惠興智

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

引言

改革開放以來(lái)，我國(guó)公路交通建設(shè)發(fā)展迅猛，瀝青道路以其優(yōu)異的綜合性能被廣泛運(yùn)用在我國(guó)高速公路和城市道路中。但隨著工業(yè)的發(fā)展和生活水平的提高，交通量、車輛載重量和車輛行駛頻率逐年增加，對(duì)于瀝青道路的綜合性能已有更高的要求，而對(duì)于瀝青混合料來(lái)說(shuō)，所用瀝青的性能對(duì)于瀝青混合料的性能影響深重[1-2]。道路瀝青的生產(chǎn)過(guò)程中，主要是通過(guò)熱處理和多種組分混合的方式調(diào)整瀝青的質(zhì)量。在復(fù)雜的多組分石油體系中，低分子和高分子量化合物分子之間存在協(xié)同作用形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)單元，即在外部作用下能夠改變其組成分子的結(jié)構(gòu)，這種方法可用于調(diào)節(jié)石油分散體系[3-4]。外部作用一般為引入石油系統(tǒng)的特殊化學(xué)添加劑以及超聲波處理。超聲波能積極影響化學(xué)反應(yīng)的速率，加快熱傳遞，有助于提高工藝的生產(chǎn)率，降低它們的能量強(qiáng)度，改善最終產(chǎn)品的質(zhì)量[5]。超聲波處理石油瀝青的主要優(yōu)點(diǎn)是可以降低能量消耗和處理過(guò)程中的絕對(duì)安全[6-7]。這些文獻(xiàn)表明，超聲波處理對(duì)減壓渣油和石油餾分的物理化學(xué)性質(zhì)的影響是不明確的，對(duì)于包含烴類的復(fù)雜多組分介質(zhì)在超聲波場(chǎng)的作用機(jī)制和超聲波處理過(guò)程中復(fù)合瀝青發(fā)生物理化學(xué)變化的效能仍存在較大的爭(zhēng)議。研究超聲波處理對(duì)瀝青原料和復(fù)合瀝青的物理化學(xué)性質(zhì)的影響，以及對(duì)混合多種原料瀝青得到的復(fù)合瀝青流變性能的影響，旨在驗(yàn)證超聲波處理對(duì)于提高復(fù)合瀝青性能的可行性。

1 試驗(yàn)方案

通過(guò)UIP1000hd 發(fā)生器進(jìn)行超聲波處理，超聲波功率為2.4～2.6 W/cm2，振蕩頻率為20.0±0.1 kHz，樣品在氮?dú)猸h(huán)境中超聲處理300 s；根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011），通過(guò)旋轉(zhuǎn)流變儀研究不同剪切速率下的動(dòng)態(tài)黏度進(jìn)而評(píng)價(jià)復(fù)合瀝青的流變性；采用液相色譜法研究減壓渣油和石油餾分中石蠟-環(huán)烷烴的濃度變化。

2 瀝青原料的物理化學(xué)性質(zhì)研究

研究對(duì)象為阿蘭重油（AHO）減壓渣油、西伯利亞原油（WSO）減壓渣油、減壓重瓦斯油（HVGO）、420 ～500 ℃下餾分油（DOF）、從減壓塔濃縮段底板抽出的黑油餾分（BOF）。減壓渣油和餾分在超聲波處理前后的物理化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 減壓渣油和石油餾分超聲波處理前后的物理化學(xué)性質(zhì)

（1）所得結(jié)果不能明確揭示這些石油產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)黏度或軟化點(diǎn)與超聲波作用的關(guān)系，但密度和瀝青質(zhì)含量的變化趨勢(shì)都表明石油組分中的分散結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。（2）超聲波處理引起的運(yùn)動(dòng)黏度和密度下降幅度最大的是AHO、WSO 減壓渣油和黑油餾分BOF，它們的化學(xué)基團(tuán)組成中均含有瀝青質(zhì)，并且瀝青質(zhì)的含量在超聲波處理后均有所提升。

采用液相色譜法研究減壓渣油和石油餾分的烴類組成，并通過(guò)初始樣品中樹脂含量的百分比表示通過(guò)超聲波處理降低的樹脂含量，結(jié)果表明超聲波處理會(huì)導(dǎo)致減壓渣油和石油餾分的化學(xué)組分發(fā)生變化，見圖1。

圖1 超聲波作用下減壓渣油和石油餾分中化學(xué)基團(tuán)組成的變化

在減壓渣油（AHO、WSO）和石油餾分（DOF、HVGO、BOF）中，石蠟-環(huán)烷烴濃度均呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，所有樣品中的樹脂含量都在降低。因?yàn)槌暡ê芸赡軐?dǎo)致樹脂的部分降解，而且樹脂在超聲波激發(fā)的空化作用下會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈降解形成石蠟-環(huán)烷化合物，組分中瀝青質(zhì)含量的輕微增加見表1，可以解釋為由于樹脂降解而導(dǎo)致的組分重新分布。

