風化煤改性瀝青的制備與性能研究★

王有朋 伍家衛 文 斌

0 引言

我國風化煤資源分布廣、儲量大，但由于風化煤含氧量高，發熱量低，已失去作動力燃料和煉焦煤的價值，一直未將風化煤作為有益礦產資源充分利用［1］，風化煤含有大量再生腐殖酸和多種含氧活性官能團，如羧基、酚羥基、醌基、醇羥基等，腐殖酸是一種內表面積很大的高分子有機物，是天然的羥基羧酸，具有很強的吸附、絡合能力［2］。能將這一豐富的資源充分的利用起來，具有重要的現實意義。石油瀝青具有良好的粘結性、抗老化性和防水防腐能力，長期以來被廣泛的用作建筑、道路、防腐和密封材料。然而改性瀝青具有高溫流淌、低溫冷脆開裂、耐候性不佳等缺點［3］，因此改善改性瀝青材料的高溫性能、低溫性能和降低成本是該領域研究的重點。本研究將新疆風化煤用于改性瀝青材料中，提高了瀝青材料的高溫性能和其他性能，降低了環境污染，并且未見有關文獻報道。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

儀器:高剪切混合乳化機(ME-100L)，電腦全自動瀝青針入度儀(HDLZ-IV)，數顯全自動瀝青軟化點測定儀(DF-4)，瀝青旋轉薄膜烘箱(85型)，低溫雙數顯瀝青延伸度儀(SY-2(B))，紅外光譜儀(Nicolet NEXUS 670 FT-IR)，透射電子顯微鏡(JEM-100SX)，掃描電子顯微鏡(S-450，HITACHI)，X射線衍射(D/MAX-ⅢC)。試劑:風化煤(300目，新疆)，基質瀝青(蘭煉90號，中石油蘭州煉油化工總廠)，丁苯橡膠SBR(中石油蘭州石化公司)。

1.2 改性瀝青的制備

將一定量的風化煤和改性劑加入到熱融的瀝青中，在165℃～175℃的溫度下，經高剪切機在4 000 rpm/min～5 000 rpm/min的轉速下剪切50 min，然后用篩子過濾除去混在改性瀝青材料中的較大顆粒物質后，即得改性瀝青材料。

表1 風化煤改性瀝青

2 改性瀝青性能測試和討論

2.1 風化煤改性瀝青的性能

風化煤以300目粒度未經過處理直接加入，從表1可知，基質瀝青軟化點為47℃，當加入風化煤后，改性瀝青的高溫性能大有改善，特別是含量3%時，軟化點達到58℃，能將軟化點提高10℃左右。說明風化煤中的腐殖酸及其他成分能有效提高瀝青的高溫性能和抗氧化性能。繼續增大風化煤的含量到6%時，軟化點反而下降，說明腐殖酸量增大的同時，其他雜質的量也在增加，軟化點反而降低。為了提高改性瀝青低溫及其他性能，本研究以風化煤復配粉末SBR進行探討。

2.2 風化煤復配改性瀝青的性能

表2 風化煤復配粉末SBR改性瀝青

從表2結果可知，隨著SBR量的增加，改性瀝青的耐低溫性能大大提高，瀝青的針入度指數有所減小，可能由于SBR本身分子量大和腐殖酸的絡合作用，分子間的作用力增強，粘度增大，提高改性瀝青高溫性能和耐低溫性能，降低了瀝青的溫度敏感性。

另外，本研究以粘韌性能對瀝青評價，因為SBR改性瀝青的粘韌性及韌性很難達到國家標準，由表3可知，風化煤復配粉末SBR(4%)改性瀝青中，由于風化煤中腐殖酸的吸附和絡合作用，在一定程度上增加了瀝青的粘韌性和韌性。

表3 風化煤改性瀝青粘韌性測定結果 N·m

3 風化煤改性瀝青的結果分析

3.1 紅外光譜分析(FT-IR)

