程鵬

摘要 為解決現(xiàn)有煤瀝青改性后環(huán)境污染嚴(yán)重、低溫性能差的問(wèn)題，該研究通過(guò)改性劑之間相互作用與協(xié)同改性，在有效提升煤瀝青改性后低溫性能的同時(shí)減少煤瀝青中主要污染物苯并芘的釋放，有效解決了現(xiàn)有煤瀝青低溫性能差、環(huán)境污染嚴(yán)重的問(wèn)題，煤瀝青改性后及其混合料的技術(shù)指標(biāo)滿足要求。

關(guān)鍵詞 煤瀝青；改性；煤化工廢渣；應(yīng)用

中圖分類號(hào) U411文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B文章編號(hào) 2096-8949（2023）11-0186-03

0 引言

在“雙碳”的大背景下，國(guó)家提出力爭(zhēng)到2025年全國(guó)工業(yè)固廢綜合利用率達(dá)80.0%以上。目前關(guān)于煤瀝青在道路中的應(yīng)用研究中主要存在兩方面的問(wèn)題：一是污染物排放量大，相比于石油瀝青，有較多的苯并芘等污染物排放得不到有效的治理；二是低溫性能差，主要表現(xiàn)為低溫脆裂，混合料低溫性能不足等問(wèn)題。如何緩解煤瀝青輕組分不足所致的低溫發(fā)脆以及環(huán)境污染問(wèn)題已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 道路用煤瀝青改性技術(shù)分析

武繼文[1]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)煤瀝青屬于煤化工廢渣中提煉出來(lái)的一種瀝青，含有大量的不飽和稠環(huán)化合物及固有的片層結(jié)構(gòu)，使得煤瀝青低溫脆裂延展性差，且其所含苯并芘類化合物引起的環(huán)境污染問(wèn)題嚴(yán)重制約著煤瀝青在道路中的應(yīng)用推廣。蔡麗娜、穆建青、謝邦柱[2]利用鄰苯二甲酸酯中的芳環(huán)結(jié)構(gòu)可與煤瀝青的稠環(huán)化合物形成離域電子相互作用，因與煤瀝青有極好的相容性，所以可調(diào)節(jié)煤瀝青三組分配比改善煤瀝青的施工和易性。劉哲、杜素軍、劉鵬飛[3]認(rèn)為丁苯橡膠中有大量苯環(huán)結(jié)構(gòu)可與煤瀝青形成良好的互溶體系，且丁苯橡膠的柔性分子結(jié)構(gòu)可以有效提升煤瀝青改性后的低溫性能。蔡麗娜、穆建青[4]通過(guò)試驗(yàn)證明鄰苯二甲酸酯中COOR基團(tuán)中的O原子電負(fù)性較強(qiáng)且有較強(qiáng)的吸電子能力，可與聚乙二醇形成局部氫鍵作用，且有助于聚乙二醇在煤瀝青改性后體系的穩(wěn)定存在。穆建青、蔡麗娜、胡國(guó)鵬[5]因聚乙二醇中有大量伯醇活性羥基（-OH）和醚鍵（-O-）存在，所以伯醇活性羥基（-OH）和醚鍵（-O-）在加熱條件下，可大量分解為徉鹽結(jié)構(gòu)，并與苯并芘發(fā)生親電取代，從而嫁接到苯并芘等多環(huán)芳烴的活性位上，消除苯并芘等多環(huán)芳烴的致癌性。謝邦柱、杜素軍、蔡麗娜[6]證明聚乙二醇除了可以有效降低煤瀝青的污染性以外，其自身特有的低熔點(diǎn)、溶解性強(qiáng)的特點(diǎn)可以有效地緩解煤瀝青輕組分不足所致的低溫發(fā)脆等問(wèn)題。

2 創(chuàng)新點(diǎn)分析

煤瀝青作為一種功能碳材料前驅(qū)體具有殘?zhí)几摺⒊杀镜?、易石墨化的特點(diǎn)，其碳化材料在新能源及交通行業(yè)被廣泛應(yīng)用。如何通過(guò)煤瀝青改性調(diào)整其碳化過(guò)程，優(yōu)化碳材料的結(jié)構(gòu)排列使其更加易于石墨化從而改善碳化材料的應(yīng)用性能，是當(dāng)前煤化工領(lǐng)域研究的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