3 復(fù)合瀝青的物理化學(xué)性質(zhì)

為了分析超聲波對(duì)復(fù)合瀝青流變性能的影響，按4 ∶4 ∶2 的 比 例 將AHO 減 壓 渣 油、WSO 減壓渣油、HVGO 進(jìn)行混合得到bnd70/100 級(jí)道路復(fù)合瀝青樣品。在溫度為130 ℃、轉(zhuǎn)速為60 rad/min的攪拌器中，將復(fù)合瀝青樣品攪拌30 min 制得樣品1。在攪拌溫度為110 ℃、轉(zhuǎn)速為60 rad/min 的攪拌器中，將道路復(fù)合瀝青樣品攪拌25 min 后關(guān)閉外部加熱，對(duì)復(fù)合瀝青進(jìn)行超聲波處理5 min 得到樣品2。在沒有外部加熱的情況下，超聲波處理期間復(fù)合瀝青的溫度在5 min 內(nèi)從110 ℃增加到160 ℃。樣品1 和2 的物理化學(xué)性質(zhì)見表2。

表2 超聲波處理前后復(fù)合瀝青樣品的物理化學(xué)性質(zhì)

結(jié)果表明，與僅使用攪拌器攪拌的復(fù)合瀝青樣品1 相比，超聲波處理后的復(fù)合瀝青樣品2 具有更長(zhǎng)的使用壽命（軟化點(diǎn)和脆性點(diǎn)之和更大）、閃點(diǎn)更高、老化后參數(shù)更好。在相同的軟化點(diǎn)，樣品2 較軟（25 ℃下的針入度大5 個(gè)單位）。樣品2 在25 ℃時(shí)的拉力略高于樣品1，表明超聲波處理后的樣品2 黏結(jié)力良好，黏結(jié)料具有較好的抗剪切能力。從樣品1、2 的滲透指數(shù)變化可以發(fā)現(xiàn)，瀝青膠體狀態(tài)從明顯的“溶膠”結(jié)構(gòu)到“溶膠-凝膠”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)道路瀝青來(lái)說(shuō)更為理想。

4 復(fù)合瀝青的流變性能

為了分析超聲波處理對(duì)復(fù)合瀝青流變性能的影響，通過(guò)多次改變動(dòng)態(tài)剪切流變儀剪切速率（1.5 ～3 ～1.5 rad/s）研究復(fù)合瀝青動(dòng)態(tài)黏度的變化。根據(jù)在兩次剪切速率為1.5 rad/s 時(shí)的動(dòng)態(tài)黏度值，通過(guò)公式（1）計(jì)算動(dòng)態(tài)黏度變化百分比，評(píng)估超聲波處理前后復(fù)合瀝青流變性能變化，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

式中：m—?jiǎng)討B(tài)剪切前后的動(dòng)態(tài)黏度變化，%；η1—剪切速率增加前，1.5 rad/s 處的動(dòng)態(tài)黏度，Pa·s；η2—將剪切速率重新降低到1.5 rad/s時(shí)的動(dòng)態(tài)黏度，Pa·s。

圖2 復(fù)合瀝青樣品1、2 的動(dòng)態(tài)黏度試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)剪切速率從1.5 rad/s 增加到30 rad/s 時(shí)，經(jīng)過(guò)超聲波處理的復(fù)合瀝青樣品2 的動(dòng)態(tài)黏度從178 Pa·s 降至100 Pa·s，當(dāng)恢復(fù)到初始剪切速率后，動(dòng)態(tài)黏度恢復(fù)到120 Pa·s。根據(jù)公式（1）計(jì)算，樣品2 的動(dòng)態(tài)黏度變化百分比為32.2%。未經(jīng)超聲波處理的樣品1 具有較高的初始動(dòng)態(tài)黏度278 Pa·s，但其剪切阻力較低，樣品1 在剪切作用下的動(dòng)態(tài)黏度變化為58.5%?？梢缘贸觯暡ㄌ幚砜梢蕴岣邚?fù)合瀝青的流變性能，從而提高瀝青的抗剪切變形能力。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)超聲波處理研究復(fù)合瀝青的流變性能，發(fā)現(xiàn)超聲波可以改善合成瀝青的流變性能，提高瀝青的均勻性和抗剪切性能，建立了超聲波處理瀝青的有效途徑。與現(xiàn)有的瀝青道路生產(chǎn)技術(shù)相比，超聲波處理能夠大大降低瀝青加熱和瀝青混合料制備過(guò)程中的能耗，降低瀝青道路的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)成本。