硬质道路沥青的不同制备技术

仝玉军，沈本贤，刘纪昌

硬质道路沥青的不同制备技术

仝玉军，沈本贤，刘纪昌

（华东理工大学化学工程联合国家重点实验室，上海 200237）

以伊朗重质渣油为原料，对其采用减压深拔、溶剂脱沥青、溶剂脱沥青+调和组合工艺制备30#硬质道路沥青可行性进行考察。结果表明，减压深拔和溶剂脱沥青+调和工艺用来制备硬质道路沥青较为适宜。采用减压蒸馏工艺较为简单，适当提高蒸馏深度即可制备满足GB/T 15180—2010技术要求的30#硬质道路沥青，轻馏分油收率可增加8.1%；单独采用溶剂脱沥青工艺制备30#硬质沥青，尽管能制备出满足指标的30#硬质沥青，但脱沥青油收率较低，仅为6.6%～16.0%，经济效益较差；采用溶剂脱沥青+渣油（高标号沥青）调和工艺，可以制备出高低温性能较优的30#硬质沥青，适宜的操作条件为：丁烷为溶剂，抽提塔塔温度107℃，抽提压力3.8MPa，剂油质量比为2.9，此时脱沥青油收率为41.2%，残炭小于8%，金属含量小于30μg/g，满足催化裂化进料要求；硬质脱油沥青软化点为105.4℃，针入度为0，适宜的调和软组分选择春风渣油和90#沥青。沥青混合料试验表明，相比70#A级道路沥青，30#硬质沥青混合料具有良好的抗车辙性能和水稳定性能，基本能够达到改性沥青的效果，可将其用于沥青路面的中下面层提高路面的抗车辙能力。

硬质道路沥青；减压蒸馏；溶剂脱沥青；调和工艺；沥青混合料

进入21世纪，中国经济的快速发展极大地促进了我国交通基础设施建设。随着高等级道路交通量快速增长，交通重载化加剧，沥青路面往往过早出现车辙、开裂等病害，车辙成为目前沥青路面病害的主要形式之一。而导致沥青路面抗车辙能力较低的主要原因是目前我国沥青路面使用的沥青针入度普遍偏大，无论在南方、北方，甚至在东北地区都出现了严重的车辙[1-3]。沥青路面结构的中下面层使用的沥青偏软是导致夏季沥青路面产生车辙的重要原因之一，为此很多高速公路在沥青路面的中下面层使用改性沥青，极大地增加了公路的建设成本[4-5]。为提高沥青路面高温稳定性和增强其承载能力，在沥青道路的中下面层采用低针入度的硬质沥青对提高沥青路面耐久性和抗车辙性将会有显著效果。

近年来硬质沥青在国外已得到广泛应用，硬质沥青主要被用来生产高模量沥青混凝土，从应用效果来看，使用硬质沥青生产的沥青混合料抗永久变形能力得到提高，其疲劳寿命比原底层混合料的疲劳寿命显著增加，同时，硬质沥青比改性沥青更廉价。在国内硬质沥青主要是指针入度为20～40（0.1mm为1度）的30#沥青，国内道路工作者对硬质沥青的一些试验研究结果也表明硬质沥青及其混合料有着很好的发展前景[6-9]。然而，我国硬质道路沥青的研究、标准化以及生产和使用时间比较晚。同时，我国的气候条件和实际情况与国外有很大差异，在油源和生产工艺等方面也有所不同，硬质沥青在我国道路工程中还属新型材料，理论基础和实践经验都很欠缺。

根据原料的性质，硬质沥青的生产工艺主要包括蒸馏工艺、溶剂脱沥青工艺（solvent deasphalting，SDA）和调和工艺等。本文以伊朗渣油为原料，对其采用减压深拔、溶剂脱沥青工艺和溶剂脱沥青+调和组合工艺制备30#硬质道路沥青可行性进行研究，优选适宜的硬质沥青制备工艺，对我国硬质沥青的生产和应用有着重要的指导意义。

