CN114509524B - 一种确定沥青蜡析出温度与析蜡量之间析出曲线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定沥青蜡析出温度与析蜡量之间析出曲线的方法，先通过基于气相色谱试验确定沥青的有效成分分布状态，所述有效成分具体为正构烷烃、异构烷烃和芳香分；然后将所述沥青作为固液两相系统，并基于固液平衡确定出求解固相摩尔含量的方程及其导数；然后基于所述求解固相摩尔含量的方程及其导数确定出析蜡量；然后基于不同温度和其对应的析蜡量建立析出曲线。

Description

一种确定沥青蜡析出温度与析蜡量之间析出曲线的方法
技术领域
本发明属于沥青技术领域，具体涉及一种确定沥青蜡析出温度与析蜡量之间析出曲线的方法。
背景技术
沥青中蜡含量是影响起路用性能的重要因素，一方面，沥青中蜡的存在会降低沥青胶结料与集料之间的粘附性，从而导致沥青路面容易产生水损害，另一方面，沥青中的蜡在低温下的持续析出会导致沥青劲度的提高，从而使沥青路面容易产生低温开裂现象，为了避免蜡引起的沥青路面病害，现有相关规范规定了高等级沥青路面蜡含量不超过3％的要求。
传统沥青混合料拌合及摊铺过程中，由于沥青的粘度较高，需要将混合料加热到较高的温度，而较高的温度会导致温室气体的大量排放与沥青的氧化老化，因此温拌剂得到较为广泛的应用，但蜡基温拌剂成本较低，受到了越来越多业主与承包商的青睐。但是添加的温拌剂在低温下的析出会导致沥青路面耐久性的降低，人们关注蜡基添加剂功能性的同时，并未较多地关注其对路面耐久性的影响。
发明内容
本发明提出了一种确定沥青蜡析出温度与析蜡量之间析出曲线的方法，成功实现为准确分析与预测沥青中蜡随温度的变化提供了一种重要的分析手段，为进一步研发沥青中蜡析出抑制剂、降低蜡含量和蜡析出温度提供了理论基础。
本发明的技术方案为：一种确定沥青蜡析出温度与析蜡量之间析出曲线的方法，包括以下步骤：
S1、基于气相色谱试验确定沥青的有效成分分布状态，所述有效成分具体为正构烷烃、异构烷烃和芳香分；
S2、将所述沥青作为固液两相系统，并基于固液平衡确定出固相摩尔含量及其导数；
S3、基于所述固相摩尔含量及其导数确定出析蜡量；
S4、基于不同温度和其对应的析蜡量建立析出曲线。
进一步地，所述固液平衡具体包括相平衡、质量平衡和归一化。
进一步地，所述相平衡具体通过如下公式表示：
fi s＝fi l
式中，fi s表示组分i在固相中的逸度，fi l表示组分i在液相中的逸度。
进一步地，所述质量平衡和归一化具体通过如下公式表示：
L+S＝1
Figure BDA0003492065880000021
/>
Figure BDA0003492065880000022
式中，S、L分别为平衡时固相、液相中的摩尔的量，Zi为组分i的摩尔含量，
Figure BDA0003492065880000023
分别是组分i在固相、液相中的物质的量组分。
进一步地，具体通过如下公式确定出固相摩尔含量：
Figure BDA0003492065880000024
式中，F(S)为固相摩尔含量，
Figure BDA0003492065880000025
为固液平衡常数，S为公式的零点，也即平衡时固相的摩尔含量，Zi为组分i的摩尔含量，/>
Figure BDA0003492065880000026
分别是组分i在固相、液相中的物质的量组分。
进一步地，所述步骤S3具体包括以下分步骤：
S31、确定固相摩尔含量F(S)和固液平衡常数
Figure BDA0003492065880000027
的初值；
S32、根据所述固相摩尔含量F(S)和固液平衡常数
Figure BDA0003492065880000028
的初值建立牛顿迭代式，计算下一次迭代的相关参数，直到|F(S)|≤1×10-5时停止迭代，且此时的零点的值为固相的摩尔分数；
S33、基于所述固相的摩尔分数确定当前温度下的析腊量。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
本发明先通过基于气相色谱试验确定沥青的有效成分分布状态，所述有效成分具体为正构烷烃、异构烷烃和芳香分；然后将所述沥青作为固液两相系统，并基于固液平衡确定出求解固相摩尔含量的方程及其导数；然后基于所述求解固相摩尔含量的方程及其导数确定出析蜡量；然后基于不同温度和其对应的析蜡量建立析出曲线，本发明提出了一种沥青中蜡析出温度与析出曲线的理论模型及其数值实现方法，本发明的成功实现为准确分析与预测沥青中蜡随温度的变化提供了一种重要的分析手段。为进一步研发沥青中蜡析出抑制剂、降低蜡含量和蜡析出温度提供了理论基础。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种确定沥青蜡析出温度与析蜡量之间析出曲线的方法的流程示意图；
图2所示为本发明实施例中析出曲线的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请提出了一种确定沥青蜡析出温度与析蜡量之间析出曲线的方法，如图1所示为本申请实施例提出的一种确定沥青蜡析出温度与析蜡量之间析出曲线的方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：
