超声波处理对复合沥青的理化性质和流变性能影响

惠兴智

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

引言

改革开放以来，我国公路交通建设发展迅猛，沥青道路以其优异的综合性能被广泛运用在我国高速公路和城市道路中。但随着工业的发展和生活水平的提高，交通量、车辆载重量和车辆行驶频率逐年增加，对于沥青道路的综合性能已有更高的要求，而对于沥青混合料来说，所用沥青的性能对于沥青混合料的性能影响深重[1-2]。道路沥青的生产过程中，主要是通过热处理和多种组分混合的方式调整沥青的质量。在复杂的多组分石油体系中，低分子和高分子量化合物分子之间存在协同作用形成复杂结构单元，即在外部作用下能够改变其组成分子的结构，这种方法可用于调节石油分散体系[3-4]。外部作用一般为引入石油系统的特殊化学添加剂以及超声波处理。超声波能积极影响化学反应的速率，加快热传递，有助于提高工艺的生产率，降低它们的能量强度，改善最终产品的质量[5]。超声波处理石油沥青的主要优点是可以降低能量消耗和处理过程中的绝对安全[6-7]。这些文献表明，超声波处理对减压渣油和石油馏分的物理化学性质的影响是不明确的，对于包含烃类的复杂多组分介质在超声波场的作用机制和超声波处理过程中复合沥青发生物理化学变化的效能仍存在较大的争议。研究超声波处理对沥青原料和复合沥青的物理化学性质的影响，以及对混合多种原料沥青得到的复合沥青流变性能的影响，旨在验证超声波处理对于提高复合沥青性能的可行性。

1 试验方案

通过UIP1000hd 发生器进行超声波处理，超声波功率为2.4～2.6 W/cm2，振荡频率为20.0±0.1 kHz，样品在氮气环境中超声处理300 s；根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），通过旋转流变仪研究不同剪切速率下的动态黏度进而评价复合沥青的流变性；采用液相色谱法研究减压渣油和石油馏分中石蜡-环烷烃的浓度变化。

2 沥青原料的物理化学性质研究

研究对象为阿兰重油（AHO）减压渣油、西伯利亚原油（WSO）减压渣油、减压重瓦斯油（HVGO）、420 ～500 ℃下馏分油（DOF）、从减压塔浓缩段底板抽出的黑油馏分（BOF）。减压渣油和馏分在超声波处理前后的物理化学性质见表1。

表1 减压渣油和石油馏分超声波处理前后的物理化学性质

（1）所得结果不能明确揭示这些石油产品的运动黏度或软化点与超声波作用的关系，但密度和沥青质含量的变化趋势都表明石油组分中的分散结构发生了变化。（2）超声波处理引起的运动黏度和密度下降幅度最大的是AHO、WSO 减压渣油和黑油馏分BOF，它们的化学基团组成中均含有沥青质，并且沥青质的含量在超声波处理后均有所提升。

采用液相色谱法研究减压渣油和石油馏分的烃类组成，并通过初始样品中树脂含量的百分比表示通过超声波处理降低的树脂含量，结果表明超声波处理会导致减压渣油和石油馏分的化学组分发生变化，见图1。

图1 超声波作用下减压渣油和石油馏分中化学基团组成的变化

在减压渣油（AHO、WSO）和石油馏分（DOF、HVGO、BOF）中，石蜡-环烷烃浓度均呈现增长的趋势，所有样品中的树脂含量都在降低。因为超声波很可能导致树脂的部分降解，而且树脂在超声波激发的空化作用下会发生强烈降解形成石蜡-环烷化合物，组分中沥青质含量的轻微增加见表1，可以解释为由于树脂降解而导致的组分重新分布。

3 复合沥青的物理化学性质

为了分析超声波对复合沥青流变性能的影响，按4 ∶4 ∶2 的 比 例 将AHO 减 压 渣 油、WSO 减压渣油、HVGO 进行混合得到bnd70/100 级道路复合沥青样品。在温度为130 ℃、转速为60 rad/min的搅拌器中，将复合沥青样品搅拌30 min 制得样品1。在搅拌温度为110 ℃、转速为60 rad/min 的搅拌器中，将道路复合沥青样品搅拌25 min 后关闭外部加热，对复合沥青进行超声波处理5 min 得到样品2。在没有外部加热的情况下，超声波处理期间复合沥青的温度在5 min 内从110 ℃增加到160 ℃。样品1 和2 的物理化学性质见表2。

表2 超声波处理前后复合沥青样品的物理化学性质

结果表明，与仅使用搅拌器搅拌的复合沥青样品1 相比，超声波处理后的复合沥青样品2 具有更长的使用寿命（软化点和脆性点之和更大）、闪点更高、老化后参数更好。在相同的软化点，样品2 较软（25 ℃下的针入度大5 个单位）。样品2 在25 ℃时的拉力略高于样品1，表明超声波处理后的样品2 黏结力良好，黏结料具有较好的抗剪切能力。从样品1、2 的渗透指数变化可以发现，沥青胶体状态从明显的“溶胶”结构到“溶胶-凝胶”结构，这种结构对道路沥青来说更为理想。

4 复合沥青的流变性能

为了分析超声波处理对复合沥青流变性能的影响，通过多次改变动态剪切流变仪剪切速率（1.5 ～3 ～1.5 rad/s）研究复合沥青动态黏度的变化。根据在两次剪切速率为1.5 rad/s 时的动态黏度值，通过公式（1）计算动态黏度变化百分比，评估超声波处理前后复合沥青流变性能变化，试验结果见图2。

式中：m—动态剪切前后的动态黏度变化，%；η1—剪切速率增加前，1.5 rad/s 处的动态黏度，Pa·s；η2—将剪切速率重新降低到1.5 rad/s时的动态黏度，Pa·s。

图2 复合沥青样品1、2 的动态黏度试验结果

当剪切速率从1.5 rad/s 增加到30 rad/s 时，经过超声波处理的复合沥青样品2 的动态黏度从178 Pa·s 降至100 Pa·s，当恢复到初始剪切速率后，动态黏度恢复到120 Pa·s。根据公式（1）计算，样品2 的动态黏度变化百分比为32.2%。未经超声波处理的样品1 具有较高的初始动态黏度278 Pa·s，但其剪切阻力较低，样品1 在剪切作用下的动态黏度变化为58.5%。可以得出，超声波处理可以提高复合沥青的流变性能，从而提高沥青的抗剪切变形能力。

5 结语

通过超声波处理研究复合沥青的流变性能，发现超声波可以改善合成沥青的流变性能，提高沥青的均匀性和抗剪切性能，建立了超声波处理沥青的有效途径。与现有的沥青道路生产技术相比，超声波处理能够大大降低沥青加热和沥青混合料制备过程中的能耗，降低沥青道路的经济和技术成本。