孫華東,范維玉,張 銳,董夫強,孔祥軍,梁 明,錢成多,南國枝

(中國石油大學重質油國家重點實驗室,山東青島 266580)

石油瀝青與煤瀝青的調(diào)和及乳化性能

孫華東,范維玉,張 銳,董夫強,孔祥軍,梁 明,錢成多,南國枝

(中國石油大學重質油國家重點實驗室,山東青島 266580)

將煤瀝青與秦皇島AH-90瀝青進行調(diào)和及乳化,考察調(diào)和瀝青及調(diào)和后乳化瀝青的性質,研究煤瀝青的種類及摻量對調(diào)和瀝青及乳化瀝青性質的影響規(guī)律。結果表明:煤瀝青中大量甲苯不溶物(煤粉)的存在使得調(diào)和瀝青和乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的25℃延度大幅度下降,難以達到標準要求;1#和2#煤瀝青最大摻量分別為25%和20%時,乳化瀝青的1 d和5 d穩(wěn)定性合格;相同煤瀝青摻量時,1#調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物較相應的2#調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的針入度小、25℃延度大、軟化點高;隨著煤瀝青摻量的增大,兩種調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的25℃延度、針入度都呈現(xiàn)下降趨勢,軟化點呈升高趨勢。

石油瀝青;煤瀝青;調(diào)和瀝青;乳化性能;蒸發(fā)殘留物性能

煤瀝青是煤經(jīng)過干餾得到煤焦油再經(jīng)蒸餾制成的瀝青[1],煤瀝青對各種碎石料具有非常好的浸潤、潤濕性能和黏附能力,且抗油侵蝕,路面摩擦系數(shù)較大,成本低廉。把煤瀝青用于道路一般要先對其進行處理:①通過添加劑[2-10]對煤瀝青進行改性,提高煤瀝青的延展性和彈塑性;②通過煤瀝青與石油瀝青共混改性,將煤瀝青和石油瀝青按照一定的比例和方式摻混形成一種性能比單一瀝青更加優(yōu)良的改性瀝青品種[11],明顯改善其路用性能。把煤瀝青摻混到石油瀝青中加熱會產(chǎn)生大量的瀝青煙,而將煤瀝青與石油瀝青進行摻混然后進行乳化制成乳化瀝青[12]會更加環(huán)保。筆者選用秦皇島AH-90瀝青與兩種煤瀝青進行調(diào)和及乳化,考察煤瀝青的種類及摻量對調(diào)和瀝青及調(diào)和后的乳化瀝青性能的影響規(guī)律。

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗材料包括:秦皇島AH-90;1#煤瀝青和2#煤瀝青均由河北某煤化工公司提供,其基本性質和元素分析分別見表1和表2;陰離子乳化劑由美德維實偉克提供;潔凈的自來水。

表1 3種瀝青的基本性質Table 1 Properties of three asphalts

表2 三種瀝青的元素分析Table 2 Elemental analysis of three asphalts

1.2 試驗方法

(1)石油瀝青和煤瀝青的調(diào)和。石油瀝青和煤瀝青的調(diào)和采用FLUKO FM300高剪切分散乳化機。調(diào)和方法為:將煤瀝青和秦皇島AH-90瀝青分別加熱到設定溫度,按照一定的質量比稱量混合,在設定的溫度和剪切機轉速條件下,攪拌剪切一定時間至混合均勻即得到調(diào)和瀝青。1#煤瀝青與秦皇島AH-90摻混后得到的瀝青為1#調(diào)和瀝青;2#煤瀝青與秦皇島AH-90摻混后得到的瀝青為2#調(diào)和瀝青。

(2)乳化瀝青的制備。乳化瀝青的設備采用德國Herbert Rink膠體磨。將乳化劑溶于一定量的水中制成皂液,將皂液和瀝青預熱到設定溫度后,按照一定的油水比(質量比為6∶4)將熱瀝青加入到預熱好的皂液中,經(jīng)過膠體磨剪切1 min,即得到乳化瀝青乳液。1#調(diào)和瀝青乳化得到的乳化瀝青為1#乳化瀝青; 2#調(diào)和瀝青乳化得到的乳化瀝青為2#乳化瀝青。