1 实验部分

1.1 原料

伊朗减压渣油取自中国石化镇海石化分公司减压蒸馏装置，原料性质见表1。由表1可知，伊朗渣油属于高残炭、高金属含量的劣质重质渣油，采用重催化裂化或延迟焦化等工艺对其加工难度较大，而将其用来制备道路沥青或者采用溶剂脱沥青工艺对其进行深加工较为适宜。

表1 伊朗渣油性质

1.2 减压深拔

减压深拔采用抚顺石油化工研究院的“FY-5”型实沸点蒸馏装置，装置主要包括蒸馏塔、配套冷凝器、产品接收器等部分。装置蒸馏釜的体积为10L，试验装料6kg。

1.3 溶剂脱沥青

溶剂脱沥青工艺流程见图1。渣油和溶剂分别从抽提塔上段和下段进入抽提塔内，在抽提塔内逆流接触萃取，脱油沥青（de-oil asphalt，DOA）从底部排出，脱沥青油（deasphalt oil，DAO）和溶剂从塔顶部排出进入分离塔，升高分离塔中的温度，在临界条件下溶剂和DAO分离，DAO从溶剂分离塔底部排出，溶剂从上部排出经冷却后进入溶剂罐循环使用。

图1 溶剂脱沥青流程

2 结果与讨论

2.1 不同工艺制备30#硬质道路沥青

2.1.1 减压深拔工艺

由表1可知，伊朗渣油的针入度（25℃）为55，软化点为47.3℃，蒸馏温度500℃和550℃馏分收率为5.0%和17.1%，对伊朗渣油进一步减压深拔可使其针入度降低到满足30#硬质道路沥青的规范要求。

在实沸点减压蒸馏装置上，对不同蒸馏温度下轻馏分和直馏沥青收率与性质影响进行考察，优化蒸馏温度；图2～图4为不同减压蒸馏温度下馏分油和直馏沥青收率与性质。结果表明，随着蒸馏温度增加，馏分油收率逐渐增加，沥青收率下降，馏分油中S、N、残炭和Ni、V金属含量增加，沥青针入度下降，软化点升高。由图3可知，当蒸馏温度为535～545℃时，此时馏分油收率为6.4%～12.8%，沥青的针入度介于20～40之间，满足30#沥青指标要求。轻馏分油作为催化裂化装置的进料，通常要求其残炭值不大于2.5%，金属含量小于2μg/g。由图4可知，蒸馏温度低于545℃时，馏分油性质满足催化裂化的进料要求。

表2为减压深拔工艺制备的4种满足GB/T 15180—2010标准的30#硬质沥青，但是性质存在较大的差别。随着针入度降低，沥青软化点、动力黏度（60℃）和针入度指数PI增加，10℃和15℃延度降低，薄膜烘箱试验后针入度比增加。30#-1和30#-2高温性能较好，低温性能损失最小，比较适合对高温抗车辙能力有较高要求，同时对低温性能也有要求的路段使用；30#-3和30#-4高温性能比较突出，比较适合在夏季持续高温而冬季温暖的气候条件和大交通量路段使用。为了兼顾沥青高低温性能，蒸馏温度为538℃较为适宜，此时馏分油收率为8.1%，性质满足催化裂化的进料要求，沥青的针入度（25℃）为31，软化点为56.8℃，15℃延度为20cm。

