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研究生: 黃仕斌
Huang, Shih-Bin
論文名稱: 原油來源對瀝青特性之影響
Effect of Crude Oil Sources on Characteristics of Bitumen
指導教授: 陳建旭
Chen, Jian-Shiuh
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 152
中文關鍵詞: 減壓渣油重減壓油廣分布指數瀝青精指數膠體不穩定指數老化指數
外文關鍵詞: Vacuum residue, Heavy vacuum gas oil, Polydispersity Index, Asphaltene index, Colloidal instability Index, Aging Index
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  • 不同原油提煉之瀝青於鋪面績效之影響扮演著重要的角色,黏結料則須加以分析,使瀝青應具有合適的功能性,提供道路耐久性以及行車舒適度。本研究主要是針對不同原油來源煉製而成之減壓油渣(VR)進行取樣試驗,並添加重減壓油(HVGO)、吹製瀝青之樣本,分別進行物性與化性試驗。物性方面透過瀝青膠泥基本物性試驗以及動態剪切流變儀(DSR)取得各項質流參數;化性方面則利用傅立葉轉換紅外線光譜儀(FT-IR)、薄層液相層析法之火焰離子檢視器(TLC-FID)以及高效能凝膠滲透層析儀(HP-GPC)分別探討瀝青材料官能基、化學成分以及分子大小分佈,接續進行實驗室模擬短期老化試驗,再將老化瀝青膠黏結劑依照新鮮瀝青黏結劑物性與化性試驗作業。最後,綜合上述試驗結果,分析物理性質與化學特性之間的相關性。
    瀝青黏結劑主要以飽和族(saturate)、芳香族(aromatic)、膠質(resin)以及瀝青精(asphaltene)所組成,組分組成比例影響VR物理特性,於初期老化時輕質組分中芳香族產生化學變化轉變成膠質,再由膠質轉變為瀝青精,且於老化過程中主要增加的官能基為酮(ketones)與亞碸(sulfoxide),這些官能基係因化學成分的降解以及氧化作用而生成,酮與亞碸的增加意味著膠體結構中極性分子(瀝青精、膠質)增多,使分子間凝聚力增加而影響瀝青黏結料的質流性質,以致材料趨向脆性行為。最後本研究以物理特性為依據進行摻配,當摻配成品擁有相同的黏滯度或針入度時,軟瀝青摻配吹製瀝青者於瀝青精指數指數(IA)以及廣分布指數(PDI)值皆高於硬瀝青摻配重減壓油者,則膠體不穩定指數(IC)大致相同,但經短期老化之老化指數為硬瀝青摻配重減壓油者較高,是因為膠體之化學轉變較顯著,導致物理特性變異較大。

    Asphalt from different crude oil plays an important role on pavement performance, in order to make asphalt have suitable functionality, provide road durability and driving comfort by analyzing asphalt.
    In this study, sampling different crude oil refining vacuum residues (VR) for test, and adding heavy vacuum gas oil (HVGO), blown asphalt, were subjected to physically and chemically characteristic test respectively. Physical part of asphalt by basic physical test, and dynamic shear rheometer (DSR) to obtain the mass flow parameters; Chemical properties by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), Thin-layer Chromatography Flame lionization Detector (TLC-FID) and High performance gel permeation chromatography (HP-GPC), discussed asphalt functional groups, chemical composition and molecular size distribution respectively. Succeeding term aging tests in laboratory simulations, then follow fresh asphalt physical properties and chemical testing operations. Finally, combining the above test results, analysis the correlation between physical and chemical properties
    Asphalt is mainly composed of saturate, aromatic, resin and asphaltene. the composition ratio of VR affected physical properties. In the early aging of aromatic transferred to resin by chemical change, and then resin changes into the asphaltene, and the functional group of ketones and sulfoxide have major increase in the aging process , ketone and sulfoxide increase means that the colloidal structure of polar molecules (asphaltene, resin) increased.
