羅望群，黃婉利，董宏偉，李海燕

(1.中國石化煉油銷售有限公司，上海 200050;2.中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

CA砂漿用基質(zhì)瀝青制備技術(shù)研究

羅望群1，黃婉利1，董宏偉2，李海燕2

(1.中國石化煉油銷售有限公司，上海 200050;2.中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

基質(zhì)瀝青是CA砂漿用乳化瀝青的關(guān)鍵原材料。通過對原油選擇、瀝青制備工藝的研究，結(jié)合乳化瀝青和CA砂漿的制備、性能檢測及灌注揭板試驗(yàn)，最終開發(fā)出了高速鐵路專用基質(zhì)瀝青，并制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。對原材料、生產(chǎn)過程、檢驗(yàn)分析、出廠運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保了基質(zhì)瀝青的質(zhì)量。2008年以來，累計(jì)生產(chǎn)了約20萬t性能優(yōu)良、質(zhì)量穩(wěn)定的基質(zhì)瀝青，并將之廣泛應(yīng)用于高速鐵路CA砂漿工程。

基質(zhì)瀝青 石油瀝青 乳化瀝青 水泥乳化瀝青砂漿 板式無砟軌道

CRTSⅠ型和CRTSⅡ型板式無砟軌道是我國高速鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)形式，水泥乳化瀝青砂漿層(Cement Asphalt Mortar，簡稱CA砂漿)處于預(yù)制混凝土軌道板與底座(或支撐層)之間，主要起到支撐、調(diào)整、緩沖協(xié)調(diào)等作用，是軌道結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵功能材料之一［1-3］。水泥乳化瀝青砂漿由乳化瀝青、干料、消泡劑、水等原材料組成?，F(xiàn)場施工時(shí)，按一定的工藝將原材料拌合在一起，檢測合格后，灌注到精確調(diào)整了高度的軌道板下3～5 cm厚的空間中，固化后形成兼具強(qiáng)度和彈性的連續(xù)墊層。

CA砂漿的核心組分是乳化瀝青，基質(zhì)瀝青是乳化瀝青的主要組分，其性能在很大程度上決定乳化瀝青的性能。因此，基質(zhì)瀝青的研發(fā)是CA砂漿制備技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

石油瀝青是實(shí)際應(yīng)用中非常重要的基質(zhì)瀝青品種之一，是原油加工過程的一種產(chǎn)品，在常溫下是黑色或黑褐色的粘稠液體、半固體或固體，其性質(zhì)和組成隨原油來源和生產(chǎn)方法的不同而變化。因此，原油的選擇、加工工藝研究以及質(zhì)量控制就成為基質(zhì)瀝青生產(chǎn)技術(shù)的核心。本文結(jié)合CA砂漿的性能對其進(jìn)行有針對性的研究。

1 原油選擇

石油瀝青的性能主要取決于生產(chǎn)瀝青所用的原油，不是任何原油都可以生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)的瀝青。原油主要是由多種相對分子質(zhì)量不同和沸點(diǎn)不同的烴類化合物及非烴類化合物組成的混合物。原油的分類方法很多，我國現(xiàn)采用關(guān)鍵餾分特性分類法和硫含量分類法相結(jié)合的分類方法。關(guān)鍵餾分特性分類法是依據(jù)原油中特定的輕、重兩個(gè)餾分的比重指數(shù)API度，將原油分為石蠟基、石蠟—中間基、中間—石蠟基、中間基、中間—環(huán)烷基、環(huán)烷—中間基、環(huán)烷基、石蠟—環(huán)烷基、環(huán)烷—石蠟基9類;按照硫含量分類法，原油可分為低硫、含硫和高硫。生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)瀝青的關(guān)鍵在于選擇合適的原油。石油瀝青的組成和性質(zhì)差異，歸根到底是因?yàn)樵偷慕M成和性質(zhì)差異，確定瀝青品質(zhì)的內(nèi)在因素是其組成和結(jié)構(gòu)［4-5］。研究表明:瀝青是復(fù)雜的混合物，它可以再分成4類具有相同結(jié)構(gòu)的分子團(tuán):飽和烴類、芳香烴類、膠質(zhì)類、瀝青質(zhì)類;優(yōu)質(zhì)的瀝青是以相對分子質(zhì)量很大的瀝青質(zhì)為中心，膠質(zhì)浸潤環(huán)繞在瀝青質(zhì)周圍形成膠團(tuán)，芳香分和飽和分(統(tǒng)稱油分)構(gòu)成連續(xù)相，使膠質(zhì)—瀝青質(zhì)構(gòu)成的膠團(tuán)能穩(wěn)定地分散其中［6］，如圖1所示。

