劉哲 劉鵬飛（山西省交通科學(xué)研究院新型道路材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030006）

改性路用煤瀝青及其混合料性能研究

劉哲 劉鵬飛
（山西省交通科學(xué)研究院新型道路材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030006）

采用自制的復(fù)合改性劑對(duì)中溫煤焦油瀝青進(jìn)行改性，制備了新型道路改性煤瀝青。對(duì)瀝青三大指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果表明，新型的改性煤瀝青軟化點(diǎn)、針入度以及延度均達(dá)到或超過(guò)了《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004中C級(jí)70#基質(zhì)石油瀝青的指標(biāo)；此外，采用紫外分光光度計(jì)分析了改性前后煤瀝青中苯并芘的含量，改性劑的加入可明顯降低苯并芘的含量；為了進(jìn)一步驗(yàn)證改性瀝青的路用性能，采用AC-20級(jí)配，對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試分析，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：改性后瀝青及混合料基本性能達(dá)到石油瀝青標(biāo)準(zhǔn)，可作為筑路膠黏劑使用。

煤瀝青 改性劑 路用性能 苯并芘

我國(guó)是煤炭資源大國(guó)，2011年煤產(chǎn)量高達(dá)35.2億噸，位居世界首位。煤焦油的產(chǎn)量也隨著煤炭產(chǎn)量的增加而增加，在煤焦油蒸餾產(chǎn)物中，煤瀝青的產(chǎn)率約占50-60%，其年產(chǎn)量達(dá)到了1000萬(wàn)噸。這其中，除少量用作電極材料、防水材料等外，有很大一部分被當(dāng)作燃料燒掉，造成資源浪費(fèi)、環(huán)境污染［1-3］。隨著煤化工市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，下游行業(yè)市場(chǎng)不景氣，煤瀝青需求量降低，出現(xiàn)了產(chǎn)能過(guò)剩的現(xiàn)象。煤焦油瀝青的資源化利用在全國(guó)范圍內(nèi)都顯得十分迫切。

在公路行業(yè)，煤瀝青具有良好的潤(rùn)濕、粘附和抗油侵蝕性能，且煤焦油瀝青混合料路面摩擦系數(shù)大，行車安全系數(shù)高，如果作為筑路膠黏劑使用，擁有巨大的優(yōu)勢(shì)。此外，煤焦油瀝青還具有比石油瀝青更低的拌和溫度（100～120℃），方便施工、節(jié)約能源。因此，研究煤焦油瀝青改性，并利用改性技術(shù)生產(chǎn)高等級(jí)筑路膠黏劑，用于補(bǔ)充或部分替代道路石油瀝青，不僅解決了上述問(wèn)題，而且由于煤焦油瀝青產(chǎn)量大、價(jià)格低，還降低了筑路養(yǎng)路成本，具有重大的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

但是，傳統(tǒng)煤焦油瀝青應(yīng)用于道路工程建設(shè)存在低溫質(zhì)脆、延展性差、粘韌性差、低沸點(diǎn)易揮發(fā)組分多的問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，必須進(jìn)行改性，才能滿足道路工程建設(shè)的要求。

本研究用自主研制的復(fù)合改性劑對(duì)煤瀝青進(jìn)行改性，得到了一種新型筑路用煤瀝青，研究了改性煤瀝青及其混合料的基本性能，并與70#基質(zhì)石油瀝青的性能進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，該改性煤瀝青及其混合料基本性能達(dá)到或超過(guò)了70#基質(zhì)石油瀝青，可作為筑路膠黏劑進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器及設(shè)備

主要設(shè)備為瀝青及其混合料性能測(cè)試儀器，見(jiàn)表1和表2。

1.2試驗(yàn)原料及試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)原料

中溫煤瀝青（北京旭陽(yáng)化工技術(shù)研究院有限公司）、自主制備的納米材料、表面活性劑、高聚物改性劑、石灰?guī)r集料。

1.2.2改性煤瀝青制備工藝

納米材料經(jīng)過(guò)表面活性劑改性得到納米改性劑，在煤瀝青中加入納米改性劑、高聚物改性劑進(jìn)行高速剪切攪拌，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，得到改性煤瀝青。（本實(shí)驗(yàn)中采用改性劑用量為15%）

1.2.3試驗(yàn)方法

首先，對(duì)制備的新型道路用瀝青進(jìn)行基本性能測(cè)試，包括軟化點(diǎn)、針入度以及延度。分別采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E-20-2011 中指定的方法T0606-2011、T0604-2011、T0605-2011。

采用AC-20級(jí)配，進(jìn)行混合料車轍試驗(yàn)、混合料彎曲蠕變?cè)囼?yàn)以及混合料凍融劈裂試驗(yàn)分別采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E-20-2011 中指定的方法T0719-2011、T0728-2011 及T0729-2011。