    Finally, the study base on physical characteristics for mixing, when mixing sample with the same viscosity or penetration, the Asphaltene Index (IA), and Polydispersity Index (PDI) values of Soft asphalt blending air blown asphalt were higher than the hard asphalt blending heavy vacuum gas oil. In the other hand, Colloidal instability Index (IC) are almost the same. However, the Aging Index (AI) of short-term aging is higher than the hard asphalt blending heavy vacuum gas oil. Because the chemical characteristic of colloid changes significantly, physical properties varied greatly.

    目錄 摘要…………………………………………………………………………Ⅰ ABSTRACT………………………………………………………..….Ⅲ 致謝……………………………………………………………………..Ⅴ 目錄……………………………………………………………………..Ⅵ 表目錄 …………………………………………………………………Ⅸ 圖目錄 ………………………………………………………………….ⅩⅠ 第一章 緒論 1.1前言………………………………………………………..1-1 1.2研究動機…………………………………………………..1-2 1.3研究目的…………………………………………………..1-2 1.4研究範圍…………………………………………………..1-3 第二章 文獻回顧 2.1瀝青黏結料歷史及發展…………………………………..2-1 2.2原油差異………………………………………………..…2-2 2.3瀝青的產製………………………………………………..2-4 2.3.1 蒸餾程序………………………………………….2-5 2.3.2瀝青摻配調合…………………………………….2-11 2.4瀝青黏結料組成與特性…………………………………2-13 2.5瀝青組成分離……………………………………………2-19 2.6瀝青組分與鋪面績效之關係……………………………2-26 2.7瀝青老化行為……………………………………………2-30 2.8瀝青溫度敏感性…………………………………………2-34 第三章 研究計畫 3.1研究方法…………………………………………………..3-1 3.2試驗方法與試驗…………………………………………..3-3 3.2.1針入度試驗………………………………………..3-3 3.2.2延展性試驗………………………………………..3-4 3.2.3黏滯度試驗………………………………………..3-5 3.2.4軟化點試驗………………………………………..3-6 3.2.5滾動薄膜烘箱試驗………………………………..3-8 3.2.6動態剪切/流變試驗...……………………………..3-9 3.2.7薄層液相層析法之火焰離子檢視器……………3-10 3.2.8傅立葉轉換紅外線光譜儀………………………3-15 3.2.9高效能凝膠滲透層析儀…………………………3-19 3.3試驗材料………………………………………………...3-24 3.4試驗規範………………………………………………...3-26 第四章 試驗結果與討論 4.1減壓渣油(VR)與針入度等級規範值比較………………..4-1 4.2減壓渣油溫度敏感性……………………………………..4-2 4.3針入度指數………………………………………………..4-4 4.4減壓渣油軟化點與延展性………………………………..4-9 4.5滾動薄膜烘箱試驗…………………………………… .4-12 4.6動剪/流變試驗…………………………………..………4-15 4.7化學特性分析……………………………………………4-19 4.7.1薄層液相層析法之火焰離子檢視器……………4-19 4.7.2傅立葉轉換紅外線光譜儀………………………4-32 4.7.3高效能凝膠滲透層析儀…………………………4-35 4.8摻配模式建立……………………………………………4-40 4.8.1軟瀝青與吹製瀝青摻配調和……………………4-41 4.8.2硬瀝青與重減壓油摻配調和……………………4-46 4.8.3不同摻配模式比較………………………………4-51 4.9篩選合適用於鋪面工程之瀝青黏結料………………..4-56 第五章 結論…………………………………………………………….....5-1 參考文獻………………………………………………..