FCC油浆改性脱油沥青的流变性能及化学特性研究外文翻译资料

英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

FCC油浆改性脱油沥青的流变性能及化学特性研究

梁明¹，刘淑君¹，樊维宇¹，辛雪¹，罗辉¹，邢宝东²

1 中国石油大学国家重油加工重点实验室，山东，266580

2 中国海洋石油总公司（青岛）重油加工工程技术研究中心，山东，266580

摘要：近年来，在温暖地区使用低针入度沥青以改善抗车辙性能引起了人们极大的兴趣。脱油沥青（DOA）和油浆——溶剂脱沥青和流体催化裂化的副产品，通过使用带来的附加值较低。这项工作的目的是通过将不同比例的FCC油浆与DOA混合来制备铺路沥青。本文研究了化学组成对共混物的粘弹性特性的影响，并特别强调线性粘弹性和粘性流动行为以经验测试。结果表明，共混物的SARA级分接近沥青，并且处在沥青质含量高的DOA和富含芳族化合物的油浆之间。此外，SARA组分对共混物的流变性质具有显着影响。沥青质可以提高沥青的模量已经得到了证明，尤其是在高温下，低渗透混合物已经表现出较高的抗车辙性和抗变形性。综合考虑可操作性和实用性，在DOA中应用40wt％油浆更为合理。结果表明，随着DOA中油浆加入量的增加，其抗老化性能更差。因此，使用DOA和FCC油浆是非常有效和有意义的方法。

关键词：流变性能；道路沥青；脱油沥青；油浆

1.引言

沥青由于其粘结性和粘弹性，不仅作为一种有效的粘结剂广泛应用于道路建设中，而且还应用用于防水，表面修整和桥梁建设[1,2]。沥青结构方面有两种模型，即异构模型和同质模型。第一种观点得出结论，沥青结构可以被描述为胶体模型，其中沥青质分散到沥青中并被树脂包围[3-5]。因此，沥青可以通过色谱技术分离成maltenes（细分为饱和物，芳烃和树脂）和沥青质，并标记为SARA。另一方面，一些研究人员提出了Dispersed Polar Fluid（DPF）模型，即沥青是一种简单的均质流体[6,7]。支持DPF模型的关键论点是沥青粘弹性的单调时间依赖性和单峰驰豫频谱。尽管如此，这些抛弃沥青胶体结构的论点却并不令人信服，也没有说服力，因为它们无法解释沥青的异质性这一由X射线或中子散射证实的关键点[8,9]。沥青基本上是在大气压下约500℃的条件下，通过原油的真空蒸馏得到的[10]。获得沥青的其他工艺包括吹气，溶剂脱沥青和减粘裂化[5,11,12]。

近年来，由于交通荷载、交通流量的增大以及气候不利等因素，路面工程师通过提高道路实用性能使其能够承受永久变形（车辙），开裂和疲劳[13-15]。因此，沥青应该在广泛的温度范围内具有理想的流变性能，具有优异的流动性以便泵送并与骨料混合，足够坚硬以抵抗在高温下使用的永久变形，并且足够软以防止在低温下开裂。需要强调的是，车辙在道路问题中占了相当大的比例[19]。因此，低渗透级沥青在温暖地区加强路面抗车辙方面的应用受到了越来越多的关注。

脱油沥青（DOA）是溶剂脱沥青的副产品，主要用于回收润滑油[12,20]。一般来说，DOA在室温下是一种坚硬而脆的固体，呈黑色或棕色，类似于煤。虽然由于其软化点高，粘度高，针入度低，DOA的硬度足以抵抗高温时的车辙，但由于其沥青质含量高，在低温下脆性差，抗裂性差。因此，有必要将轻组分，特别是芳烃混入DOA中，用以生产高品质的铺路沥青以使其应用具有较高的附加值。

催化裂化（FCC）是重油改最重要的炼油工艺之一，尤其是在中国。FCC油浆是这一工艺的副产品，中国每年生产约750万吨[21]。FCC油浆主要用作经济效益差的重质燃料油的调合组分，因为它是芳香族化合物，饱和物，树脂，沥青质，催化剂和焦炭粉的复杂混合物，难以利用。此外，需要重点强调的是因为其芳烃含量很高[22]，该油浆也可用于生产高附加值产品。

