥青砂添加剂的掺入可以提高沥青混合料的抗水损害性能，并且其它技术指标能够满足道路沥青的路用性能要求。