……………參-1 表目錄 表2.2.1 決定原油類型以及來源……………………………………..….2-4 表2.3.1原油所含碳氫化合物…………………………………………….2-8 表2.3.2原油分餾所得各成份及分餾溫度範圍…………………………2-9 表2.3.3 調合溫度對產品質量的影響………………………………….2-13 表2.3.4 調合時間對產品質量的影響………………………………….2-13 表2.4.1 各組分對瀝青性質的影響………………………………...…..2-14 表2.5.1瀝青各組分重量百分比(wt%)………………………………....2-23 表2.5.2 石油SARA分析……………………………………………….2-25 表2.5.3 HP-GPC分析不同瀝青黏結料………….…………………….2-26 表2.6.1石油瀝青脫蠟前後性質……………………………………2-27 表2.6.2顯示瀝青精含量對於針入度與黏滯度之影響……………2-28 表2.6.3 瀝青黏結料指標與瀝青組份、分子量之相關性……….…2-28 表2.7.1各種官能基之波峰及吸收區間………...………….………2-33 表3.2.1各類型Spindle可量測黏度範圍以及所需試樣體積………3-6 表3.2.2各種官能基之峰波以及吸收區間……...………………….3-19 表3.3.1試驗樣本之原油資訊…………………………………………3-25 表3.4.1 物性試驗規範方法……………………………………….…....3-26 表3.4.2針入度等級規範表…………………………………………3-26 表4.2.1 不同VR之黏滯度…………………………………….…….4-3 表4.3.1不同PI值比較……………….………………………………4-5 表4.5.1 RTFOT試驗選取瀝青之基本物性………………………..4-13 表4.5.2 RTFOT試驗後選取瀝青之黏滯度………………………..4-13 表4.7.1應用於TLC-FID溶劑之各種方法…………………………4-19 表4.7.2 TLC-FID不同方法之數據比較……………………………4-20 表4.7.3 利用ANOVA統計各方法之顯著性………………………4-22 表4.7.4組成成分之預測迴歸方程式表…………………………..…4-24 表4.7.5不同VR分子量分佈…………………………………….….4-35 表4.8.1軟瀝青與吹製瀝青摻配調和之預測迴歸方程式表………4-44 表4.8.2硬瀝青與HVGO摻配調和之預測迴歸方程式表………...4-49 圖目錄 圖2.2.1原油的組成…………………………………………………..2-3 圖2.3.1原油蒸餾程序……………….……………………………….2-6 圖2.3.2原油主要三種碳氫化合物之分子結構………….………….2-8 圖2.3.3不同瀝青等級之生產程序…………………………………2-10 圖2.4.1 瀝青精分子多聚體………………………………………..2-15 圖2.4.2 瀝青精顯微結構圖………………………………………..2-16 圖2.4.3 “溶膠狀”形式之瀝青……………………………………….2-18 圖2.4.4 “凝膠狀”形式之瀝青……………………………………….2-19 圖2.5.1 Rostler與Sternberg發展之化學沉澱法………………2-20 圖2.5.2 Traxler與Schweyer發展之溶劑分餾法………………2-21 圖2.5.3 色譜柱吸附法……………………………………………..2-22 圖2.5.4 色譜柱吸附法……………………………………………..2-22 圖2.5.5體積排阻色譜法:凝膠滲透色譜法………………………..2-24 圖2.6.1 黏結料運輸路線…………………………………………..2-29 圖2.7.1 瀝青黏結料隨時間之黏滯度變化………………………..2-31 圖2.7.2瀝青黏結料短期老化之FTIR頻譜圖………………….2-34 圖2.8.1 黏度溫度敏感性數據……………………………………..2-35 圖2.8.2 黏滯度與針入度關係圖…………………………………..2-36 圖2.8.3一般瀝青以及理想改質瀝青的勁度特性…………………2-37 圖3.1.1研究流程……………………………………………………..3-2 圖3.2.1火焰離子檢視器……………………………………………3-12 圖3.2.2 TLC/FID使用之注射針、層析棒、展開槽以及烘箱……3-12 圖3.2.3 TLC/FID之圖譜…………………………..………….…….3-14 圖3.2.4 FTIR分析儀……………………………………...………...3-16 圖3.2.5峰波計算方式………………………………………………3-17 圖3.2.6各種官能基之峰波以及吸收區間示意圖………….