THFS改性沥青制备工艺的优化设计及性能评价

季 节, 石越峰, 索 智, 许 鹰

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院， 北京 100044;2.北京建筑大学 土木与交通工程学院 北京节能减排关键技术协同创新中心， 北京 100044)



THFS改性沥青制备工艺的优化设计及性能评价

季 节1，2, 石越峰1，2, 索 智1, 许 鹰1

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院， 北京 100044;2.北京建筑大学 土木与交通工程学院 北京节能减排关键技术协同创新中心， 北京 100044)

为了确定煤直接液化残渣(direct coal liquefaction residue，DCLR)中四氢呋喃可溶物(tetrahydrofuran soluble，THFS)作为改性剂与沥青之间的制备工艺，运用正交试验和灰关联分析法优化设计TFHS改性沥青的制备工艺，并利用针入度分级和SHRP PG评价体系分析不同THFS添加量下(与基质沥青质量比4%、6%、8%、10%)改性沥青的性能. 试验结果表明：利用正交试验和灰关联分析相结合的方法可优化设计THFS改性沥青的制备工艺，确定的最佳制备工艺为剪切温度150 ℃，剪切时间45 min，剪切速率4 000 r/min. 同时，THFS的加入可以改善沥青的高温性能，但对沥青低温性能有一定的不利影响，综合THFS改性沥青的高低温性能，推荐THFS最佳添加量为6%.

煤直接液化残渣DCLR； 四氢呋喃可溶物THFS； 正交试验； 灰关联分析； 优化设计； 性能评价

煤直接液化技术是指将煤粉碎到一定粒度后，与氢气和催化剂在高温(430 ℃～470 ℃)、高压(10～30 MPa)下直接作用，使煤加氢裂解转变为液体油品的工艺过程[1]. 煤直接液化工艺中不可避免的会产生占原料煤总质量30%的副产物——煤直接液化残渣(direct coal liquefaction residue，DCLR). 通常DCLR通过减压蒸馏分离，其中包含大量的重油和沥青质[2-3]. 根据DCLR的组成和特性，王寨霞等将DCLR用于石油沥青的改性进行了初步探索性研究，发现DCLR添加量为7%可以满足ASTM D5710—95标准的40～55针入度级别的技术要求[4]. 范芸珠等探讨了DCLR对石油沥青的选择性，发现选用软组分含量高的沥青以及高速剪切能够提高DCLR对石油沥青的改性效果[5]. 何亮等对不同DCLR添加量下改性沥青的性能进行测试，结果表明随着DCLR添加量的增加，改性沥青的黏度呈上升趋势[6]. 赵鹏等分析了DCLR的组成，结构和性质，提出了DCLR可开发成沥青改性剂[7]. 杨建丽等发现DCLR可替代TLA用于石油沥青的改性，在达到同样改性效果时，DCLR的添加量要明显低于TLA添加量[8]. 季节等利用SHRP PG、针入度分级体系、红外光谱仪和凝胶色谱仪分析DCLR与石油沥青共混改性后宏观性能和微观结构，发现DCLR对沥青的共混改性主要为物理改性[9]. 张德润等利用表面自由能理论量化评价了DCLR改性沥青的水稳定性能，结果表明DCLR改性沥青与集料组合的水稳定性均优于基质沥青[10]. 在将DCLR应用于石油沥青改性时发现DCLR含有45%左右的四氢呋喃不溶物，使得DCLR改性沥青的低温性能急剧下降. 因此，很多学者着手对DCLR进行萃取，萃取出四氢呋喃不溶物，将萃取后的DCLR四氢呋喃可溶物THFS(tetrahydrofuran soluble)开发为石油沥青改性剂. 高妍等对DCLR萃余物中萃取剂的回收技术进行研究，为DCLR的萃取技术中萃取剂的高效利用提供理论基础[11]. 钟金龙等对神华DCLR中的有机可溶物进行了萃取，研究其萃取条件，并分析了萃取物的性质[12]. 苗强等分析了DCLR特性，发现了DCLR经萃取提取高附加值有机物[13]. 常鸿雁等通过热重分析技术，考察了DCLR及THFS的热解特性[14]. 陈静等以苯甲醛为交联剂，采用THFS对石油沥青进行改性，发现THFS添加量为4%、掺混温度为170 ℃时改性沥青的性能最好[15].

综上，人们主要将DCLR或THFS作为改性剂用于石油沥青的改性，并对改性后沥青的性能进行了评价，但并没有涉及DCLR或THFS改性沥青的制备工艺及其制备工艺参数对沥青性能影响的研究. 因此，本文拟采用THFS作为改性剂对石油沥青进行改性，利用正交试验和灰关联分析方法确定不同制备工艺参数(剪切温度、剪切时间、剪切速率)对THFS改性沥青性能的影响规律，优化设计THFS改性沥青的最佳制备工艺. 利用针入度分级和SHRP PG评价体系分析不同THFS添加量下(与基质沥青质量比4%、6%、8%、10%)改性沥青的性能，为THFS改性沥青在道路工程中的大规模应用提供理论基础.