圖1 瀝青各組分示意

在宏觀性能方面，優(yōu)質(zhì)瀝青應(yīng)具有較好的流動(dòng)性、熱穩(wěn)定性、持久的粘附性、彈塑性、抗水性等。一般而

言，環(huán)烷基原油和蠟含量較低的中間基原油或稠油是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)瀝青的合適原料。因而，在世界各地生產(chǎn)的近1 500種原油中，只有少量油種適合生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)瀝青，這些原油的產(chǎn)地主要集中在美國、中東、加勒比海周圍諸國和俄羅斯。大多數(shù)國家主要選用中東和南美的原油生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)瀝青。而中國自產(chǎn)的原油大半是石蠟基原油，不適合生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)瀝青。自20世紀(jì)80年代起，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)并開發(fā)出一些稠油資源，如遼河油田歡喜嶺稠油、新疆克拉瑪依稠油、勝利油田單家寺稠油、塔河稠油和渤海綏中36-1稠油，可以用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)瀝青。除了自產(chǎn)原油外，我國每年還進(jìn)口超過1億 t原油進(jìn)行加工和瀝青的生產(chǎn)。

作為高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的墊層材料，CA砂漿對于其主要原材料——乳化瀝青以及用于乳化瀝青制備的基質(zhì)瀝青提出了更高的要求，不僅應(yīng)具備優(yōu)質(zhì)瀝青的性能，而且要求瀝青的組成適宜于乳化并能保持性能穩(wěn)定。

在數(shù)十種國內(nèi)原油和國外原油中，從其制備的瀝青的常規(guī)性能、乳化性能和砂漿拌合性能三方面綜合評價(jià)，確定了生產(chǎn)高鐵專用基質(zhì)瀝青的三種原油，均為進(jìn)口高硫中間基中東原油，經(jīng)評價(jià)其飽和烴類、芳香烴類、膠質(zhì)類、瀝青質(zhì)類組分配伍性合理，不僅使瀝青形成穩(wěn)定的膠體體系，而且保證了瀝青優(yōu)良的高溫和低溫性能。各項(xiàng)性能指標(biāo)見表1。

表1 生產(chǎn)專用基質(zhì)瀝青原油主要性能指標(biāo)

2 專用基質(zhì)瀝青生產(chǎn)技術(shù)研究

石油瀝青的生產(chǎn)技術(shù)包括生產(chǎn)方法、工藝流程和工藝參數(shù)等內(nèi)容，這些內(nèi)容的選擇和確定直接影響瀝青的最終質(zhì)量。在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究確定了專用基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)。

2.1 生產(chǎn)方法的確定

石油瀝青生產(chǎn)方法主要有蒸餾法、溶劑脫油法、氧化法、調(diào)和法及這4種方法之間的組合。蒸餾法是利用原油中各組分的沸點(diǎn)不同來實(shí)現(xiàn)分離得到瀝青的方法。溶劑脫油法是利用溶劑對渣油中各組分的不同溶解能力，從中分離出一部分高沸點(diǎn)的含油組分，剩下的部分便是所需的瀝青或進(jìn)一步加工制備瀝青。氧化法是將減壓渣油或溶劑脫油瀝青在一定溫度下吹入空氣，原料中各組分與氧分子發(fā)生反應(yīng)，從而使瀝青的膠體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成及性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)行瀝青制備的方法。調(diào)和法是按瀝青質(zhì)量或膠體結(jié)構(gòu)的要求，調(diào)整瀝青四個(gè)化學(xué)組分之間的比例，得到滿足使用要求的產(chǎn)品。

蒸餾法由于具有加工流程簡捷、產(chǎn)品質(zhì)量可控性好、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品貯存穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，最終被確定為高鐵專用基質(zhì)瀝青的生產(chǎn)方法。

2.2 專用基質(zhì)瀝青的生產(chǎn)工藝

蒸餾法的基本原理是:在煉油廠內(nèi)采用塔式蒸餾法將原油各餾分經(jīng)汽化、冷凝，而使之按沸點(diǎn)范圍分為汽油、煤油、柴油和蠟油等輕質(zhì)產(chǎn)品餾分從分餾塔頂部和側(cè)線分別抽出，與此同時(shí)，原油中所含高沸點(diǎn)組分經(jīng)濃縮而成石油瀝青。

高鐵專用基質(zhì)瀝青的生產(chǎn)是在煉油廠常減壓裝置(見圖2)上進(jìn)行的。原油先通過電脫鹽裝置進(jìn)行脫鹽脫水處理，脫出原油中的泥沙、鐵銹等固體雜質(zhì)及原油中的水分和無機(jī)鹽，經(jīng)預(yù)處理的原油一般含水＜0.5%，含鹽 ＜50 mg/L。然后原油進(jìn)入由管式加熱爐和精餾塔組成的常壓蒸餾裝置。原油在加熱爐中獲得精餾所需要的熱量，進(jìn)入精餾塔后發(fā)生一次汽化，輕組分從側(cè)線引出，塔底為常壓渣油。常壓渣油仍含有較多的輕組分，不符合瀝青的質(zhì)量指標(biāo)要求，必須進(jìn)一步除去輕組分。原油在常壓蒸餾過程中，當(dāng)加熱到一定溫度以上時(shí)，會(huì)引起油品分解，質(zhì)量變壞，收率下降。因此對高沸點(diǎn)油品進(jìn)行蒸餾時(shí)，必須減壓。當(dāng)常壓渣油經(jīng)減壓加熱爐加熱到適當(dāng)?shù)臏囟群?，進(jìn)入減壓塔，在一定的真空度下進(jìn)一步汽化，從側(cè)線得到減壓蠟油、燃料油，塔底即為瀝青產(chǎn)品。