步骤S1、基于气相色谱试验确定沥青的有效成分分布状态，所述有效成分具体为正构烷烃、异构烷烃和芳香分。
具体的，以某沥青A为例，该沥青A的相关信息如下表1：
表1
样品名称 原油来源 PG分级 蜡含量
A Redwater 58-16 5.06
通过气相色谱试验确定沥青的有效成分分布状态，有效成分具体为正构烷烃P、异构烷烃N和芳香分A，其分布状态如下表2所示：
表2
Figure BDA0003492065880000031
/>
Figure BDA0003492065880000041
将PNA分布按照溶解温度Ti进行从小到大排序，将所有的PNA划分成90个虚组分，并根据不同组分建立热力学等式，如下表3所示：
表3
Figure BDA0003492065880000042
/>
Figure BDA0003492065880000051
/>
Figure BDA0003492065880000061
/>
Figure BDA0003492065880000071
/>
Figure BDA0003492065880000081
步骤S2、将所述沥青作为固液两相系统，并基于固液平衡确定出固相摩尔含量及其导数。
在本申请实施例中，所述固液平衡具体包括相平衡、质量平衡和归一化。
在本申请实施例中，所述相平衡具体通过如下公式表示：
fi s＝fi l
式中，fi s表示组分i在固相中的逸度，fi l表示组分i在液相中的逸度。
其中
Figure BDA0003492065880000082
分别是组分i在固相、液相中的活度系数，/>
Figure BDA0003492065880000083
分别是组分i在固相、液相中的物质的量组分，/>
Figure BDA0003492065880000084
分别是纯固体和纯液体的逸度，他们之间有如下关系：
Figure BDA0003492065880000085
式中，ΔHi为组分i的熔化焓，Ti为组分i的熔点，ΔCi为组分i的固液相热容差，R为普适气体常数，T为实际温度，这个等式省略了外界压强的那一部分，在沥青的运用环境下这个影响可以忽略不计。
活度系数
Figure BDA0003492065880000086
采用以下公式进行计算。
Figure BDA0003492065880000087
Figure BDA0003492065880000091
/>
其中，
Figure BDA0003492065880000092
Figure BDA0003492065880000093
Figure BDA0003492065880000094
Figure BDA0003492065880000095
式中，
Figure BDA0003492065880000096
表示组分i的固、液相溶解度参数，/>
Figure BDA0003492065880000097
表示固、液相混合物的平均溶解度参数，/>
Figure BDA0003492065880000098
表示组分i在固、液相的体积分数，/>
Figure BDA0003492065880000099
表示组分i的固、液相摩尔体积。
在本申请实施例中，所述质量平衡和归一化具体通过如下公式表示：
L+S＝1
Figure BDA00034920658800000910
Figure BDA00034920658800000911
式中，S、L分别为平衡时固相、液相中的摩尔的量，Zi为组分i的摩尔含量，
Figure BDA00034920658800000912
分别是组分i在固相、液相中的物质的量组分。
固液平衡常数的定义为，
Figure BDA00034920658800000913
所以以上等式可以变形为，
Figure BDA00034920658800000914
在本申请实施例中，具体通过如下公式确定出固相摩尔含量：
Figure BDA00034920658800000915
式中，F(S)为固相摩尔含量，
Figure BDA00034920658800000916
为固液平衡常数，S为公式的零点，也即平衡时固相的摩尔含量，Zi为组分i的摩尔含量，/>
Figure BDA00034920658800000917
分别是组分i在固相、液相中的物质的量组分。
步骤S3、基于所述固相摩尔含量及其导数确定出析蜡量。
在本申请实施例中，所述步骤S3具体包括以下分步骤：
S31、确定固相摩尔含量F(S)和固液平衡常数
Figure BDA00034920658800000918
的初值；
S32、根据所述固相摩尔含量F(S)和固液平衡常数
Figure BDA00034920658800000919
的初值建立牛顿迭代式，计算下一次迭代的相关参数，直到|F(S)|≤1×10-5时停止迭代，且此时的零点的值为固相的摩尔分数；
S33、基于所述固相的摩尔分数确定当前温度下的析腊量。
具体的，步骤一，确定S和KiSL的初值。S初值取为0.5，KiSL由上述可得到其计算公式如下。
Figure BDA0003492065880000101
在取初值时，假设
Figure BDA0003492065880000102
即KiSL的初值为：
Figure BDA0003492065880000103
步骤二：确定迭代公式，对F(S)求导可得：
Figure BDA0003492065880000104