1 原材料

1.1 基质沥青

基质沥青采用韩国进口SK-90沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[16]中的相关规定对其进行了性能测试，见表1，其中SK-90沥青的PG分级为58-22.

表1 SK-90沥青的性能

1.2 THFS

DCLR来自中国神华煤制油化工有限公司内蒙生产的附产品，为粉末状. 采用索氏抽提器利用四氢呋喃溶剂对DCLR进行萃取，得到THFS. 根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[16]中的相关规定对THFS性能进行测试，见表2.

2 试验方案

本文拟利用正交试验方法组织安排试验. 正交试验适用于多因素试验，可从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些代表点具有均匀和整齐的特点，其主要步骤如下：首先确定影响因素及其水平，其次根据影响因素及其水平绘制正交试验表，最后借助正交试验表来组织安排试验[17]. 本文确定三因素三水平的正交试验，表3为正交试验中的三因素及其三水平，正交试验方案见表4.

表2 THFS的技术指标

表3 三因素三水平表

表4 正交试验方案

3 结果与讨论

3.1 正交试验

按照表4制备9组THFS改性沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[16]中的相关规定对其进行针入度、延度、软化点、135 ℃布氏黏度的测试及针入度指数PI的计算，分别计算上述5个指标的和值与极差，见表5和图1.

表5 极差分析表

1)从图1(a)可知，影响沥青针入度各因素的主次排序为：剪切时间>剪切温度>剪切速率. 随着剪切时间的增加，沥青的针入度先增加后下降，当剪切温度为60 min时，针入度最低，沥青高温稳定性能最优. 剪切温度是次要因素，随着剪切温度的升高，沥青的针入度呈下降趋势，当剪切温度高于160 ℃时，沥青针入度值的降低幅度减小.

2)由图1(b)可知，影响沥青延度各因素的主次排序为：剪切时间>剪切温度>剪切速率. 随剪切时间增加，沥青的延度迅速降低，当剪切时间为30 min时，沥青的延度值最大. 随剪切温度升高，沥青的延度值呈下降趋势，当温度低于160 ℃，沥青的延度值下降缓慢，之后随剪切温度升高，沥青的延度值急剧下降.

3)由图1(c)可知，影响沥青软化点的各因素主次排序为：剪切时间>剪切温度>剪切速率. 随着剪切时间和剪切温度的增加，沥青软化点几乎呈线性增加，表明沥青的高温性能得到改善. 随剪切速率增加，沥青的软化点先增大后减小，当剪切速率为4 000 r/min时，沥青的软化点最大，说明过高的剪切速率会对沥青高温性能产生不利影响.

4)由图1(d)可知，影响沥青黏度的各因素主次排序为：剪切时间>剪切温度>剪切速率. 沥青黏度随剪切时间的增大，先增大后减小，当剪切时间为45 min时，沥青黏度达到最大值，说明其抵抗变形能力最强. 沥青黏度随剪切温度的升高，呈线性增加. 剪切速率对沥青黏度影响较小.

5)由图1(e)可知，影响沥青PI各因素的主次排序为：剪切时间>剪切速率>剪切温度. 沥青PI随剪切时间的增加，先降低后增大，随剪切速率的增加，沥青PI先增大后减小，当剪切时间为60 min、剪切速率为4 000 r/min时，沥青PI达到最大，说明其温度敏感性最低.

综合各因素对沥青性能的影响和值与极差变化，确定THFS改性沥青的制备工艺为A2B2C2.

3.2 灰关联分析

灰关联分析是一种新的因素分析方法，它对系统动态过程量化分析以考察系统诸因素之间的相关程度，是一种定量与定性相结合的分析方法，其基本思想是根据事物或因素的序列曲线的相似程度来判断其关联程度的[18]. 灰色关联分析主要计算步骤如下：

1)确定参考序列和比较序列，并将各序列均值化处理.

确定参考序列：X0={X0(k)|k=1,2,…,n}

确定比较序列：Xi={Xi(k)|k=1,2,…,n}(i=1,2,…,n)

将上述序列均值化处理：

2)求差序列. 记：Δi(k)=|X′0(k)-X′i(k)|

3)求两极最大差和最小差. 记：

4)求关联系数.

k=1,2,…,n;i=1,2,…,n

5)计算灰关联度.

6)按照灰关联度大小排序.ξi越大，Xi与X0的关联度越大，发展趋势越接近.

根据灰色关联分析方法的计算步骤，计算上述5个指标在THFS改性沥青制备工艺中所占比例，并对其进行综合评分，试验结果见表6.