(3)乳化瀝青粒徑測量。乳化瀝青的粒度分布和平均粒徑采用馬爾文2000型激光粒度儀。

2 結果及分析

2.1 煤瀝青的種類及摻量對調(diào)和瀝青性質的影響

調(diào)和后瀝青的基本性質見表3。

表3 調(diào)和瀝青的基本性質Table 3 Properties of mixed asphalt

由表3可知,從針入度、軟化點來看,1#調(diào)和瀝青和2#調(diào)和瀝青能夠滿足相應標號的重交瀝青標準的要求,即當1#煤瀝青摻量為10%時能夠達到AH-90的要求,摻量15%～20%時能夠達到AH-70的要求,摻量為25%～30%時能夠達到AH-50的要求; 當2#煤瀝青摻量10%～15%時能達到AH-90的要求,摻量為20%～25%時能達到AH-70的要求,摻量為30%時能達到AH-50的要求,但是從延度來看,1#和2#調(diào)和瀝青均不能滿足相應標號的重交瀝青的要求。原因是:兩種煤瀝青中都含有大量的甲苯不溶物(表1),而灰分測試顯示無機物含量較少,所以推斷不溶物屬于苯環(huán)高度縮合的煤粉;從元素分析可以看出,兩種煤瀝青的C/H遠大于秦皇島AH-90瀝青的C/H,也說明甲苯不溶物屬于芳環(huán)高度縮合而成的煤粉,大量煤粉的存在導致在延度測試中煤粉部位成為應力集中點,使得延度大幅度降低。

2.2 煤瀝青種類及摻量對調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物性質的影響

2.2.1 對調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物軟化點的影響

調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物軟化點的規(guī)律見圖1。由圖1可知,隨著煤瀝青摻量的增加,調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物軟化點均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。這是因為隨著摻量增加,煤瀝青中的瀝青質在整個體系中的比例增大,導致整個體系的軟化點升高。當煤瀝青摻量相同時,1#調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的軟化點均高于相應的2#調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的軟化點,這主要是由于瀝青中的飽和分、芳香分屬于軟組分,膠質、瀝青質屬于硬組分。一般情況下,硬組分的軟化點高于軟組分,對比1#與2#煤瀝青,其飽和分、芳香分、膠質含量差別不大,而1#煤瀝青的瀝青質含量明顯高于2#的(約10.5%),導致1#調(diào)和瀝青和1#乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的軟化點相對較高。從圖中還可以看出,當煤瀝青摻量相同時,調(diào)和瀝青的軟化點明顯高于乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的軟化點,這是因為乳化劑一般都是小分子的有機化合物,乳化瀝青蒸發(fā)殘留物水分蒸發(fā)后,小分子的有機物質留在蒸發(fā)殘留物中使得整個瀝青體系小分子有機物增加,對瀝青起到了稀釋的作用,所以調(diào)和瀝青較乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的軟化點高。

圖1 煤瀝青的種類及摻量對軟化點的影響Fig.1 Effect of dosage and types of coal tar pitch on softening point of asphalt

2.2.2 對調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物針入度的影響

調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物針入度的規(guī)律見圖2。由圖2可知,摻加1#和2#煤瀝青的調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的針入度都隨著摻量的增多呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。原因主要是:兩種煤瀝青的針入度為0,隨著煤瀝青摻量的增大,針入度小的組分含量增加,整個瀝青體系的針入度也隨之逐漸降低。當煤瀝青摻量相同時,1#調(diào)和瀝青及乳化瀝青較相應的2#調(diào)和瀝青及乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物針入度小,這是因為1#煤瀝青相比2#煤瀝青含有更多的硬組分(瀝青質)導致1#調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物較相應的2#調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物小。從圖中還可以看出,煤瀝青摻量相同時,調(diào)和瀝青的針入度明顯高于乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的針入度,這是因為乳化瀝青在蒸發(fā)水分成為蒸發(fā)殘留物的過程中需要加熱,加熱過程中瀝青本身發(fā)生老化變硬且一些小分子的活性物質會與部分的瀝青活性組分發(fā)生一部分的交聯(lián)反應也會使瀝青變硬,針入度減小。

圖2 煤瀝青的種類及摻量對針入度的影響Fig.2 Effect of dosage and types of coal tar pitch on penetration

圖3 煤瀝青的種類及摻量對延度的影響Fig.3 Effect of dosage and types of coal tar pitch on ductility