因此，生产具有高附加值的铺路沥青的一种高效方法是将DOA与FCC油浆混合。含有高芳烃的油浆是铺路沥青的理想组分，因为更多的芳烃有助于减少沥青质和maltene之间的芳香性和极性差异并稳定体系。在这项研究中，将DOA与FCC油浆以不同的比例混合。此外，值得注意的是最终决定路面使用性能的是沥青的机械性能和流变性能，而温度和化学成分[23]又对沥青的机械性能和流变性能具有重要影响。本文研究了化学组成对混合物的粘弹性特性的影响。同时，本文也特别关注了线性粘弹性，稳态流动行为，耐老化性以及经验性测试。

2.实验方法与实验过程

本研究中使用的DOA和FCC油浆（字母A和B）来自九江石化有限公司。物理性质如针入度，软化点和Fraass断裂点列于表1中。通过将各种比例的油浆与DOA（T1至T7，表1）混合而获得共混物。

表1各种比例的共混物的性质

将DOA与油浆混合物在170℃下加热30分钟，并在具有四叶片叶轮的开式低剪切混合器中在1000rpm的转速下生产制得样品，随后倒入桶内冷却。

就SARA馏分的化学组成而言，可以通过利用硅胶上的薄层液相色谱与一个火焰离子化检测器进行偶联的Iatroscan MK-6分析仪（ヤトロン株式会社公司，日本）来测定。洗脱液由己烷，甲苯和二氯甲烷/甲醇（95/5）组成。

振荡剪切试验（0.1-100 rad s-1）在带有两块平行的几何板（直径25mm，间隙1mm）的受控应力流变仪AR2000ex中进行的。首先对每个样品进行应力和应变扫描测试以确定线性粘弹性区域。线性粘弹性表征的温度范围为35至80℃。温度扫描试验在30〜100℃的线性粘弹区域内用流变仪AR完成，其温度变化率设定为1℃ min-1，剪切频率10 rad s-1。在40℃和75℃下则进行从0.1到100rad s-1的频率扫描。

稳态流动行为在带有两块平行的几何板（直径25mm，间隙1mm）的受控应力流变仪AR2000ex（产自美国）中测定。通过逐渐增加施加在样品上的剪切速率（10-3~10-2 s-1,60℃）获得流动曲线。用相同的样品重复两次实验也得到了相同的结果。

为了评估作为沥青粘合剂的材料的老化性能，对其进行了长期热存储测试。制得样品后，将其倒入铝圆筒（直径5厘米，高10厘米）并密封。然后，将其置于设定温度为163℃的烘箱中分别放置0,48,96,144和192小时。之后，取出经过热储存的样品并在50℃下进行频率扫描测试，通过所得到的粘弹性函数（弹性模量Gˊ和损耗模量GPrime;）进行分析。

3.结果与讨论

3.1化学特性：SARA组分

如之前在非均相模型中所讨论的，沥青可以描述为胶体模型，其中沥青质被树脂壳胶溶，沥青质比maltenes芳香性更强并含有更多杂原子和金属。

DOA、FCC油浆和共混物的化学特征以及SARA馏分，如图1所示。从图1可以看出，DOA中沥青质的含量在接近20wt％时最高，这产生了高软化点和较低的渗透率。因此，对于DOA，可以预见的是使其具有优异的刚度模量而可以抵抗路面车辙行为。另一方面，从DOA的Fraass断裂点推断，它很容易在低温下开裂，并且不适合用于铺路。而与之对应的，由最高芳烃组成的FCC油浆是用作高质量铺路沥青的理想馏分。此外，共混物的SARA馏分则处于DOA和油浆之间。随着DOA从T2到T6混合的油浆比例的增加，混合物中的沥青质和树脂依次减少并且SARA组合物含量趋于合理。从表1还可以看出，当油浆的比例从20wt％变化到40wt％时，针入度从10变化到28。因此，通过将FCC油浆与DOA混合来生产具有较低针入度的沥青是可行的。此外，随着混合料中油浆的增加，Fraass断裂点明显减小。 如前所述，低渗透沥青最重要的特性是高软化点和优异的抗车辙能力。然而，沥青最大的风险是低温开裂。当我们考虑含有20wt％Fraass在13℃范围内的沥青的低温性能时，即使在温和的气候下，低温开裂的风险也相当大。 因此，共混物中油浆的比例应该超过20wt％。

