春风和塔河减压渣油调合生产优质道路沥青的研究

王新军，张建峰

(1.中国石油化工股份有限公司炼油事业部，北京 100728；2.中国石化大连(抚顺)石油化工研究院)

春风原油属于低硫环烷基原油，其减压渣油(减渣)作为道路沥青的产品特点是松弛性能好(延伸度大)、抗老化性能好(针入度比大)。塔河原油减渣作为道路沥青的特点是黏度和软化点高，低温延展性差[1]。上述两种沥青产品各具特点，都是新疆公路建设中使用的重要道路沥青资源。

石油沥青的使用性能与化学组成密切相关，沥青是由各种极性、非极性分子通过复杂分子间作用而形成的材料。按分子极性，沥青由饱和分(Sa)、芳香分(Ar)、胶质(R)和沥青质(A)四组分组成，芳香分和饱和分一起构成连续相，使胶质-沥青质形成胶胞而稳定分散，沥青质的存在对沥青的感温性能和高温性能有正面的影响，胶质的存在可使沥青具有良好的塑性和黏附性，并能改善沥青的抗脆裂性，提高沥青的延伸度[2-3]。沥青中四组分存在一个较好构成比例，一般来说，当饱和分质量分数为8%～15%、芳香分30%～55%、胶质25%～45%、沥青质1%～10%时，沥青的各项性能比较好[4]。

沥青质量取决于原油和生产工艺，其中原油是影响沥青质量的最关键因素。在确定某一种原油的情况下，其生产工艺包括氧化、改性、调合及溶剂脱沥青等，可以影响沥青化学组成，进而达到改善沥青产品性能或拓展原料来源的目的。调合工艺由于装置简单、流程短、条件缓和、灵活性高而在沥青生产中得到广泛应用，调合原料主要包括溶剂脱沥青得到的沥青、减渣、馏分油等，具体应根据原料及目标产品性质要求来选择适宜的调合技术[5]。

在实验室以春风原油、塔河原油为原料进行实沸点蒸馏试验，对其渣油性质及组成进行分析，根据性质互补性原则进行两种减渣调合试验，对调合规律进行考察。根据实验室结果，在新疆进行工业应用试验，对工业产品进行混合料试验和铺路试验。

1 实 验

1.1 试验原料

试验用春风原油和塔河原油分别取自新疆春风油田及塔河炼化有限责任公司，两种原油的性质见表1。

表1 春风和塔河原油性质

1.2 试验方法

1)实沸点蒸馏试验。在FY-Ⅲ型实沸点蒸馏仪上对春风和塔河原油进行实沸点蒸馏试验，分析两种减渣的性质。

2)调合试验。将春风和塔河稠油减渣按照不同比例进行调合，分析调合产物的性质。

3)工业试验。按照实验室确定的减渣性质，在工厂进行两种减渣生产，并按实验室确定的工艺条件进行调合。

2 结果与讨论

2.1 春风和塔河原油性质分析

从表1可以看出，春风原油硫含量低、酸值和钙含量高、黏度及密度较大、渣油收率高，根据原油评价结果，该原油属环烷基高酸高钙重质原油。塔河原油硫含量、镍和钒含量高，渣油收率高，酸值低，属于高硫、高重金属和高沥青质中间基重质原油。

按照经验判断，当原油的w(A+R)/w(蜡)在0.5～1.5之间时，可以生产一般普通道路沥青，当w(A+R)/w(蜡)大于1.5时，可以生产优质道路沥青。当渣油的H/C原子比小于等于1.6时，可以用来生产道路沥青[4]。春风和塔河原油的w(A+R)/w(蜡)分别为2.39和9.57，春风和塔河减压渣油的H/C原子比分别为1.56和1.40。按上述经验判断，春风和塔河原油均可以作为生产道路沥青的原料。但通过实际沥青性质分析，塔河渣油由于其w(A+R)/w(蜡)较高，组分匹配不合理，必须经过组分重新调整后，才能生产合格的道路沥青。

2.2 春风和塔河减渣性质

对春风原油和塔河原油通过常减压蒸馏工艺得到的不同馏程的减压渣油，按《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)“道路石油沥青技术要求”进行了全面分析测试，结果见表2。