筆者從2020年開(kāi)始嘗試通過(guò)實(shí)驗(yàn)將高分子聚合物直接加入煤瀝青中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者相容性較差，無(wú)法做到均勻分散。

2021年，筆者基于原位自由基聚合原理制備了聚合物改性煤瀝青，研究了自由基調(diào)節(jié)劑、復(fù)配咪唑啉作為預(yù)處理劑時(shí)對(duì)煤瀝青的影響，探索了煤瀝青與單體比、最佳用量和預(yù)處理溫度、聚合反應(yīng)溫度等因素對(duì)單體轉(zhuǎn)化率的影響。在復(fù)配咪唑啉調(diào)節(jié)體系中，聚苯乙烯聚丙烯腈共聚物改性煤瀝青的最高轉(zhuǎn)化率為25.5%；聚苯乙烯改性煤瀝青的最高轉(zhuǎn)化率為45.9%。在自由基調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)體系中，聚苯乙烯聚丙烯腈共聚物改性煤瀝青的最高轉(zhuǎn)化率為22.7%，聚苯乙烯改性煤瀝青的最高轉(zhuǎn)化率為34.9%。

2022年，筆者通過(guò)MALDI質(zhì)譜對(duì)聚合物改性煤瀝青結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步研究的同時(shí)，也對(duì)聚合物改性煤瀝青和原煤瀝青進(jìn)行了碳化分析。紅外光譜結(jié)果說(shuō)明，碳化過(guò)程中小分子逐漸消失的同時(shí)，改性煤瀝青脂肪類烷基鏈結(jié)構(gòu)逐漸斷裂消失，改性煤瀝青的中芳香度高于原煤瀝青的芳香度。熱失重分析結(jié)果說(shuō)明，聚合物加入煤瀝青后可提高煤瀝青的熱穩(wěn)定性能。X射線衍射與N2吸脫附測(cè)試、掃描電鏡結(jié)果說(shuō)明，改性后煤瀝青碳化材料的微觀形貌具有層狀的流線型結(jié)構(gòu)，碳分子結(jié)構(gòu)排列有序度高，且材料內(nèi)部微晶含量增多。

該文同時(shí)進(jìn)行了聚合物改性煤瀝青碳化材料交流阻抗測(cè)試分析的應(yīng)用研究。改性煤瀝青碳化材料作為電極材料時(shí)，對(duì)電子轉(zhuǎn)移阻礙減小、導(dǎo)電性能提升。改性之后的煤瀝青制備的預(yù)焙陽(yáng)極碳棒樣品熱膨脹系數(shù)降低，說(shuō)明電極材料擁有穩(wěn)定的電化學(xué)性能；實(shí)現(xiàn)聚合物單鏈段在煤瀝青中的精細(xì)分散，從而通過(guò)聚合物結(jié)構(gòu)調(diào)控煤瀝青碳化過(guò)程和微觀結(jié)構(gòu)。

3 公路工程煤化工廢渣循環(huán)利用體系研究

3.1 主要研究?jī)?nèi)容

煤化工技術(shù)在煤基等新能源利用過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種副產(chǎn)物，如不能合理利用煤化工固體廢渣，帶來(lái)固廢堆積、污染環(huán)境等問(wèn)題的同時(shí)，也會(huì)造成巨大的資源浪費(fèi)，不利于促進(jìn)煤炭資源循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展。為響應(yīng)國(guó)家對(duì)資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展提出的新要求，針對(duì)山西省道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和煤化工固廢資源化利用的重大需求，該文采用基礎(chǔ)理論研究、工藝與裝備優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)化工程技術(shù)示范全鏈條集成攻關(guān)，研究煤化工固體廢渣綠色循環(huán)路用關(guān)鍵技術(shù)[7]。

3.1.1 煤化工廢渣化學(xué)－物理復(fù)合改性石油瀝青技術(shù)