图2 蒸馏温度对馏分油和直馏沥青收率的影响

图3 蒸馏温度对直馏沥青性质的影响

图4 蒸馏温度对馏分油性质的影响

综上所述，对于目前炼厂来说，以伊朗原油为原料来制备30#硬质沥青时，可以在当前常减压工艺条件下适当的提高减压蒸馏深度，可以制备出满足标准的30#硬质道路沥青。

2.1.2 溶剂脱沥青工艺

渣油通过溶剂脱沥青，选择适宜的操作条件，控制适宜的DAO收率，DOA可以直接生产30#道路沥青。溶剂脱沥青生产的关键是选择合适的溶剂，它对装置的性能、灵活性和经济性有很大的影 响[10]。图5为伊朗渣油黏温曲线，温度为80℃黏度高达23.0Pa·s。目前镇海炼化溶剂脱沥青装置采用丁烷溶剂来加工重质高黏渣油，本文选用混合丁烷作为抽提溶剂，其组分与工业溶剂组分相近，组成见表3。

表2 减压蒸馏30#沥青性质

调整抽提温度是溶剂脱沥青过程的最常用的调控手段[11]。其他操作条件选择工业装置条件，抽提压力3.8MPa，剂油比2.9（质量比），通过调整抽提塔塔顶温度来获得不同收率和性质的DAO和DOA。图6～图8为伊朗渣油不同抽提塔塔顶温度下DAO和DOA收率和性质。随着抽提温度降低，DAO收率增加，DOA收率减小，DAO性质变差，DOA针入度降低、软化点增加。DAO通常作为重油催化裂化装置的进料[12]，要求残炭小于8%，金属含量低于30μg/g。由图7可知，DAO收率低于50%时，DAO性质满足重油催化裂化的进料要求。

图5 伊朗渣油黏温曲线

表3 混合C4溶剂组成

表4列出DOA针入度和软化点与DAO收率的拟合方程，其中Pen和SP分别表示针入度（25℃）和软化点，为DAO收率。可以看出在试验范围内，针入度和软化点与DAO收率之间有较好的关联性。DAO收率为6.6%～16.0%时，即抽提塔塔顶温度范围为124～130℃，此时DOA针入度和软化点满足硬质沥青的指标要求。

图6 抽提塔塔顶温度对DAO和DOA收率的影响

图7 DAO收率与DAO性质的关系

图8 DAO收率与DOA针入度和软化点的关系

表4 DOA针入度和软化点与DAO收率拟合方程

表5为采用溶剂脱沥青工艺制备的3种满足GB/T 15180—2010的30硬质道路沥青，但是性质存在较大差异，高低温性能之间存在矛盾关系，30#-5的高温性能最好，而低温延度损失严重，30#-7的低温延度最好，而软化点和动力黏度（60℃）损失较大，30#-6高低温性能介于30#-5和30#-7之间，低温延度也较差。此外，DAO收率较低，仅为6.6%～16.0%，装置经济性较差，降低了渣油的加工深度，制约了溶剂脱沥青工艺在渣油深度加工中的作用。综上所述，针对于伊朗重质渣油不适宜单独采用溶剂脱沥青工艺制备30#硬质道路沥青。

表5 溶剂脱沥青工艺制备30#硬质道路沥青

2.1.3 溶剂脱沥青+调和组合工艺

对许多渣油而言采用溶剂脱沥青直接生产道路沥青的方案所带来的问题是DAO收率低，一般情况下，希望在溶剂脱沥青过程中尽可能多地获得可供进一步改质DAO，此时，DOA软化点高，不能满足道路沥青的要求。在这种情况下，将高软点DOA与炼厂的其他软组分进行调和，可以生产出道路沥青。

以伊朗渣油为原料，对其采用溶剂脱沥青+调和组合工艺制备的30#硬质道路沥青进行考察。表6和表7列出了几种调和软组分的主要性质，包括伊朗渣油、春风渣油、70#A级沥青、90#A级沥青和减四线抽出油；硬组分选用伊朗渣油DAO收率分别为28.0%和41.2%时的硬质DOA-1（针入度为4）和DOA-2（针入度为0）。

