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历史记录

生物沥青共混石油沥青热储存稳定性研究

来源:石油沥青厂家   发布时间:2018-12-17   点击量:1000

石油沥青

高速公路作为最主要的现代化运输方式之一对国民经济的发展具有重要意义,现阶段我国高速公路管网的建设与维护形成了对道路沥青材料的巨大需求。然而,随着石油资源可开采量的日趋减少,传统的以石油为原料生产道路沥青的方法将面临严重的材料制约和成本压力。因此,寻找石油资源的接替资源生产道路沥青材料已经成为了当今重要议题。生物质资源是次于石油、煤炭和天然气的第四大资源,具有分布广泛、可再生、环境友好和成本低廉等特点。在不可再生资源日趋枯竭的今天,生物质资源的开发利用对于我国能源消费与生产模式的转变以及能源结构战略性调整具有重要意义。

若能实现利用生物质资源代替石油资源生产道路沥青材料,则不仅能减缓石油资源的消耗,还可以降低道路沥青材料的生产成本。近年来,国内外学者已经开始了生物质应用于道路沥青材料的探究,生物热解油中的沥青组分经过分离和热加工得到的新型沥青材料定义为生物沥青。Ronald CW与Fan等尝试了以玉米秸秆、柳枝、橡木以及环氧基废弃电路板热解油为原料制备生物沥青的研究,何敏与宋昭睿等分别对改性生物沥青的常规性能以及生物沥青混合料的性能进行了研究。

当前的研究表明生物沥青性能与石油沥青仍存在一定差距,因此生物沥青完全替代石油沥青尚不现实,其较佳的利用途径是作为增量剂部分替代石油沥青。生物沥青共混石油沥青的热储存稳定性是指其在运输、储存以及使用过程中不发生相分离和降解的性能,较优的热储存稳定性是生物沥青共混石油沥青应用的前提条件。本研究从物理性能、流变性能以及官能团结构三方面评价生物沥青与石油沥青共混体系的热储存稳定性,旨在为生物沥青进一步的研究与应用提供理论指导。

实验

实验主要原料

实验所用生物油为松木热解油,购于安徽易能生物油有限公司;AH-70基质沥青为中石油秦皇岛燃料沥青有限责任公司生产。

生物沥青的制备

蒸馏水与松木热解油以8∶1的质量比例在10℃冷水浴中以1500r/min的转速搅拌30min,真空抽滤得到生物油中不溶性组分,空气气氛中,120℃温度下热缩合1.5h制备得到黏弹状生物沥青。

生物沥青与石油沥青的共混

在150℃恒定温度和1000r/min下,将AH-70沥青加热至熔融状态,分别加入基质沥青质量5%、10%、15%和20%的生物沥青,3000r/min高速剪切1h制备得到混合沥青。

共混沥青热储存稳定性评价

物理性能指标评价。借鉴《聚合物改性沥青离析试验法》方法,将制备得到的共混沥青灌入直径25mm,长度20cm的铝管中,密封后垂直置于温度恒定为163℃±5℃的烘箱中恒温48h,取出后立刻放入温度低于-4℃的冰箱中冷冻4h,取出后将管体切为等长的三段,按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中相关方法分别测定上下部及原样沥青的软化点与动力黏度。

流变性能评价。利用奥地利Anton Paar SmartPave101型动态剪切流变仪,依据《沥青流变性质测定法(DSR法)》对生物沥青与石油沥青的混合沥青离析上下部分别进行温度扫描实验,实验采取降温模式,正弦波加载,荷载频率为10rad/s,扫描范围为52℃~76℃,降温平衡时间为2℃/min,实验采用25mm底板,试样厚度为1mm,实验过程中设置1%恒定应变,按离析率Rs=G*Sin()δ下G*Sin()δ上-1计算不同生物沥青掺入比例混合沥青60℃下的离析率。

官能团结构评价。采用KBr晶片压片法对生物沥青与石油沥青共混体系离析后上下部分别进行红外光谱实验从而比较二者官能团结构差异,实验所用仪器为Nicoet560傅里叶变换红外光谱仪,扫描范围为4000~400cm-1。

结果与讨论

物理性能评价

软化点指标。软化点是沥青高温性能的重要指标,也是改性沥青热储存稳定性常用的评价指标。

可见,混合沥青离析上下部软化点差绝对值并不随生物沥青掺入比例增大而增大;掺入比例5%~20%范围内,混合沥青软化点差绝对值处于0.4℃~1.1℃之间,均小于相关标准要求的2.5℃;此外,离析后混合沥青上下部软化点与原样的偏离程度也较小,偏离程度最大的为20%掺入比例混合沥青的离析上部,其与原样沥青软化点的偏离也仅为1.6℃;因而,以离析软化点为评价指标可以得出生物沥青与石油沥青的混合沥青拥有较优的热储存稳定性。