采用煤化工廢渣對(duì)瀝青進(jìn)行改性，研發(fā)出新型煤化工廢渣改性瀝青，全面提升道路石油瀝青的各項(xiàng)技術(shù)性能。利用化學(xué)－物理復(fù)合改性瀝青手段，使煤化工廢渣改性瀝青路面在高溫穩(wěn)定性、抗水剝離性、低溫抗裂性以及耐久性等方面得到較大幅度的改善。分析煤化工廢渣類型對(duì)瀝青膠結(jié)料性能的影響作用，篩選出適合道路石油瀝青改性的煤化工廢渣材料品種，并對(duì)煤化工廢渣進(jìn)行測(cè)試和表征；系統(tǒng)研究煤化工廢渣改性瀝青技術(shù)，考察改性劑類型、材料用量、改性溫度和時(shí)間，以及老化條件等對(duì)瀝青改性效果的影響，基于流變學(xué)探討煤化工廢渣改性瀝青的機(jī)理，為煤化工廢渣瀝青的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。研發(fā)出煤化工廢渣改性石油瀝青關(guān)鍵技術(shù)，保障煤化工廢渣改性瀝青應(yīng)用到路面工程中，提升了瀝青路面的路用性能，減少了路面的早期病害，降低了后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，提高了道路的通行能力。

3.1.2 煤化工廢渣改性石油瀝青制備工藝與裝備優(yōu)化

煤化工廢渣與石油瀝青共混，發(fā)生物理溶脹和化學(xué)交聯(lián)作用，形成一種新的膠體分散體系，交聯(lián)混合物性質(zhì)存在相應(yīng)改變。研發(fā)煤化工廢渣改性石油瀝青制備工藝，對(duì)煤化工廢渣的投放順序、投放量和拌和時(shí)間進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究，建立攪拌器拌和均勻性數(shù)學(xué)模型，分析攪拌設(shè)備拌制煤化工廢渣混合料時(shí)最佳瀝青裹附拌和時(shí)間、煤化工廢渣材料最佳分散拌和時(shí)間，通過(guò)相似原理，將其運(yùn)用到現(xiàn)場(chǎng)瀝青攪拌設(shè)備上；對(duì)目前常規(guī)瀝青改性設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，研制改性瀝青的煤化工廢渣添加拌和裝置，提升煤化工廢渣改性瀝青的生產(chǎn)質(zhì)量；提出煤化工廢渣改性石油瀝青制備工藝參數(shù)、制備工藝標(biāo)準(zhǔn)以及制備質(zhì)量控制。

3.1.3 高摻量煤化工固體廢渣混合料路用結(jié)構(gòu)性能研究

通過(guò)現(xiàn)代粒度分析技術(shù)，對(duì)煤化工固體廢渣性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用微觀分析與宏觀性能測(cè)試相結(jié)合的手段，在依據(jù)常用瀝青技術(shù)指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，通過(guò)二者的結(jié)合，研究高摻量煤化工廢渣混合料物理力學(xué)特性，構(gòu)建高摻量煤化工廢渣混合料質(zhì)量及性能評(píng)價(jià)體系。同時(shí)對(duì)高摻量煤化工固體廢渣混合料路用結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究，主要研究?jī)?nèi)容包括廢渣細(xì)集料－改性瀝青與礦料界面特性與強(qiáng)化技術(shù)、混合料疲勞性能提升。

3.1.4 煤液化廢渣改性石油瀝青養(yǎng)護(hù)磨耗層提升技術(shù)研究

研發(fā)煤液化廢渣改性石油瀝青養(yǎng)護(hù)磨耗層，增強(qiáng)全壽命周期養(yǎng)護(hù)投資綜合效益。研究煤液化廢渣改性石油瀝青和骨料的技術(shù)性能指標(biāo)及要求，進(jìn)行煤液化廢渣改性石油瀝青黏結(jié)材料組成優(yōu)化分析，確定各組分配比。分析煤液化廢渣改性石油瀝青養(yǎng)護(hù)磨耗層與舊路面層黏結(jié)強(qiáng)度形成機(jī)理，基于室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究其黏結(jié)性能，建立煤液化廢渣改性石油瀝青養(yǎng)護(hù)磨耗層力學(xué)響應(yīng)?？紤]磨耗層界面接觸特性，研究煤液化廢渣改性石油瀝青磨耗層抗滑性能、耐久性能，形成煤液化廢渣改性石油瀝青養(yǎng)護(hù)磨耗層的品質(zhì)提升。