表8列出了10种调和硬质沥青，除30#-17的软化点和薄膜烘箱试验后质量损失不合格外，其余都满足30#硬质沥青技术要求，但其性质存在一定差异。以春风渣油为软组分调和制备的30#硬质沥青高低温性能明显优化其他3种软组分，其次为90#高标号沥青作为软组分，主要原因可能是软组分 本身具有优异的高低温性能；与表5中30#-6比较发现，采用渣油和高标号沥青作为软组分调和制备的30#硬质道路沥青的软化点、低温延度和薄膜烘箱试验后针入度比得到提高；比较DOA-1和DOA-2分别作为硬组分时调和制备的30#沥青性质，发现采用软化点较高的DOA-2时，调和制备的硬质沥青软化点和黏度略低，延度略高。30#-12为DOA-2与减四线抽出油调和制备得到，其15℃延度要明显高于其他8种调和沥青，而软化点、黏度和针入度比较低，质量损失较大。

表6 几种调和软组分性质

表7 减四线抽出油性质

表8 伊朗渣油高软化点DOA调和渣油和抽出油制备的30#沥青性质

比较减压渣油、高标号沥青和减四线抽出油3种调和软组分，减四线抽出油作为调和软组分时，利用其富芳烃组分对沥青质的亲和性，有助于提高沥青质的分散性，可显著提高调和沥青的延度，但高温性能（软化点、黏度）降低明显，同时薄膜烘箱后质量损失较大。为平衡兼顾30#沥青高低温性能，减压渣油和高标号沥青更适宜作为调和软组分，但调和软组分性质对沥青影响较大，应对其进行原料优选。

综上所述，从制备性能较优的30#硬质沥青和获得高收率DAO两方面考虑，溶剂脱沥青+调和组合工艺适宜的操作条件为：丁烷为溶剂，抽提塔顶温度107℃，抽提压力3.8MPa，剂油比为2.9（质量比），此时DAO收率为41.2%，满足催化裂化进料要求，DOA软化点为105.4℃，适宜调和软组分选择春风渣油和90#A级沥青。该组合工艺可以在得到较高性质较好的DAO收率的基础上，实现了高软化点DOA的加工应用，对资源的高效合理利用和低标号硬质沥青的生产应用有着重要的指导 意义。

2.2 30#硬质道路沥青混合料性能

表9列出了3种性能较好30#硬质沥青和70#A级道路沥青（伊朗原油常减压蒸馏制备），比较发现30#沥青的软化点、黏度和PI明显高于70#A级道路沥青，表明30#沥青具有较好的高温性能，同时感温性较小；而15℃和10℃延度远远低于70#A级道路沥青，由于低温延度更能反映沥青的低温性能，可见其低温性能不够理想。比较4种沥青的族组成含量发现，对于同种原油相同工艺制备的30#和70#沥青，即30#-2与70#A级沥青，30#沥青的沥青质和胶质含量要高于70#沥青，而芳香分和饱和分较低，进而引起沥青高低温性能规律性改变，即沥青质含量增加可改善沥青高温性能，胶质能够增加沥青的黏附性，然而沥青质增加和芳香分减少会使沥青的延度大大降低，低温易于脆裂；而对于不同原料制备的沥青，其族组成数据差别不大，如30#-14和70#A级沥青，而沥青性能却差别很大。石油沥青是一个胶体分散体系，沥青高低温性能的差异不仅是数量上的关系，同时还与各组分本身的组成与结构有关。

表9 30#硬质沥青和70#A级道路沥青性质比较

为了进一步对30#沥青高温稳定性、水稳定性以及抗疲劳等路用性能路进行考察，按照现行的《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）对表9中的30#硬质沥青和70#A级沥青进行混合料实验，结果见表10。