從圖1可知，風化煤在瀝青中有一定的化學效應。風化煤改性瀝青在1 216 cm－1出現一微弱吸收峰，認為COOH中C=O伸展振動，說明腐殖酸的表面羥基和瀝青中的羧酸根形成酯;在870 cm－1處出現了新的吸收峰，歸屬苯環內δC－H面內吸收峰，說明改性瀝青在某種程度上發生芳構化，芳香酚增加。風化煤復配粉末SBR改性瀝青時，除了上述特征峰外，在1 315 cm－1處出現新的吸收峰，歸屬為烯烴δC－H面內彎曲振動，在967 cm－1處歸屬為芳環的δC－H面外彎曲振動，說明芳香酚增加并有利于增加改性劑與瀝青的相容性，提高改性效果。

圖1 風化煤改性瀝青FT-IR譜圖

3.2 電子顯微鏡觀察

從掃描電鏡下可以看見，風化煤的孔隙中均被瀝青所填充，這樣的分布和吸附，能提高改性瀝青的穩定性。但還是有部分固體顆粒沒有被瀝青包裹住而暴露出來。它們與瀝青不相容。在透射掃描電鏡下，風化煤顆粒均勻的分布在瀝青中，顆粒的最大粒徑為0.83 μm，最小粒徑為9 nm，風化煤顆粒以近似納米分布在瀝青中，改性瀝青的一些性能提高［4，5］。本研究又從瀝青穩定性實驗探討雜質的影響，風化煤改性瀝青達到技術要求，但在離析實驗結果中，下軟化點略高于上軟化點，說明改性瀝青材料穩定，改性劑與瀝青沒有離析，可能由于雜質密度大而沉降下來導致上述結果，雜質包括無機鹽等成分。

3.3 風化煤與改性瀝青相容性機理

瀝青是一種混合物，平均分子量500左右［6］。由于組成較多且性質差別較大，造成了瀝青微觀上的不均勻，性質相近，結構類似的組分聚集在一起。風化煤改性劑進入瀝青時，腐殖酸的平均分子量在300左右，所以風化煤中的有機組分和瀝青有一定的相容性。當風化煤以幾乎納米的微粒均勻分散于瀝青中后，風化煤中的腐殖酸具有一定的吸附、絡合功能，它與瀝青相混合便將瀝青吸附在風化煤微粒的表面，這種作用包括物理吸附和化學絡合，風化煤中的碳黑對瀝青的性能產生一定的影響，另外由于碳黑是由正六邊形網狀平面的層面構成的，層面與層面之間連接著一個結合體，并通過范德華力產生相互凝聚的傾向，其層面邊緣上的氫原子、不配對電子和含氧基團的化學活性很大，可以和其他物質發生物理吸附和化學結合反應。因此可以改善瀝青的粘附性，耐久性，抗磨性，抗氧化性等［3］。

4 結語

1)本研究以風化煤作為瀝青改性劑，提高了瀝青的高溫性能和其他一些重要性能指標，并與瀝青具有較好的相容性。表明風化煤中的腐殖酸具有化學絡合和物理吸附作用，風化煤中的碳黑能提高改性瀝青的粘附性，耐久性，抗磨性，抗氧化等。2)風化煤改性瀝青具有價格低廉、性能優異等特點，可用于建筑、道路、防腐和密封材料等領域，不僅減少了環境的污染，同時擴大了風化煤的使用范圍。

［1］ 馬秀欣，趙宏波.我國泥炭、褐煤和風化煤的資源優勢及其應用領域［J］.中國煤炭，2005(1):6-7.

［2］ 竇琇云.腐殖酸化學性質和結構分析［J］.腐殖酸，1995(4):4.

［3］ 沈金安.改性瀝青與SMA路面［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［4］ 徐國財，張立德.納米復合材料［M］.北京:化學工業出版社，2002.

［5］ 張玉龍，李長德.納米技術與納米塑料［M］.北京:中國輕工業出版社，2002.

［6］ 原健安.改性劑與瀝青的相互作用對改性瀝青性質的影響［J］.重慶交通學院學報，2000(3):37-38.