2.2.3 對調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物延度的影響

調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物延度的規(guī)律見圖3。由圖3可知,摻加1#和2#煤瀝青的調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的延度都隨著煤瀝青摻量的增多呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。原因主要是:秦皇島AH-90的延度大于150 cm,兩種煤瀝青的延度為0,隨著煤瀝青摻量的增大,延度小的組分含量增加,使得整個瀝青體系的延度呈現(xiàn)降低趨勢,且體系中大量煤粉的存在,使得調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物中的煤粉成為延度過程中的應力點,煤粉越多,越容易斷裂。當煤瀝青摻量相同時,1#調(diào)和瀝青及乳化瀝青較相應的2#調(diào)和瀝青及乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物延度大,這是因為1#煤瀝青較2#煤瀝青的煤粉含量少,煤粉含量相對較少不容易斷裂。

2.3 煤瀝青種類及摻量對乳化瀝青粒徑的影響

2.3.1 1#煤瀝青不同摻量

1#煤瀝青不同摻量對乳化瀝青粒徑分布的影響見圖4。由圖4可知,當煤瀝青的摻量為10%～30%時,乳化瀝青的粒徑分布呈現(xiàn)雙寬峰形態(tài),且隨著煤瀝青摻量的增大前面的峰明顯減小,后面的峰明顯增大;當煤瀝青摻量為10%～25%時,乳化瀝青的最大平均粒徑約為4.2 μm;當煤瀝青摻量為30%時,乳化瀝青的最大體積平均粒徑達到90 μm,此時乳化瀝青不穩(wěn)定,發(fā)生了明顯的聚集現(xiàn)象。主要原因是由于煤瀝青中含有大量的不溶于瀝青的煤粉不易被乳化所以整個乳化瀝青體系呈現(xiàn)多粒徑分布的雙寬峰形態(tài),當1#煤瀝青的摻量在10%～25%時,乳化瀝青粒徑分布隨著煤瀝青添加量的增大逐漸變寬,明顯朝著大粒徑的方向移動;當1#煤瀝青的摻量達到30%時,由于煤粉的大量存在,引起了乳化體系的不穩(wěn)定,大量的煤粉吸附乳化瀝青顆粒表面引起破乳、聚沉。

圖4 1#煤瀝青摻量對粒徑分布的影響Fig.4 Effect of dosage of coal tar pitch 1#on the particle size distribution

2.3.2 2#煤瀝青不同摻量

2#煤瀝青不同摻量對乳化瀝青粒徑分布的影響見圖5。由圖5可知,當煤瀝青的摻量為10%～30%時,乳化瀝青的粒徑分布規(guī)律與摻加1#煤瀝青的乳化瀝青粒徑分布相似;當煤瀝青摻量為10%～20%時,乳化瀝青的最大平均粒徑約為4.2 μm;當煤瀝青摻量為25%時,乳化瀝青的最大平均粒徑為29 μm;當煤瀝青摻量為30%時,乳化瀝青的最大體積平均粒徑為63 μm?？梢?2#煤瀝青摻量達到25%～30%時,乳化瀝青不穩(wěn)定,發(fā)生了明顯的聚集現(xiàn)象。由圖5可知,隨著煤瀝青摻量的增大,前面峰的面積逐漸減小而后面峰的面積逐漸增大,引起這種情況的原因與摻加1#煤瀝青一致,當加入量超過25%時,由于大量煤粉的存在,煤粉引起乳化瀝青的不穩(wěn)定,聚集現(xiàn)象嚴重,差別在于摻加2#煤瀝青比摻加1#煤瀝青的極限摻量小,這與2#煤瀝青中的瀝青質含量較1#低而煤粉含量較1#高有關。

圖5 2#煤瀝青摻量對粒徑分布的影響Fig.5 Effect of dosage of coal tar pitch 2#on the particle size distribution