图1 DOA、浆液以及各种混合物的化学组成

3.2流变特性：线性粘弹性

从DSR可以得到的基本流变参数是复数剪切模量G*和相位角d。G*代表沥青在受剪切力作用下抵抗变形的最大能力，将其定义为最大剪切应力与最大剪切应变的比值[28]。现在得到普遍认同的是沥青在相应的使用条件下既是粘性的非弹性材料。因此，在战略公路研究计划（SHRP）中，G*被认为同时包括剪切储能模量Gˊ和剪切损耗模量G〞，其中Gˊ、G〞分别为粘性和弹性特性。相角d被定义为振荡试验中剪切应力与剪切应变之间的相位差，是沥青粘弹性平衡的评估标准[29]。通常，沥青材料需要在环境温度下具有足够高的模量以抵抗此时的车辙，而在混合温度下则不需要具有较高的模量。

进行频率扫描测试以研究共混物的线性粘弹性行为。这些数据分别来源于35,50,65和80℃温度下共混物T2和T4的横断面研究（图2）。很明显，储能模量Gˊ和损耗模量G〞受温度影响很大。Gˊ总是略低于损耗模量G〞，这表明了研究频率和温度范围内的主要粘性属性，并且随着温度和油浆百分比的增加，这一特点越发显著。另一方面，在相同温度下，混合物T2的Gˊ和G〞比T4的更高。换句话说，与最终导致永久变形或更高的车辙的储能模量Gˊ相比，损耗模量G〞的增加是明显的。

图3显示了40℃和75℃下所有共混物的储能模量Gˊ和损耗模量G〞与频率的关系。在两个实验温度下，储能模量Gˊ和损耗模量G〞都随着频率的增加而增加。如前所述，对于所研究的频率区域中的所有混合物，Gˊ总是低于G〞。此外，值得注意的是，在不同温度下，Gˊ和G〞之间的差异随着混合物油浆含量的增加而变大。实验结果表明，沥青质在改善共混物的模量方面起关键作用，这表明沥青质在改善抗车辙性方面具有积极作用。因此，在温暖的地区，可以使用低针入度沥青或硬质沥青。

图2 在35℃，50℃，65℃和80℃下，混合物T2和T4线性粘弹性的频率依赖性

图3 40℃和75℃下各种混合物样品的线性粘弹性函数随频率的变化关系

各种混合物的线性粘弹性行为通过振荡剪切模式下的温度扫描来评估。线性粘弹性函数（储能模量Gˊ和损耗模量G〞）在10 rad s-1样品时的温度依赖性如图4所示，其中温度范围为30〜90°C。据观察，温度对模量产生深刻的影响，并且随着温度的增加，储能模量和损耗模量都急剧下降。此外，含有较多油浆的共混物具有较低的模量，并且下降趋势更明显。当在其他混合物中G〞高于Gˊ时， DOA中Gˊ和G〞几乎没有区别，这也在某种程度上表明了共混物中的主要粘性行为。可以说SARA比例对粘弹性质有很大的影响。沥青质的分散和相互作用对沥青的力学性能有很大的影响。一般来说，随着沥青质量的增加，两种模量都会显着增强，这种影响在高温下更为明显。为了在高温下也能获得优异的机械性能，应提高混合物中DOA的比例。由此，低温裂化的风险将会大大增加。如果注重低温开裂，则应提高浆液的比例然而，增加共混物中油浆的比例将对软化点，高温下的机械性能等性能造成不利影响，而是上述两个性能也是混合沥青最重要的特性。因此，这是一个悖论，DOA和泥浆之间需要有一个平衡点。一些研究[30-32]认为沥青的开裂温度通常低于Fraass点10℃。因此，应用40wt％的油浆既可以获得期望的抗磨性能也可以获得相当好的低温性能。

储能模量Gˊ和损耗模量G〞之间的关系可以通过

全文共13190字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[10113]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

您可能感兴趣的文章

• 可调聚合物微球的简易合成及其在包裹色料中的应用研究外文翻译资料
• 非均质表面结构的金属有机框架用于癌症治疗，成像和生物传感的研究进展外文翻译资料
• 金属氧化物光阳极电荷产生到光催化的动力学综述外文翻译资料
• ILs基凝胶在储能、传感器和抗菌方面的研究进展外文翻译资料
• 水凝胶在水体污染物吸附和废水处理中的应用外文翻译资料
• 半互穿壳聚糖/离子液体聚合物网络作为伤口敷料和离子电渗透材料的应用研究外文翻译资料
• 碳纳米管/PLA复合材料的增材制造及构效关系外文翻译资料
• 单宁酸诱导环氧化大豆油交联增韧聚乳酸外文翻译资料
• 新型偶氮苯基两亲性共聚物：合成、自组装行为和多刺激响应特性外文翻译资料
• 用于多胺识别的光子晶体协同传感器芯片外文翻译资料