表2 春风和塔河减渣性质

从表2可以看出，春风减渣蜡含量低、闪点高、延伸度好，薄膜烘箱试验后的残留针入度比(膜后针入度比)达到了85%以上、残留延伸度(10 ℃)(膜后延伸度)远高于技术指标要求，说明该减渣具有良好的低温性能和抗老化性能。塔河减渣PI值偏大(已超过A级沥青指标要求的上限)、软化点高，说明塔河渣油感温性和高温性能好，但延伸度小，塑性较差。

从春风减渣-1和春风减渣-2各项性质可以看出，春风原油通过常减压蒸馏工艺可以直接生产出合格的50号A级、70号A级道路沥青。春风减渣-3针入度(25 ℃)为86(0.1 mm)，软化点为45 ℃，接近90号A级沥青(夏炎热区)软化点指标要求的下限，只能满足90B指标要求。而塔河减渣不满足A级指标。

2.3 春风和塔河减渣族组成分析

春风和塔河减渣的族组成分析结果见表3。

表3 春风和塔河减渣PI值及族组成

从表3可见，塔河减渣沥青质含量明显高于春风渣油，沥青质的存在对沥青的感温性能和高温性能有正面的影响，由于塔河减渣-1沥青质质量分数高达21.95%，因此使得塔河减渣PI值较大，接近1.5，胶体类型属于偏凝胶型胶体。相反春风减渣中沥青质含量很少，质量分数低于1.0%，因此造成春风减渣PI值偏小，感温性能和高温性能有所欠缺。胶质含量方面，春风减渣明显高于塔河减渣，因此使得春风减渣比塔河减渣具有更好的塑性和抗裂性能。由此可见，春风和塔河减渣具有差异显著的组成特点，在性能方面会体现很好的互补性。

2.4 春风和塔河减渣调合规律考察

试验采用3种不同针入度的春风减渣与1种塔河减渣进行调合，系统考察了塔河减渣加入量对调合沥青针入度和软化点的影响，结果见图1、图2。图3为塔河减渣加入量对调合沥青性质的影响。

图1 调合沥青针入度随塔河减渣加入量的变化●—春风减渣-1与塔河减渣-1； ■—春风减渣-2与塔河减渣-1； ▲—春风减渣-3与塔河减渣-1。图2同

图2 调合沥青软化点随塔河减渣加入量的变化

图3 塔河减渣加入量对调合沥青性质的影响▲—延伸度(10 ℃)/cm； ●—膜后针入度比，%； 膜后延伸度(10 ℃)/cm

从图1、图2可以看出，调合沥青针入度随塔河减渣加入量的增大呈先增大后减小的趋势，主要是因为两种渣油的组成和胶体结构存在较大差别，软化点变化与针入度的变化规律有较好的一致性。从图3可以看出，随塔河减渣加入量增大，调合沥青的膜后针入度比及膜后延伸度呈现下降趋势，在一定范围内增加塔河减渣加入量，调合沥青的薄膜烘箱试验前(膜前)延伸度(10 ℃)都大于150 cm，但是当塔河减渣加入量增加到一定比例，调合沥青膜前延伸度开始急剧下降，因此，如果追求较高延伸度指标，塔河减渣加入量不宜太大。

2.5 调合沥青与春风减渣性质比较

试验采用适宜针入度的春风减渣和塔河减渣，采用调合工艺制备70号及90号调合沥青，并与相同牌号的春风减渣性质进行比较，结果见表4。

由表4可以看出，选择适宜针入度的春风和塔河减渣，通过调合工艺，可以制备出70号和90号A级道路沥青，而且各项指标余量较大。从调合沥青和春风减渣PI值、软化点及黏度(60 ℃)指标可以看出，调合沥青在感温性及高温稳定性上相比春风减渣有很大的改善，虽然调合沥青延伸度(10 ℃)和针入度比与减渣相比有所下降，但仍远远高于规范要求。