根据牛顿迭代公式，则有
Figure BDA0003492065880000105
其中Si+1为第i+1次迭代的S值，按照此迭代法，重新计算S值。
步骤三：根据重新得到的S值，根据下式计算
Figure BDA0003492065880000106
Figure BDA0003492065880000107
Figure BDA0003492065880000108
步骤四：由
Figure BDA0003492065880000109
计算/>
Figure BDA00034920658800001010
并由/>
Figure BDA00034920658800001011
更新KiSL、F(S)和F′(S)的值。
步骤五：检查是否|F(S)|≤1×10-5，若满足条件，则此时的S值即为所求固相的摩尔分数，若不满足条件，则重复步骤(二)(三)(四)直至满足条件。
步骤S4、基于不同温度和其对应的析蜡量建立析出曲线。
基于上述具体应用场景，F(S)和其导数F′(S)的迭代结果如下表4：
表4
Figure BDA00034920658800001012
/>
Figure BDA0003492065880000111
字母E表示10的次方，如-2.3E-17表示-2.3×10-17。在该温度下固相的摩尔含量为0.71348，即在该温度下固相的摩尔含量为0.71348，再将该结果乘以正构烷烃组分占固相百分数的总和0.043547，即可得到蜡析出的量为0.03107。通过改变温度值，即可求得该沥青在任意温度下的蜡析出量，最终的蜡析出曲线如图2所示，由计算可知，沥青A的蜡析出温度为80℃。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种确定沥青蜡析出温度与析蜡量之间析出曲线的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、基于气相色谱试验确定沥青的有效成分分布状态，所述有效成分具体为正构烷烃、异构烷烃和芳香分；
S2、将所述沥青作为固液两相系统，并基于固液平衡确定出固相摩尔含量及其导数；
S3、基于所述固相摩尔含量及其导数确定出析蜡量；
所述步骤S3具体包括以下分步骤：
S31、确定固相摩尔含量F(S)和固液平衡常数
Figure QLYQS_1
的初值；
S32、根据所述固相摩尔含量F(S)和固液平衡常数
Figure QLYQS_2
的初值建立牛顿迭代式，计算下一次迭代的相关参数，直到|F(S)|≤1×10-5时停止迭代，且此时的零点的值为固相的摩尔分数；
S33、基于所述固相的摩尔分数确定当前温度下的析腊量；
具体的，步骤一，确定S和
Figure QLYQS_3
的初值；S初值取为0.5，/>
Figure QLYQS_4
由上述可得到其计算公式如下：
Figure QLYQS_5
在取初值时，假设
Figure QLYQS_6
即/>
Figure QLYQS_7
的初值为：
Figure QLYQS_8
步骤二：确定迭代公式，对F(S)求导可得：
Figure QLYQS_9
根据牛顿迭代公式，则有
Figure QLYQS_10
其中Si+1为第i+1次迭代的S值，按照此迭代法，重新计算S值；
步骤三：根据重新得到的S值，根据下式计算
Figure QLYQS_11
；
Figure QLYQS_13
Figure QLYQS_15
步骤四：由
Figure QLYQS_16
计算/>
Figure QLYQS_17
并由/>
Figure QLYQS_18
更新/>
Figure QLYQS_19
、F(S)和F′(S)的值；
步骤五：检查是否|F(S)|≤1×10-5，若满足条件，则此时的S值即为所求固相的摩尔分数，若不满足条件，则重复步骤二、步骤三、步骤四直至满足条件；
S4、基于不同温度和其对应的析蜡量建立析出曲线。
2.如权利要求1所述的确定沥青蜡析出温度与析蜡量之间析出曲线的方法，其特征在于，所述固液平衡具体包括相平衡、质量平衡和归一化。
3.如权利要求2所述的确定沥青蜡析出温度与析蜡量之间析出曲线的方法，其特征在于，所述相平衡具体通过如下公式表示：
Figure QLYQS_20
式中，
Figure QLYQS_21
表示组分i在固相中的逸度，/>
Figure QLYQS_22
表示组分i在液相中的逸度。
4.如权利要求2所述的确定沥青蜡析出温度与析蜡量之间析出曲线的方法，其特征在于，所述质量平衡和归一化具体通过如下公式表示：
L+S＝1
Figure QLYQS_23
Figure QLYQS_24
式中，S、L分别为平衡时固相、液相中的摩尔的量，Zi为组分i的摩尔含量，
Figure QLYQS_25
分别是组分i在固相、液相中的物质的量组分。
5.如权利要求1所述的确定沥青蜡析出温度与析蜡量之间析出曲线的方法，其特征在于，具体通过如下公式确定出固相摩尔含量：
Figure QLYQS_26
式中，F(S)为固相摩尔含量，
Figure QLYQS_27
为固液平衡常数，S为公式的零点，也即平衡时固相的摩尔含量，Zi为组分i的摩尔含量，/>
Figure QLYQS_28
分别是组分i在固相、液相中的物质的量组分。/>
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