表1　瀝青性能測(cè)試儀器

表2　瀝青混合料性能測(cè)試儀器

2　結(jié)果與討論

表3　中溫煤瀝青與改性瀝青性能對(duì)比

2.1改性煤瀝青基本性能

首先對(duì)中溫煤瀝青以及改性瀝青三大指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，并與《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004中C級(jí)70#基質(zhì)石油瀝青進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果如表3所示。

表4　車轍試驗(yàn)結(jié)果

表5　低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表6　改性煤瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖1　苯并芘標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2　苯并芘含量隨改性劑添加量的變化趨勢(shì)

軟化點(diǎn)在某種意義上可反映路面發(fā)軟變形的程度，因其測(cè)試方法簡(jiǎn)便且比較直觀，所以常用來(lái)表征瀝青的高溫性能及溫度穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō)，瀝青軟化點(diǎn)不能太高或太低，否則夏季易融化，冬季脆裂且施工困難。從表中可見(jiàn)，中溫煤瀝青軟化點(diǎn)為73.5℃，這說(shuō)明未經(jīng)改性時(shí)，煤瀝青施工性能差，而改性瀝青軟化點(diǎn)大幅下降為45℃，符合C級(jí)70#石油瀝青的標(biāo)準(zhǔn)；納米改性劑具有高比表面積、吸附性能強(qiáng)，在煤瀝青中形成新的界面，升溫時(shí)容易發(fā)生變化，降低了煤瀝青粘度，使其軟化點(diǎn)大幅下降。

公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中，針入度和低溫延度通常用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能。針入度是瀝青稠度和硬度的一種反映，針入度越高，瀝青硬度越小，可塑性及延展性越強(qiáng)。延度亦反映路面受到外力作用下發(fā)生變形而不被破壞的能力，常被用來(lái)表征瀝青的低溫抗裂性能。采用25℃針入度和10℃延度來(lái)表征瀝青的低溫性能。對(duì)于中溫煤瀝來(lái)說(shuō)，25℃針入度以及10℃延度難以測(cè)得數(shù)值，由于質(zhì)脆且硬，試驗(yàn)樣品脆斷；而瀝青的針入度和延度是瀝青低溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此，未改性的煤瀝青低溫性能差，不具備作為筑路膠黏劑的條件；經(jīng)過(guò)改性后，瀝青25℃針入度以及10℃延度分別為65mm和大于100cm，已經(jīng)達(dá)到C級(jí)70#基質(zhì)瀝青的標(biāo)準(zhǔn)，可作為筑路膠黏劑使用。高聚物改性劑的加入，增加了體系中長(zhǎng)鏈高分子的含量，使體系柔性增加，提升了體系低溫性能。

2.2改性瀝青混合料試驗(yàn)

選用油石比4.6%，測(cè)試了瀝青混合料的高溫、低溫以及抗水損性能。

2.2.1改性瀝青高溫性能

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性是指在高溫條件下保持原有強(qiáng)度和剛度等性能的能力。在夏季高溫下，瀝青混合料由于瀝青粘度降低而軟化，致使路面在車輪荷載作用下產(chǎn)生永久變形，路面出現(xiàn)泛油、擁包、推擠、車轍，影響行車舒適和安全。我們測(cè)試了改性煤瀝青混合料的車轍動(dòng)穩(wěn)定度，表征改性煤瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。結(jié)果如表4所示。

從車轍試驗(yàn)結(jié)果看，改性煤瀝青車轍動(dòng)穩(wěn)定度平均值達(dá)到1511 次/mm，超過(guò)了石油瀝青混合料的規(guī)范要求。上述結(jié)果都說(shuō)明經(jīng)過(guò)合理配合比設(shè)計(jì)后的改性煤瀝青混合料有較好的高溫強(qiáng)度和抵抗變形的能力，符合規(guī)范對(duì)瀝青混合料性能的要求。

2.2.2混合料低溫抗裂性評(píng)價(jià)

在冬季氣溫驟然降低，溫度應(yīng)力增長(zhǎng)的速度遠(yuǎn)大于瀝青混合料的應(yīng)力松弛，同時(shí)勁度急劇增大，超過(guò)混合料的極限拉伸應(yīng)變，路面就會(huì)產(chǎn)生裂痕。瀝青混合料的低溫性能不僅取決于瀝青的性能，混合料的級(jí)配對(duì)其也有很大影響。我們選用最佳油石比，測(cè)試改性煤瀝青混合料的低溫小梁彎曲來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能。表5結(jié)果表明，改性瀝青在低溫小梁彎曲試驗(yàn)后，破壞應(yīng)變達(dá)到2445 με，高于規(guī)范中大于等于2300的要求。