由表10可以看出，3种30#沥青混合料的马歇尔稳定度、车辙动稳定度、残留稳定度、冻融劈裂残留稳定度等性能明显优于70#A级沥青混合料。车辙动稳定度是表征沥青混合料铺路后的抗重载、抗高温变形能力的指标。30#沥青混合料车辙试验的动稳定度是70#沥清的2倍多，70#沥青混合料的车辙动稳定度只符合普通沥青混合料的要求，而30#沥青则可以达到了炎热区（聚合物）改性沥青混合料车辙动稳定度指标要求。浸水残留稳定度表征沥青混合料铺路后抗水浸破坏能力。相对于70#沥青，30#沥青稳定度得到明显提高，可以达到潮湿区（聚合物）改性沥青混合料的要求。同时冻融劈裂残留稳定度30#沥青的冻融劈裂残留稳定度可以满足聚合物改性沥青的要求，表明30#沥青混合料具有较强的抵抗自然条件下的冻融破坏能力。

当然由于30#沥青针入度较小，黏度较高，其混合料的低温弯曲试验破坏应变指标只能达到规范对冬冷区和冬温区的要求，与70#沥青混合料相比其低温性能还是较差。目前30#沥青主要用于沥青路面的中下面层，重点应看其混合料是否具有良好的高温稳定性和水稳定性，通过上述研究表明30#沥青混合料有着非常好的抗高温性能；同时其水稳定性良好。这说明将30#沥青混合料用于沥青路面的中下面层将可以大幅度的减少由于高温和重载所产生的车辙，尤其南方湿热条件下的沥青路面，具有较好的应用前景。

3 结论

针对伊朗渣油，减压深拔和溶剂脱沥青+调和工艺用来制备30#硬质道路沥青较为适宜。采用减压深拔工艺较为简单，适当提高蒸馏深度即可制备满足GB/T 15180—2010技术要求的30#硬质道路沥青，同时轻馏分油收率可增加8.1%；单独采用溶剂脱沥青工艺制备30#硬质沥青，尽管能制备出 满足指标的30#硬质沥青，但DAO收率较低，仅为6.6%～16.0%，经济效益较差；溶剂脱沥青+调和工艺可以充分发挥溶剂脱沥青工艺在渣油改质中的作用，又可以有效利用高软化点DOA及炼厂中的其他副产物，采用这种方法生产道路沥青比单一采用溶剂脱沥青或减压蒸馏的方法灵活，尤其是从不能通过蒸馏法生产合格道路沥青的原油中生产高质量道路沥青更具有重要作用。

表10 沥青混合料实验结果

[1] 罗来龙，罗丹，蔺习雄. 硬质沥青的研究及应用现状[J]. 石油沥青，2010，24（6）：1-7.

LUO L L，LUO D，LIN X X. The current research and application situation of hard asphalt[J]. Petroleum Asphalt，2010，24（6）：1-7.

[2] 黄晓明，范要武，赵永利，等. 高速公路沥青路面高温车辙的调查与试验分析[J]. 公路交通科技，2007，24（5）：16-20.

HUANG X M，FAN Y W，ZHAO Y L，et al. Investigation and test of expressway asphalt pavement high-temperature performance[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development，2007，24（5）：16-20.

[3] 王辉，李雪连，张起森. 高温重载作用下沥青路面车辙研究[J]. 土木工程学报，2009，42（5）：139-144.

WANG H，LI X L，ZHANG Q S. Rutting in asphalt pavement under heavy load and high temperature[J]. China Civil Engineering Journal，2009，42（5）：139-144.

[4] 沙爱民，曹江，周庆华，等. 国产硬质沥青及混合料高温性能研究[J]. 武汉理工大学学报，2009，31（1）：41-44.

SHA A M，CAO J，ZHOU Q H，et al. High temperature performance of domestic hard asphalt and asphalt mix[J]. Journal of Wuhan University of Technology，2009，31（1）：41-44.

[5] CONG P，ZHANG Y，LIU N. Investigation of the properties of

asphalt mixtures incorporating reclaimed SBS modified asphalt pavement[J]. Construction and Building Materials，2016，113：334-340.

[6] 俞嵩杰. 30号硬质沥青的生产及应用[J]. 石油沥青，2013，27（1）：45-49.