3.1.5 煤化工固體廢渣綠色循環(huán)路面工程產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化工程示范

建設(shè)煤炭分級(jí)分質(zhì)循環(huán)利用項(xiàng)目，提出煤化工固廢綠色循環(huán)路面關(guān)鍵性技術(shù)研究。通過(guò)對(duì)煤化工固體廢渣分級(jí)分質(zhì)提質(zhì)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，高效、清潔、綠色、科學(xué)性地應(yīng)用煤化工固體廢渣。針對(duì)煤化工固廢多品質(zhì)、多粒度級(jí)進(jìn)行精細(xì)劃分，形成煤化工固體廢渣劃分決策體制；針對(duì)煤化工固體廢渣內(nèi)部化合物成分復(fù)雜這一問(wèn)題，采用低溫?zé)峤狻⒒瘜W(xué)萃取等技術(shù)，通過(guò)循環(huán)開(kāi)發(fā)綜合利用，分選出煤化工固體廢渣各組分，分級(jí)確定煤化工固體廢渣的路用范疇以及路用性能指標(biāo)，為煤化工固體廢渣綠色循環(huán)路面工程及養(yǎng)護(hù)提供評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，建立煤化工固體廢渣綠色循環(huán)體系。

3.2 主要技術(shù)性能、參數(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分析

3.2.1 主要技術(shù)性能分析

對(duì)煤化工廢渣改性石油瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度、黏度等進(jìn)行測(cè)試，獲取煤化工廢渣改性石油瀝青的常規(guī)性能參數(shù)；利用DSR、RTFOT、PAV等試驗(yàn)手段，研究煤化工廢渣改性石油瀝青的流變性能及老化性能；對(duì)比煤化工廢渣改性石油瀝青、基質(zhì)瀝青及4.5%的SBS改性瀝青性能差異，研制出性能優(yōu)于或近似于4.5%的SBS改性瀝青的煤化工廢渣改性石油瀝青。

3.2.2 主要參數(shù)指標(biāo)分析

對(duì)煤化工廢渣改性石油瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、高溫車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、間接劈裂試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)以及黏度性試驗(yàn)等，研究煤化工廢渣改性石油瀝青混合料路用性能；對(duì)比煤化工廢渣改性石油瀝青混合料、基質(zhì)瀝青混合料及4.5%的SBS改性瀝青混合料力學(xué)性能，配制出路用性能優(yōu)于或近似于4.5%的SBS改性瀝青混合料的改性混合料。

3.2.3 主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分析

煤化工廢渣作為一種工業(yè)副產(chǎn)品，其本身價(jià)格較為低廉。充分利用煤化工廢渣，積極研發(fā)煤化工廢渣綠色循環(huán)路用關(guān)鍵技術(shù)，不僅可以變廢為寶，同時(shí)利于資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展。對(duì)標(biāo)行業(yè)SBS改性瀝青經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（每1 t表面層及中面層改性瀝青增加費(fèi)用分別約為820元及720元），研制出每1 t表面層改性瀝青增加費(fèi)用低于498元的煤化工廢渣改性石油瀝青，每1 t中面層改性瀝青增加費(fèi)用低于398元的煤化工廢渣改性石油瀝青。

4 煤化工廢渣循環(huán)利用體系實(shí)施路徑與保障措施

第一，抓好頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)、創(chuàng)新要素集聚、創(chuàng)新生態(tài)建設(shè)、重大科技攻關(guān)、人才培養(yǎng)留用、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范引領(lǐng)、創(chuàng)新氛圍營(yíng)造、組織實(shí)施保障，加大研發(fā)投入，高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)智慧交通實(shí)驗(yàn)室，建立創(chuàng)新主體培育庫(kù)，承攬重大科技項(xiàng)目，爭(zhēng)取高級(jí)別科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)，在智慧交通、新型材料、綠色交通等領(lǐng)域開(kāi)展深層次、全方位合作，共同推動(dòng)智能裝備、智慧檢測(cè)、大數(shù)據(jù)分析、固廢利用、生態(tài)修復(fù)等方向的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新，加快交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)，促進(jìn)交通關(guān)聯(lián)新業(yè)態(tài)發(fā)展的意愿和努力，在雙方發(fā)展戰(zhàn)略機(jī)遇期開(kāi)啟深入合作，將不僅為煤瀝青的發(fā)展提供新助力，也將對(duì)工業(yè)固廢的改革與發(fā)展產(chǎn)生積極影響。