圖2 常減壓蒸餾生產(chǎn)裝置

2.3 生產(chǎn)基質(zhì)瀝青的主要工藝參數(shù)

經(jīng)反復(fù)對比試驗(yàn)，確定了生產(chǎn)高鐵專用基質(zhì)瀝青的主要工藝參數(shù)，見表2。

表2 生產(chǎn)高鐵專用基質(zhì)瀝青的主要工藝參數(shù)

2.4 專用基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)

以上述原油和工藝制備的基質(zhì)瀝青為原料，進(jìn)行乳化瀝青和CA砂漿的制備，經(jīng)性能檢測，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)定的要求。以本技術(shù)生產(chǎn)的基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)為基礎(chǔ)，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)瀝青質(zhì)量規(guī)范，制訂了高鐵專用基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)，納入相關(guān)的CA砂漿暫行技術(shù)條件［7-8］中，并特別強(qiáng)調(diào)用于生產(chǎn)瀝青的原油宜固定。高鐵專用基質(zhì)瀝青的主要性能指標(biāo)見表3。

表3 高鐵專用基質(zhì)瀝青主要性能指標(biāo)

3 專用基質(zhì)瀝青的生產(chǎn)

中國石化下屬多家分公司均為中東原油加工基地，為保證高鐵專用基質(zhì)瀝青的質(zhì)量和生產(chǎn)布局，確定由鎮(zhèn)海煉化公司、齊魯石化分公司、金陵石化分公司、廣州石化分公司進(jìn)行生產(chǎn);采用原油專輸、專儲、專煉，瀝青專貯的四專流程，確保原料穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定;在生產(chǎn)過程、檢驗(yàn)分析、出廠運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保瀝青的質(zhì)量和現(xiàn)場供應(yīng)。

2008年以來，為武漢試驗(yàn)段、石太客專、滬寧、京滬、哈大、滬杭、寧杭、津秦、合蚌、京石武、成綿樂、寧安等高速鐵路的建設(shè)，累計(jì)生產(chǎn)了約20萬t性能優(yōu)良、質(zhì)量穩(wěn)定的基質(zhì)瀝青，滿足了 CA砂漿工程應(yīng)用的需要。

4 結(jié)論

1)選擇特定的原油，采用蒸餾法生產(chǎn)工藝，研發(fā)出性能優(yōu)良的高鐵專用基質(zhì)瀝青。

2)采用原油專輸、專儲、專煉，瀝青專貯的四專流程，在生產(chǎn)過程、檢驗(yàn)分析、出廠運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保瀝青的質(zhì)量和現(xiàn)場供應(yīng)。

3)以本技術(shù)生產(chǎn)的基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)為基礎(chǔ)，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)瀝青質(zhì)量規(guī)范，制訂了高鐵專用基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)，已成為高鐵CA砂漿暫行技術(shù)條件的重要組成部分。

［1］COENRAAD E.Recent Development in Slab Track［J］.European Railway Review，2003，9(2):81-85.

［2］MURATA O.Overview of Recent Structure Technology R＆D at RTRI［J］.Quarterly Report of RTRI，2003，44(4):133-135.

［3］KATSUOSHI A.Development of Slab Tracks for Hokuriku Shinkansen Line［J］.Quarterly Report of RTRI，2001，42(1): 35-41.

［4］戴躍玲，劉道勝，楊鵬，等.道路瀝青老化后組成與使用性能關(guān)系的研究［J］.撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，22(2):9-12.

［5］魏榮梅，余劍英，吳少鵬，等.紫外光老化對瀝青化學(xué)族組成和物理性能的影響［J］.石油瀝青，2006，20(1):6-10.

［6］YEN T F.The Colloidal Aspect of a Macrostructure of Petroleum Asphalt［J］.Fuel Science and Technology International，1992，10(4-6):723-733.

［7］鐵道部科學(xué)技術(shù)司.科技基［2008］74號 客運(yùn)專線鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［8］鐵道部科學(xué)技術(shù)司.科技基［2008］74號 客運(yùn)專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

(責(zé)任審編 葛全紅)

U214.7+5

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.35

2015-06-10;

:2015-07-20

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2007G044-K-1)

羅望群(1968— )，男，浙江寧波人，高級工程師。

1003-1995(2015)09-0125-03