[科普中国]-直馏沥青

背景

石油沥青是应用最广泛的沥青材料，其基本生产工艺主要有: 蒸馏法、氧化法、调合法和溶剂脱沥青法。因此石油沥青按照加工方法分类分为蒸馏沥青、氧化沥青、溶剂沥青和调合沥青2。

其中直馏沥青是通过直接蒸馏原油，经过常压和减压工艺，将不同沸点的馏分取出后，在减压塔底获得的油渣，蒸馏法是制取石油沥青最简单、最经济的方法;

半氧化沥青指当直馏法不能直接生产道路沥青时，采用浅度氧化的方法，在比较低的温度下氧化较短的时间得到的沥青2，半氧化生产道路沥青是日本二十世纪七十年代发展起来的技术，半氧化与氧化无原则差别，只是氧化条件缓和，使沥青适当增黏即可3，半氧化工艺是根据原料的性质，采用相对缓和的氧化条件，限制胶质中极性芳烃的降低和大分子胶粒的产生，使TFOT后针入度比和15 ℃延度同时合格4。

直馏法和氧化法都能得到符合规范要求的道路石油沥青，但两种方法生产的石油沥青各有优缺点:直馏沥青的性质与原油的来源有很大关系，一般来说环烷基原油和蜡分含量较低的中间基原油适合生产道路沥青，且该工艺生产70#、90#基质沥青成本低廉，但是生产硬质沥青成本会增加，加工难度增大; 氧化法生产的沥青使其软化点升高，针入度和温度敏感性降低，在一定程度上提高了沥青的高温性能。

现阶段石油沥青的生产一般综合考虑原油特性和沥青产品技术指标要求采用多种加工方法组合生产，蒸馏法和氧化法是生产道路石油沥青最常用的两种方法，但由于成本，加工难度等限制因素，针对高标准的道路石油沥青，在两种方法的选择上存在争议，而且目前对直馏沥青和半氧化沥青及其混合料路用性能指标研究不够明确，因此，有必要对直馏沥青和半氧化沥青进行进一步对比试验研究，并为两种沥青制备方法的优选提供参考。5

与半氧化沥青的对比(1) 半氧化沥青的软化点和延度都略高于直馏沥青，而半氧化沥青老化后的残留针入度比和残留延度均略小于直馏沥青，表明氧化工艺相比较于直馏工艺，能略微改善沥青高温性能，但对沥青的抗老化性和低温性能产生不利影响。

(2) 半氧化沥青混合料抗压强度高于直馏沥青混合料。

(3) 半氧化沥青混合料的高温稳定性，低温抗裂性和低温状态下的水稳定性均在一定程度上优于直馏沥青混合料，半氧化工艺对沥青混合料的耐久性产生有利影响。

(4) 对于道路石油沥青的两种生产方法，半氧化工艺和蒸馏工艺生产的沥青各有优缺点，为了综合两种沥青优点，建议在生产高标准的重交通道路石油沥青时采用半氧化和蒸馏综合生产工艺。5

直馏和氧化工艺制备硬质沥青性能对比随着我国公路建设的发展，沥青路面在道路结构中应用得越来越广泛，对路面质量和沥青材料性能的要求也在不断提高。近年来，针对我国温热地区沥青路面材料性能要求，一些新开发的硬质沥青产品逐步在高等级沥青路面结构中得到推广应用。

硬质沥青即低标号沥青，如50号沥青、30号沥青，其特点是高温抗变形能力优越。硬质沥青在国外道路中的应用已有很多先例，欧洲在这方面完成了大量的研究工作。英国在改良路面基层材料时就用50号沥青取代了100号，芬兰则采用硬质沥青用于上面层。近年来，我国南方地区也已经在沥青路面中下面层采用50号沥青代替传统70号沥青；在交通部西部交通建设科技项目中，对30号沥青也进行了大量应用研究。应用情况表明，采用硬质沥青既能大幅度提高沥青路面的高温抗变性能力，工程造价与常规标号基质沥青差别不大，具有良好的社会经济效益。

硬质沥青在国外已经有很长的应用历史，有些国家已经建立起相应的技术规范。而在我国由于使用量少，尽管交通部规范中有AH一50及AH一30沥青标准，石化部门也研制过相应的生产工艺，只有少数生产企业有过小批量生产，并没有得到广泛应用。

从加工工艺角度来看，硬质沥青的生产主要包括直馏、氧化、调和等工艺。采用调和工艺制备的产品涉及到调和原料差别较大，其产品性能也有较大差异。而直馏和氧化工艺通常都是以原油加工过程中的渣油为原料，产品性能相对稳定。6

直馏工艺直馏工艺是炼油厂内石油沥青最经济、最容易实现的加工手段，由于原油中各组分沸点和蒸汽压均不相同，在常压和减压的环境下采用塔式蒸馏，使原油通过加热、汽化、冷凝、精馏，分离成为汽油、煤油、柴油和蜡油等产品馏分，轻馏分从塔顶和侧线分别抽出，同时原油中所含高沸点(渣油)组分从塔底抽出，当渣油组分的性质符合沥青产品所规定的技术指标时，就得到了沥青。用直馏工艺得到的沥青主要用于道路铺筑。对于一些类型的原油资源，采用该工艺生产70号、90号沥青产品成本相对低廉。但如果生产硬质沥青，其蒸馏工艺条件要求较高，成本也会增加，加工有一定难度。6