由表6可知：5个指标对THFS改性沥青性能的影响权重不一，主次顺序分别为软化点>延度>135 ℃黏度>针入度>PI. 根据综合评分，组合2得分最高，说明该组合下的THFS改性沥青的性能最优越. 因此，通过灰关联分析确定的THFS改性沥青制备工艺为A1B2C2.

3.3 THFS改性沥青的最佳制备工艺

对上述采用正交试验和灰关联分析方法确定的两种THFS改性沥青制备工艺进行对比，从而优化设计THFS改性沥青的最佳制备工艺，对比分析结果见表7.

表6 灰关联分析

表7 不同制备工艺THFS改性沥青的性能对比

从表7可知，工艺二的THFS改性沥青高温性能(针入度、软化点、黏度)、低温性能(延度)以及感温性能(PI)均优于工艺一，说明利用工艺二可以制备出性能更为优异的THFS改性沥青，从而优化确定出THFS改性沥青的最佳制备工艺为工艺二(A1B2C2)，即剪切温度为150 ℃，剪切时间为45 min，剪切速率为4 000 r/min.

3.4 THFS改性沥青的制备

按照上述确定的最佳制备工艺制备THFS改性沥青，具体如下：

1)将基质沥青加热至120 ℃；

2)将THFS加热至150 ℃；

3)将熔融状态的THFS与基质沥青分别按质量比为4∶100，6∶100，8∶100，10∶100进行共混，为了保证THFS改性沥青的均匀性，采用剪切仪将THFS改性沥青在150 ℃下以4 000 r/min低速剪切45 min.

3.5 THFS改性沥青的性能

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[16]中的相关规定，按照SHRP PG和针入度分级体系分别对不同THFS添加量下改性沥青进行性能测试，见表8.

表8 不同THFS添加量下改性沥青的性能

由表8可知：

1)THFS的加入且随着THFS添加量的不断增加，改性沥青高温性能越来越好(软化点、黏度的提高)，但低温性能越来越差(10 ℃延度的减小)，这意味着沥青随着THFS添加量的增加而不断变硬、变脆. 当THFS添加量大于6%时，THFS改性沥青的低温性能已不能满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[19]中对50号沥青10 ℃延度(≥10 cm)的要求.

2)THFS的加入且随着THFS添加量的不断增加，THFS改性沥青的PG高温等级在不断提高，但PG低温等级在不断下降，这点与针入度评价体系的试验结果保持一致. 当THFS添加量大于6%时，THFS改性沥青的低温等级下降了1个等级.

3)综合THFS改性沥青的高、低温性能，推荐THFS最佳添加量为6%.

4 结论

1)结合正交试验和灰关联分析优化确定THFS改性沥青的最佳制备工艺，即剪切温度为150 ℃，剪切时间为45 min，剪切速率为4 000 r/min.

2)结合SHRP PG和针入度分级评价体系对THFS性能进行测试，发现THFS的加入会提高沥青的高温性能，但对沥青的低温性能产生不利影响. 综合THFS改性沥青的高、低温性能，推荐THFS最佳添加量为6%.

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[责任编辑：佟启巾]

Optimization Design of Preparation Process for THFS Modified Asphalt Binder and its Performance Evaluation

Ji Jie1，2, Shi Yuefeng1，2, Suo Zhi1, Xu Ying1

(1.School of Civil and Traffic Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044;2.School of Civil and Traffic Engineering, Beijing Cooperative Innovation Research Center for Energy-Saving and Emission Reduction, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044)

To determine the preparation process for THFS(tetrahydrofuran soluble)which extracted from DCLR(direct coal liquefaction residue)and asphalt binder, the orthogonal test and grey relational degree analysis are applied to optimize the preparation process for THFS modified asphalt binder. The base asphalt is SK-90 and the THFS contents are 4%, 6%, 8% and 10% by mass of SK-90 asphalt binder. The properties of THFS modified asphalt binders are tested by SHRP PG and Penetration system. The test results indicate that orthogonal test combined with grey relational degree analysis can optimize the preparation process for THFS modified asphalt binder, and determine the optimum preparation process. The shear temperature is 150 ℃, shear time is 45 min, and shear rate is 4 000 r/min. Meanwhile, the high-temperature properties of THFS modified asphalt binders are improved, but the low-temperature properties of THFS modified asphalt binders are declined. Considering the high-and-low temperature properties of THFS modified asphalt binders comprehensively, the 6% THFS content is recommended.

direct coal liquefaction residue; tetrahydrofuran soluble; orthogonal experiment; grey relation degree analysis; optimization design; performance evaluation

1004-6011(2016)03-0055-06

2016-07-08

国家自然科学基金项目(51478028)

季节(1972—)，女，教授，博士，研究方向：道路工程材料.

U414

A