2.4 煤瀝青的種類及摻量對乳化瀝青D(4,3)及1 d和5 d穩(wěn)定性的影響

煤瀝青的種類及摻量對乳化瀝青體積平均粒徑D(4,3)及1 d和5 d穩(wěn)定性的影響見圖6。由圖6 (a)可知,乳化瀝青的體積平均粒徑隨著兩種煤瀝青摻量的增加,均呈現(xiàn)逐漸增大趨勢,差別是1#煤瀝青摻量在10%～25%時,體積平均粒徑D(4,3)變化不大,但當摻量達到30%時,體積平均粒徑突然增大到31 μm;2#煤瀝青摻量在10%～20%時,體積平均粒徑D(4,3)變化不大,但當摻量達到25% 時,體積平均粒徑達到了10 μm,當摻量達到30% 時,體積平均粒徑達到了33 μm。由圖6(b)和(c)可知,1 d和5 d穩(wěn)定性都隨著煤瀝青摻量的增大逐漸變差,這與煤瀝青的摻量對體積平均粒徑D(4, 3)的影響規(guī)律有很好的一致性,可見隨著煤瀝青摻量的增大,兩種煤瀝青的體積平均粒徑會有一個明顯的突變點。從粒徑突變點分析1#煤瀝青的最大摻量是25%,2#煤瀝青的最大的摻量是20%。原因主要是,2#煤瀝青相比1#煤瀝青的瀝青質含量大,由于瀝青質高時瀝青較易乳化,而且1#煤瀝青的煤粉(甲苯不溶物)含量比2#煤瀝青低,煤粉少量存在時,可以增加體系的黏度,使得體系增稠,從而使得整個乳化瀝青體系穩(wěn)定,而當煤粉大量存在時,煤粉會吸附在乳化瀝青顆粒的外面,引起乳化瀝青的破乳聚沉,引起體系的不穩(wěn)定,這是造成1#煤瀝青的最大摻量比2#煤瀝青高的重要的原因。

圖6 煤瀝青的種類及摻量對乳化瀝青體積平均粒徑D(4,3)和1 d、5 d穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effect of dosage and types of coal tar pitch onD(4,3)、1 d and 5 d stability

3 結 論

(1)從調(diào)和瀝青及調(diào)和乳化瀝青蒸發(fā)殘留物來看,隨著煤瀝青摻量的增大,調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的軟化點呈升高趨勢,針入度呈降低趨勢,延度呈降低趨勢;相同的煤瀝青摻量時,2#調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物較相應的1#調(diào)和瀝青及乳化瀝青蒸發(fā)殘留物軟化點低、針入度和延度大,主要是由2#煤瀝青的瀝青質含量低而煤粉含量高所致。

(2)兩種煤瀝青隨著摻量的增大,粒度都呈現(xiàn)逐漸增大趨勢,1d、5 d穩(wěn)定性逐漸降低,從粒度明顯增大的突躍點判斷,1#煤瀝青的最大添加量是25%,2#煤瀝青的最大添加量為20%。

(3)從調(diào)和瀝青和乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的針入度、延度、軟化點及乳化瀝青的粒度和穩(wěn)定性來看,煤瀝青中的甲苯不溶物(煤粉)是對延度、粒度及穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的主要原因,而瀝青質含量是對針入度和軟化點產(chǎn)生影響的主要原因。

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(編輯 劉為清)

Research of blended petroleum asphalt and coal tar pitch and its emulsification performance

SUN Huadong,FAN Weiyu,ZHANG Rui,DONG Fuqiang,KONG Xiangjun, LIANG Ming,QIAN Chengduo,NAN Guozhi
(State Key Laboratory of Heavy Oil Processing in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

Two types of coal tar pitches and Qinhuangdao AH-90 petroleum asphalt were blended and emulsified.The influences of coal tar pitch types and dosages on the properties of blended asphalt and emulsified asphalt were investigated.The experimental results show that the coal tar pitches containing a lot of toluene insoluble(pulverized coal)lead to the ductility at 25℃of the blended asphalt and evaporation residue of the emulsified asphalt decrease significantly,which cannot meet the specification.When the maximal dosages of coal tar pitch 1#and 2#are 25%and 20%,the 1d and 5d stability results of the emulsified asphalts meet the standard.At the same coal tar pitch dosage,the blended asphalt and its emulsion evaporation residue by adding coal tar pitch 1#have less penetration at 25℃,and have larger ductility at 25℃and softening than those by adding 2#.With the dosage of the two coal tar pitches increasing,the blended asphalts and the emulsion evaporation residues present the reduced tendency for ductility and penetration at 25℃,while the softening point shows increasing trend.

petroleum asphalt;coal tar pitch;blended asphalt;emulsification property;performance of evaporation residue

TE 626.86

A

1673-5005(2014)04-0180-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.04.027

2013-12-15

中國博士后面上基金項目(F1402036B)

孫華東(1984-),男,博士研究生,研究方向為石油天然氣加工。E-mail:sunhuadong2004@163.com。

范維玉(1957-),男,教授,博士,博士生導師,研究方向為精細化工。E-mail:fanwyu@upc.edu.cn。

孫華東,范維玉,張銳,等.石油瀝青與煤瀝青的調(diào)和及乳化性能[J].中國石油大學學報:自然科學版, 2014,38(4):180-185.

SUN Huadong,FAN Weiyu,ZHANG Rui,et al.Research of blended petroleum asphalt and coal tar pitch and its emulsification performance[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(4):180-185.