…..3-18 圖3.2.7GPC層析譜示意圖………..…………………….…………3-21 圖3.2.8高效能凝膠滲透層析儀……………………………………3-22 圖3.2.9 GPC面積計算結果………………………………………..3-24 圖4.1.1不同VR之針入度值…………………………………………4-1 圖4.2.1黏度溫度敏感性(VTS60-25)數據…………………………….4-4 圖4.3.1不同VR之針入度值比較……………………………………4-6 圖4.3.2不同VR於25℃時針入度與黏滯度關係圖………………..4-7 圖4.3.3 不同API值原油與VR之相關性………………………….4-8 圖4.4.1不同VR黏滯度與軟化點之關係…………………………..4-9 圖4.4.2不同VR針入度與軟化點之關係………………………….4-10 圖4.4.3 不同VR於軟化點時之黏滯度……………………………4-11 圖4.4.4不同VR黏滯度與延展性之關係…………………………4-12 圖4.5.1 VR經RTFOT試驗後老化指數…………………………..4-14 圖4.6.1 VR複合模數(G*)主曲線…………………………………..4-16 圖4.6.2 VR相位角(δ)主曲線……………………………………….4-16 圖4.6.3 不同VR於特定頻率下之複合模數(G*)………………….4-18 圖4.6.4不同VR 車轍指標G*/sinδ值(60℃)…………………….4-18 圖4.7.1 TLC-FID不同方法之吸收頻譜………………………..….4-20 圖4.7.2 TLC-FID不同方法之VR組成成分(%)…………………..4-21 圖4.7.3 應用TLC-FID量測不同VR之組成成分(%)……………4-23 圖4.7.4 瀝青精含量與25℃針入度之相關性…………………….4-25 圖4.7.5不同VR之膠體穩定性指標(IA ,IC )………………………4-26 圖4.7.6不同VR瀝青精含量針對飽和族含量之比較…………….4-27 圖4.7.7 0328_VR經RTFOT後之TLC/FID頻譜圖…………..4-28 圖4.7.8 328_VR老化後之TLC/FID結果…………..….………4-29 圖4.7.9 702_VR老化後之TLC/FID結果………………………4-29 圖4.7.10 809_VR老化後之TLC/FID結果……………………..4-30 圖4.7.11 1031_VR老化後之TLC/FID結果…………….…….4-30 圖4.7.12 VR經RTFOT試驗後之膠體穩定性指標(IA ,IC )…...4-31 圖4.7.13 不同VR之官能基吸收頻譜…………………………..4-32 圖4.7.14 三階段RTFOT試驗後之FTIR-酮吸收面積…………..4-33 圖4.7.15 三階段RTFOT試驗後之FTIR-亞碸吸收面積…………4-33 圖4.7.16 組成成分與分子量分佈之關係…………………………4-34 圖4.7.17 0328_VR經RTFOT後之TLC/FID頻譜圖………….4-37 圖4.7.18 0328_VR老化後之分子量分佈比例………………….4-38 圖4.7.19 0702_VR老化後之分子量分佈比例………………….4-38 圖4.7.20 0809_VR老化後之分子量分佈比例………………….4-39 圖4.7.21 1031_VR老化後之分子量分佈比例………………….4-39 圖4.8.1軟瀝青摻配不同比例吹製瀝青之針入度…………………4-41 圖4.8.2軟瀝青摻配不同比例吹製瀝青之黏滯度…………………4-42 圖4.8.3軟瀝青摻配不同比例吹製瀝青之針入度下降百分比……4-42 圖4.8.4軟瀝青摻配不同比例吹製瀝青之黏滯度上升百分比……4-43 圖4.8.5軟瀝青與吹製瀝青摻配後針入度預測值與實驗值比較…4-45 圖4.8.6軟瀝青與吹製瀝青摻配後黏滯度預測值與實驗值比較…4-45 圖4.8.7硬瀝青摻配不同比例HVGO之針入度…………………...4-47 圖4.8.8硬瀝青摻配不同比例HVGO之黏滯度………….……... 4-47 圖4.8.9軟瀝青摻配不同比例HVGO之針入度上升百分比…….4-48 圖4.8.10軟瀝青摻配不同比例HVGO之黏滯度下降百分比…….4-48 圖4.8.11硬瀝青與HVGO摻配後針入度預測值與試驗值比較….4-50 圖4.8.12硬瀝青與HVGO摻配後黏滯度預測值與試驗值比較….4-51 圖4.8.13選取化性評估之摻配成品物理試驗結果…………….….4-52 圖4.8.14應用TLC/FID量測不同摻配成品之組成成分………….4-53 圖4.8.15應用HP-GPC量測不同摻配成品之分子量分佈……….4-54 圖4.8.16摻配不同添加比例之RTFOT老化表現…………….…..4-55

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