动力黏度指标。动力黏度反应了沥青高温状态下抗剪切变形能力,也是确定沥青拌合与压实温度的依据指标。本研究以生物沥青与石油沥青共混体系离析上下部105℃动力黏度之差以及与原样的偏离程度作为评价混合沥青热储存稳定性的另一物理性能指标。可以看出,混合沥青离析后上下部动力黏度差绝对值并不随生物沥青掺入比例增大而增大,上下部动力黏度差绝对值处于0.10~0.14Pa·s范围内,鉴于动力黏度实验的误差,可以得出混合沥青离析后上下部动力黏度并没有明显差别;此外,混合沥青离析后上下部动力黏度与原样动力黏度的偏离程度也较小。因而,以105℃动力黏度作为混合沥青热储存稳定性的评价指标可以得出生物沥青与石油沥青的共混体系在高温状态下能保持性能稳定,具有较优的热储存稳定性。

流变性能评价

流变学是关于物质流动和变形的科学,沥青材料的黏弹性状与温度以及荷载作用时间密切相关的特性决定了其更适合用流变学相关的理论加以研究。本研究通过动态剪切流变实验考查混合沥青离析后上下部流变性能的变化,旨在从流变学角度对生物沥青与石油沥青共混体系热储存稳定性进行表征,从而使得混合沥青热储存稳定性评价更具全面性与综合性。离析率Rs=G*sin()δ下G*sin()δ上-1是美国SHRP计划提出的基于动态剪切流变实验评价改性沥青热储存稳定性的指标,|Rs|值越接近0表示改性沥青高温储存稳定性能越好,|Rs|不大于0.2时认为其高温储存稳定性合格,美国已将该方法列入其沥青标准。可见,离析率绝对值不随生物沥青掺入比例增大而增大,不同生物沥青掺入比例混合沥青离析率绝对值|Rs|均小于0.2。因而,动态剪切流变学验结果可以表明生物沥青与石油沥青的共混体系热储存稳定性较好,高温储存或运输后并不会发生离析。

红外光谱分析

红外光谱分析是利用被分子吸收的红外辐射引发分子由基态转动及振动能级跃迁到激发态,从而获得分子的振动-转动光谱,由于某个官能团具有特定的红外吸收频率,因而可以通过红外光谱对物质的结构进行分析。本研究通过比较混合沥青离析后上下部红外光谱图以实现从官能团结构角度评价生物沥青与石油沥青共混体系热储存稳定性。20%生物沥青掺入比例的混合沥青中生物沥青含量最高,最可能发生相分离以至离析,因而红外光谱实验对象选取20%生物沥青掺入比例的混合沥青。可以看出,离析上下部峰的位置、峰强以及峰形具有高度一致性;官能团区的2950cm-1左右的的甲基CH不对称伸缩振动峰、2850cm-1左右的亚甲基CH对称伸缩振动峰和600cm-1~1380cm-1范围内三个连续的苯环CC双键伸缩振动峰无明显区别;指纹区的1030cm-1左右的CO伸缩振动峰以及740cm-1左右的OH变形振动峰也高度一致。因而,红外光谱实验结果表明生物沥青与石油沥青共混体系离析后上下部官能团结构无明显差别,这说明混合沥青高温下不会发生离析,具有较优的热储存稳定性。

结论

(1)生物沥青掺入比例≤20%范围内,生物沥青与石油沥青共混体系离析上下部的软化点差值与动力粘度差值均较小并且离析后与原样的偏离程度也较小,这说明生物沥青与石油沥青的混合沥青在高温储存或运输过程中能保持物理性能的稳定。

(2)掺入比例≤20%,生物沥青与石油沥青的混合沥青离析率绝对值均<0.2,这说明长期高温条件下,生物沥青与石油沥青共混体系流变性能保持稳定。此外,生物沥青与石油沥青共混体系离析上下部红外谱图具有高度一致性,表明混合沥青离析上下部官能团结构差别极小。

(3)从物理性能、流变性能以及官能团结构三方面对生物沥青与石油沥青共混体系的热储存稳定性进行评价均可以得出其具有较优的热储存稳定性;生物沥青与石油沥青的混合沥青在长时间的高温储存和运输过程中能保持性能的稳定。


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