JTG F40—2004“道路石油沥青技术要求”采用延伸度(10 ℃)来评价沥青的低温性能，存在一定的局限性。评价沥青低温性能的方法有很多，如延伸度(0 ℃)、针入度(0 ℃)、脆点、弯曲梁流变试验(BBR)及直接拉伸试验(DTT)等。哈萨克斯坦和俄罗斯道路石油沥青标准就采用延伸度(0 ℃)、针入度(0 ℃)及脆点来表征[6]。为了更好地比较低温性能，对调合沥青及减渣进行了针入度(0 ℃)、延伸度(0 ℃)、脆点测试，从表4中结果可以看出，由于在春风减渣中调入了适量的沥青质含量高、PI值大、感温性好的塔河减渣，使得调合沥青对温度变化的敏感性降低，因此，调合沥青针入度(0 ℃)和延伸度(0 ℃)比春风减渣更大，脆点更低，低温性能更好。

表4 调合沥青与春风减渣性质比较

表5为春风和塔河两种减渣调合后的族组成分析结果。春风减渣中胶质含量较高，而沥青质量含量较少。塔河减渣沥青质含量过高，虽然可降低沥青的温度敏感性，但对沥青的塑性会有负面影响。当沥青中四组分匹配合理，沥青的高低温性能才能得到很好的兼顾。通过调合，沥青的组成进行了重新分配，四组分匹配更趋于合理。

表5 减渣和调合沥青的族组成分析结果

2.6 工业试生产沥青性质及混合料性能评价

表6为70A和90A调合沥青工业试验结果。针对新疆地区工程石料、结构层混合料类型，委托新疆交通建设集团股份有限公司对调合沥青进行了混合料性能评价，混合料性能见表7。

表6 调合沥青工业试验结果

表7 调合沥青混合料性能

从表6可以看出，调合沥青产品指标不仅明显优于《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)“道路石油沥青技术要求”的指标要求[7]，而且表现出较高的软化点、较高的黏度(60 ℃)指标特点，低温松驰性相关的低温延伸度较大，表征耐老化性质的薄膜烘箱试验后的针入度比较高。说明调合沥青具有高低温性能俱佳、耐老化性能突出的产品特性。从表7可以看出，调合沥青混合料性能均满足JTG F40—2017规范要求，与新疆某典型沥青混合料性能基本相当，但高温性能更加突出。

2.7 工程应用

新疆地区幅员辽阔，气候差别大，不同气候区对沥青及沥青混合料使用性能要求各不相同。依据气候分区影响因子将全疆分为4个不同的公路使用性能区域：水稳性和冰冻性区、低温抗裂区、高低温过渡区和高温抗车辙区[8]。2016—2017年，采用调合沥青在南疆的G579线库车至拜城至玉儿滚段公路工程一期工程第二合同段和墨和高速项目第一标段、北疆的阿勒泰至火车站迎宾路和察都项目第二标段、东疆的哈密大南湖第二标段，成功铺筑了5条代表性试验段。

通过新疆5条不同区域气候环境及交通特点的试验段的铺筑及性能检测和应用观测表明，调合沥青路面各项指标满足规范和设计要求，施工质量控制良好。经过两冬两夏冻融循环，试验段压实度、平整度、承载能力、抗滑性能检测指标均满足JTGF80/1—2004 公路工程质量检验评定标准要求，且路用性能优良，与同类沥青相比表现出更好的使用性能。

3 结 论

(1)春风减渣具有蜡含量和沥青质含量低、胶质含量高、薄膜烘箱试验后残留针入度比高、残留延伸度大等优点，缺点是PI偏低，感温性能欠佳，生产90号A级沥青因软化点偏低，存在一定的局限性。塔河减渣高温性能及感温性能优异，但抗老化性能及延伸性能差，不能直接生产出A级道路沥青。

(2)春风和塔河减渣在性质及组成上具有很好的互补性，通过调合复配工艺过程，能够使调合沥青的组成结构得到优化，使沥青的高温、低温性质得到很好的兼顾，可实现产品综合质量和性能全面提升。

(3)采用适宜针入度的春风和塔河减渣，可调合出满足A级沥青技术要求的70号、90号道路沥青，而且表现出较高的软化点、较高的黏度(60 ℃)，低温松驰性相关的低温延伸度较大，表征耐老化性质的薄膜烘箱试验后的残留针入度比较高。

(4)春风塔河调合沥青路用性能优异，高温性能突出，与同类沥青相比表现出更好的使用性能。