YU S J. Production and application of 30#hard asphalt[J]. Petroleum Asphalt，2013，27（1）：45-49.

[7] 王金勤，李明科，罗来龙. 克拉玛依30号、50号硬质道路沥青的性能评价[J]. 石油炼制与化工，2009，40（8）：63-67.

WANG J Q，LI M K，LUO L L. Performance evaluation of 30#and 50#hard paving asphalts produced from Karamay crude oil[J]. Petroleum Processing and Petrochemicals，2009，40（8）：63-67.

[8] 梁春雨. 30#硬质沥青用于沥青路面中下面层的试验研究[D]. 长春：吉林大学，2007.

LIANG C Y. Test study of the 30#hard grade asphalt used for mid or lower surface layer of asphalt pavement[D]. Changchun：Jilin University，2007.

[9] LIU Y C，FAN X H，ZHANG H Z. Development and evaluation of the hard-grade asphalt[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2010，22（8）：800-805.

[10] 危建波. 溶剂脱沥青工艺条件对重交通道路石油沥青质量的影响及对策[J]. 石油沥青，2006，20（5）：47-52.

WEI J B. Influencing factor of solvent deasphalting unit production heavy traffic road asphalt[J]. Petroleum Asphalt，2006，20（5）：47-52.

[11] NING A M，SHEN B X，LIU J C，et al. Refining Tahe heavy crude oil to increase light product yield[J]. Petroleum Science and Technology，2015，33（3）：311-318.

[12] 龙军，王子军，黄伟祁，等．重溶剂脱沥青在含硫渣油加工中的应用[J]．石油炼制与化工，2004，35（3）：1-5.

LONG J，WANG Z J，HUANG W Q，et al. Application of heavy solvent deasphalting in sulfur-containing residuum processing[J]. Petroleum Processing and Petrochemicals，2004，35（3）：1-5.

Preparation and evaluation of hard asphalts by different process

TONG Yujun，SHEN Benxian，LIU Jichang

（State Key Laboratory of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology， Shanghai 200237，China）

Preparation and evaluation of 30#hard road asphalts by vacuum distillation，solvent deasphalting，combination of solvent deasphalting and blending process for Iran residue were investigated. The results showed that，30#hard road asphalt was prepared and met technical requirements of GB/T 15180—2010 by raising the distillation depth，and the yield of light distillate increased by 8.1%. 30#hard asphalt could be prepared by solvent deasphalting process，while the DAO yield was so low，about 6.6%～16.0%，that resulted in poor economic benefits. The combination of solvent deasphalting and blending process was used to produce 30#hard asphalt with good performance at high and low temperature，and the suitable operating conditions were as follow: butane of solvent，extraction tower temperature of 107℃，extraction pressure of 3.8 MPa，solvent-oil ratio of 2.9（mass ratio），DAO yield was 41.2%. The carbon residue content and metal content of DAO were less than 8% and 30μg/g，respectively，and met the requirements of FCC feedstock. The softening point and penetration of hard DOA were 105.4℃ and 0，respectively，and the Chunfeng residue and 90#asphalt were appropriate as soft components of blending process. The results of mix performance tests indicated that， compared with 70#asphalt，30#hard asphalt mixture had very good anti-high temperature deformation ability，good water stability，and had the same effect of modified asphalt. Its applications on surface of the middle and lower layer road would improve the pavement anti-rutting ability.

hard road asphalt；vacuum distillation；solvent deasphalting；blending process；asphalt mixture

TE 624.5

A

1000–6613（2017）12–4554–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0386

2017-03-09；

2017-04-27。

国家自然科学基金项目（21476082）。

仝玉军（1989—），男，博士研究生，主要从事重油加工工艺和石油沥青产品研究开发工作。E-mail：yjtongcareer@163.com。

沈本贤，教授，博士生导师，主要研究方向为油气深度加工和长输管线节能技术、清洁燃料技术、绿色化工。E-mail：sbx@ecust.edu.cn。