第二，公路領(lǐng)域進(jìn)一步全面推進(jìn)校企合作，將科學(xué)技術(shù)、科研成果、人才資源等優(yōu)勢(shì)與工業(yè)固廢的發(fā)展融為一體，夯實(shí)交通及相關(guān)產(chǎn)業(yè)全方位、高質(zhì)量發(fā)展的人才基礎(chǔ)，為互利共贏和協(xié)同發(fā)展開(kāi)啟新的篇章。用好“一人一策、一事一議”政策，大力引進(jìn)頂尖人才和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，認(rèn)真落實(shí)“揭榜掛帥”、科研經(jīng)費(fèi)“包干制”等中長(zhǎng)期激勵(lì)機(jī)制，為科技創(chuàng)新人員提供全方位支持。進(jìn)一步加強(qiáng)與知名高校、科研院所、科技創(chuàng)新重點(diǎn)企業(yè)合作，組建產(chǎn)學(xué)研一體化創(chuàng)新聯(lián)合體，協(xié)同推進(jìn)重大科研任務(wù)。

第三，堅(jiān)持轉(zhuǎn)作風(fēng)抓落實(shí)，確?？萍紕?chuàng)新各項(xiàng)工作落地見(jiàn)效。強(qiáng)化組織領(lǐng)導(dǎo)，成立科技創(chuàng)新和數(shù)字化提升專項(xiàng)領(lǐng)導(dǎo)組，在加強(qiáng)調(diào)查研究基礎(chǔ)上，高標(biāo)準(zhǔn)制定專項(xiàng)規(guī)劃。完善體制機(jī)制，充分發(fā)揮好考核“指揮棒”作用，加強(qiáng)科研經(jīng)費(fèi)和科研項(xiàng)目管理，完善科技人才評(píng)價(jià)制度和科技項(xiàng)目監(jiān)督檢查制度。大力宣傳科技創(chuàng)新取得的重要成果，全力推進(jìn)高水平學(xué)術(shù)交流活動(dòng)常態(tài)化、品牌化，打造高水平學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，營(yíng)造濃厚創(chuàng)新氛圍。

第四，交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新大會(huì)精神的具體實(shí)踐，也是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、人才鏈融通，促進(jìn)交通產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高校教學(xué)科研深度融合的有力舉措。堅(jiān)持務(wù)實(shí)高效的作風(fēng)，以項(xiàng)目和課題為牽引，密切溝通，緊密協(xié)作，充分發(fā)揮科研優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)、市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新，打造面向市場(chǎng)、協(xié)同發(fā)展、互利共贏的合作模式，為交通運(yùn)輸行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供有力的技術(shù)支持、平臺(tái)支撐和人才保障。

5 結(jié)論

（1）煤瀝青改性目前已經(jīng)在山西省永和至霍州高速公路等工程中得到了應(yīng)用，促進(jìn)了低溫下性能穩(wěn)定的煤瀝青改性后的技術(shù)轉(zhuǎn)化，對(duì)所涉及的煤焦油瀝青資源化利用具有一定的意義。

（2）煤化工技術(shù)在煤基等新能源利用過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生各種副產(chǎn)物，如不能合理利用煤化工固體廢渣，不僅帶來(lái)固廢堆積、污染環(huán)境等問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)造成巨大的資源浪費(fèi)，不利于促進(jìn)煤炭資源循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展。為響應(yīng)國(guó)家對(duì)資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展提出的新要求，針對(duì)山西省道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和煤化工固廢資源化利用的重大需求，研究項(xiàng)目通過(guò)基礎(chǔ)理論研究、工藝與裝備優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)化工程技術(shù)示范全鏈條集成攻關(guān)，研究煤化工固體廢渣煤瀝青改性關(guān)鍵技術(shù)是必要的。

參考文獻(xiàn)

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