氧化工艺直馏工艺生产的沥青产品受生产装置蒸馏温度的限制，往往无法满足高软化点沥青产品的性能要求，这时可以用空气氧化法来生产高软化点沥青。经过空气氧化法生产且满足相应技术指标的沥青称为氧化沥青。氧化工艺的原料通常为减压渣油或溶剂脱沥青得到的脱油沥青，其工艺条件是在一定温度条件下向软化点低、针人度及温度敏感性大的原料中吹人空气，使其组成发生变化，宏观表现为软化点升高，针人度和温度敏感性变小，以达到沥青的规格指标和使用性能要求。由于硬质沥青针人度偏硬，软化点指标较高，采用氧化工艺更容易实现产品的指标要求。6

调和工艺为了减少原料对沥青生产的限制，提高生产灵活性，调和工艺应运而生。调和法生产沥青是指按沥青质量或胶体结构的要求调整构成沥青组分之间的比例，得到能够满足使用要求的产品。使用的原料组分既可以是采用同一种原油由不同加工方法所得的中间产品，也可以是不同原油加工所得的中间产品，甚至包括一些天然沥青原料，因而使生产受油源约束的程度降低，扩大了原料来源。调和的组分一般为两个不同针人度范围的沥青，调和的目标产品其针人度介于两个调和原料沥青针人度之间。采用不同工艺生产的沥青产品，其调和后针人度关系不是简单的加和平均，需要考虑混合组分之间的配伍性。6

按针入度分级分析性能对比我国石油沥青行业标准和交通部沥青路面施工规范都采用针人度分级方法。25℃的针人度给出了接近年平均使用温度下的沥青的稠度。30号沥青其针人度范围为20一40 1/10mm，50号沥青其针人度范围为40一60 1/10mm。而沥青的延度，特别是沥青的低温延度，可以反映沥青的低温抗开裂性能。研究采用薄膜烘箱前后15℃延度表征沥青老化前后低温性能。沥青的高温性能则是通过沥青的软化点表征的，在同样的针人度下，软化点越高，沥青的高温性能就越好。参照沥青粘度分级方法，60℃粘度较高的产品其沥青高温性能也相对较好。

对于两种30号沥青，采用氧化工艺制备的产品其软化点明显高于直馏工艺，说明其高温性能要优于直馏工艺制备的产品。对比60℃粘度可以看出，采用氧化工艺制备的产品其粘度明显提高，这也同样说明了采用氧化工艺制备的产品在高温性能方面有一定的优势。两种工艺产品薄膜烘箱前后巧℃延度差别不大，说明产品低温性能基本相同，老化后性能也基本一致。

对于两种50号沥青产品，采用氧化工艺制备的产品，其软化点和60℃粘度略高于直馏工艺，说明采用氧化工艺制备的产品在高温性能方面有一定的优势。在低温性能方面，采用氧化工艺制备的50号沥青薄膜烘箱后15℃延度较直馏工艺有一定幅度降低，这说明采用氧化工艺对产品低温性能有一定的负面影响，但性能差别不是很明显。

综合来看，采用氧化工艺制备的硬质沥青在高温性能方面有一定的优势，低温性能方面两种工艺制备的产品差别较小。6

直馏和氧化工艺硬质沥青产品性能对比路用性能分级体系(PG分级)的是美国联邦公路局历经5年的研究所进行的美国战略公路计划(简称SHRP)中有关沥青分级体系的研究成果。在PG分级体系中，用路面最高设计温度下的动态剪切模量表征沥青的高温性能，用最低路面设计温度下的劲度和劲度随变形的变化速率表征沥青的低温性能。

SHRP通过研究认为，采用弯曲蠕变试验(BBR)评价沥青结合料的低温抗裂性能，要求沥青样品在试验温度下弯曲劲度模量不超过300MPa ;蠕变曲线斜率(m)不小于0. 3。采用动态剪切流变仪(DSR)对沥青进行动态剪切试验，以‘" /sins作为评价沥青结合料高温稳定性的指标，原样沥青的G" /sins不得小于1. 0 kPa；RTFOT残留沥青不得小于2. 2 kPa 。

采用两种工艺制备的30号、50号沥青。从沥青的PG分级结果可以看出，采用氧化工艺制备的30号、50号沥青，其高温性能较直馏沥青可以提高一个等级，而在低温性能方面，两种工艺制备的产品具备相同的等级。6

两种工艺30号沥青产品粘温性能对比采用氧化和直馏工艺制备的30号沥青，其60℃粘度差别较大，对两种产品的粘度与温度关系进行测定。在60℃时采用氧化工艺制备的30号沥青产品，其粘度大约是采用直馏工艺制备产品粘度的5倍，当温度升高至8090时，采用氧化工艺制备产品的粘度迅速降低，在温度高于100℃以上，两种产品的粘度趋于相同。

虽然60℃粘度分析指标两种产品有较大差别，但参照目前我国沥青路面施工规范要求，两种产品在拌合温度和摊铺温度方面基本一致。这说明采用两种工艺制备的硬质沥青，在施工性能方面没有明显差别。6

评价针入度分级、粘度分级和PG分级，三种沥青评价体系的发展变化起因于原有评价体系的局限性和后期分析技术的进步。不同分级方法都从不同的侧面反映了沥青的使用性能，在不同方面对沥青的使用性能进行约束。从研究试验结果可以看出，对两种工艺制备的硬质沥青产品，采用不同分级评价方法，试验结果基本一致。

通过研究对两种工艺30号、50号沥青产品的性能对比分析，可以看出采用氧化工艺生产的硬质沥青其性能较直馏工艺有一定的优势。采用氧化工艺对硬质沥青高温性能有一定程度改善，而对低温性能方面没有明显的影响。而且，两种工艺制备的硬质沥青其施工性能也没有明显差别。6