2.2.3水穩(wěn)定性

瀝青路面的水穩(wěn)定性即路面水損害破壞，是指水由瀝青路面空隙和裂縫進(jìn)入瀝青路面內(nèi)部，在車輪的動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生動(dòng)水壓的反復(fù)作用下，水分逐漸滲入瀝青和礦料界面，使瀝青粘附性降低，致使最終瀝青從礦料表面剝離，從而瀝青混合料掉粒，松散，使瀝青路面結(jié)構(gòu)的整體性能發(fā)生破壞。本文采用凍融劈裂強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。表6結(jié)果顯示，改性煤瀝青凍融劈裂強(qiáng)度比大于規(guī)范要求的70%，表明其水穩(wěn)定性達(dá)到路用瀝青使用要求。

2.3改性煤瀝青中苯并芘含量測(cè)定

苯并芘是高致癌物質(zhì)，對(duì)人體及環(huán)境有很大的危害，煤瀝青中含有大量苯并芘，制約了其在路面鋪筑中的應(yīng)用［4-7］。本論文采用紫外分光光度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)曲線法，測(cè)試了煤瀝青中苯并芘的含量，分別添加改性劑量為5%、10%、15%、20%。測(cè)試結(jié)果如圖所示。圖1是苯并芘的標(biāo)準(zhǔn)曲線；圖2是添加不同量改性劑時(shí)，煤瀝青中苯并芘的含

············

量。

從圖1和圖2中結(jié)果可見(jiàn)，未添加改性劑時(shí)，煤瀝青中苯并芘含量為1.92%，而加入改性劑后，苯并芘含量明顯下降，且隨著改性劑添加量增加不斷降低。在添加量為15%時(shí)，苯并芘含量為1.65%；而20%時(shí)，下降趨勢(shì)有所緩解，為1.62%，此時(shí)，我們對(duì)添加20%改性劑的煤瀝青進(jìn)行了三大指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果表明，改性煤瀝青的三大指標(biāo)已經(jīng)不能滿足路用性能的要求。因此，本實(shí)驗(yàn)確定最佳改性劑用量為15%。苯并芘含量的降低可能是由于改性劑中的聚合物與苯并芘等發(fā)生了部分反應(yīng)，生產(chǎn)其他物質(zhì)；另一部分原因應(yīng)該是其中納米粒子對(duì)苯并芘產(chǎn)生部分吸附作用，將苯并芘分子固定。

3　結(jié)語(yǔ)

采用自主合成的改性劑，對(duì)中溫煤焦油瀝青進(jìn)行了改性，得到的改性煤瀝青，軟化點(diǎn)、針入度、延度等基礎(chǔ)指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)了70#基質(zhì)石油瀝青的指標(biāo)要求；采用AC-20級(jí)配測(cè)試了其混合料性能，結(jié)果表明，混合料高溫、低溫以及水穩(wěn)定性都滿足規(guī)范中對(duì)瀝青混合料的基本要求，可作為道路瀝青使用。采用紫外分光光度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)曲線法分析了改性煤瀝青中苯并芘的含量變化，分析結(jié)果說(shuō)明，加入改性劑后，煤瀝青中苯并芘含量得到了大幅降低。

致謝：本論文是由交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目“可替代道路石油瀝青的新型煤瀝青開(kāi)發(fā)及應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：2015 318 771 220）資助完成。

［1］李欣，徐國(guó)財(cái)，甘穎等.淺析煤瀝青在道路建設(shè)中的應(yīng)用［J］.安徽化工，2012，38（3）：5-7.

［2］耿文華，劉升泉.聚氯乙烯對(duì)煤瀝青路用改性的研究［J］.山西交通科技，1999，126（4）：27-30.

［3］張秋民，黃楊柳，關(guān)珺等.氣相色譜法測(cè)定煤瀝青中致癌多環(huán)芳烴含量的研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，50（4）：481-485.

［4］ Baehtz C， Fuess H Naphthalene.Anthraceneand 2，3- Benzen thrace- nein Zeolite Y［J］.Phys.chem.chem.phys.，2002，4（18）.

［5］ Yang K，Zhu L，Xing B.Adsorption of polycyclic aromatic hydrocarbons by carbon nanomaterials. Environ. Sci. Technol， 2006 （40）： 1855-1861.

［6］ Sidorov O F. Carcinogenic activity of coal tar pitches in relation to the process for their manufactures［J］.Koksi Khimiya，2006（6）：36-40.

［7］Moissette A，Marquis S.Sorption of Anthracene， Phenanthrene and 9，10-Dimethylanthracene on Activated Acid HZSM-5 Zeolite. Effect of Sorbate Size on Spontaneous Ionization Yied ［J］. Phys.Chem.，2002，4（22）：5690-5696.

劉哲（1986—），男，山西大同人，工程師，工學(xué)博士，2014年畢業(yè)于大連理工大學(xué)高分子材料專業(yè)，現(xiàn)從事新型路面材料研究開(kāi)發(fā)工作；劉鵬飛（1986—），男，山西朔州人，工程師，工學(xué)學(xué)士，2010年畢業(yè)于北京化工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)從事新型路面材料研究開(kāi)發(fā)工作。