改性路用煤瀝青及其混合料性能研究

劉哲 劉鵬飛（山西省交通科學研究院新型道路材料國家地方聯合工程實驗室，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
（山西省交通科學研究院新型道路材料國家地方聯合工程實驗室，山西太原 030006）

采用自制的復合改性劑對中溫煤焦油瀝青進行改性，制備了新型道路改性煤瀝青。對瀝青三大指標的測試結果表明，新型的改性煤瀝青軟化點、針入度以及延度均達到或超過了《公路瀝青路面施工技術規范》JTG F40-2004中C級70#基質石油瀝青的指標；此外，采用紫外分光光度計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；為了進一步驗證改性瀝青的路用性能，采用AC-20級配，對瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性以及水穩定性進行了測試分析，試驗發現：改性后瀝青及混合料基本性能達到石油瀝青標準，可作為筑路膠黏劑使用。

煤瀝青 改性劑 路用性能 苯并芘

我國是煤炭資源大國，2011年煤產量高達35.2億噸，位居世界首位。煤焦油的產量也隨著煤炭產量的增加而增加，在煤焦油蒸餾產物中，煤瀝青的產率約占50-60%，其年產量達到了1000萬噸。這其中，除少量用作電極材料、防水材料等外，有很大一部分被當作燃料燒掉，造成資源浪費、環境污染［1-3］。隨著煤化工市場的不斷擴大，下游行業市場不景氣，煤瀝青需求量降低，出現了產能過剩的現象。煤焦油瀝青的資源化利用在全國范圍內都顯得十分迫切。

在公路行業，煤瀝青具有良好的潤濕、粘附和抗油侵蝕性能，且煤焦油瀝青混合料路面摩擦系數大，行車安全系數高，如果作為筑路膠黏劑使用，擁有巨大的優勢。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、節約能源。因此，研究煤焦油瀝青改性，并利用改性技術生產高等級筑路膠黏劑，用于補充或部分替代道路石油瀝青，不僅解決了上述問題，而且由于煤焦油瀝青產量大、價格低，還降低了筑路養路成本，具有重大的社會意義和經濟價值。

但是，傳統煤焦油瀝青應用于道路工程建設存在低溫質脆、延展性差、粘韌性差、低沸點易揮發組分多的問題，針對這些問題，必須進行改性，才能滿足道路工程建設的要求。

本研究用自主研制的復合改性劑對煤瀝青進行改性，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#基質石油瀝青的性能進行了對比。結果表明，該改性煤瀝青及其混合料基本性能達到或超過了70#基質石油瀝青，可作為筑路膠黏劑進行實際應用。

1　實驗部分

1.1儀器及設備

主要設備為瀝青及其混合料性能測試儀器，見表1和表2。

1.2試驗原料及試驗方法

1.2.1試驗原料

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

1.2.2改性煤瀝青制備工藝

納米材料經過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、高聚物改性劑進行高速剪切攪拌，經過一定時間后，得到改性煤瀝青。（本實驗中采用改性劑用量為15%）

1.2.3試驗方法

首先，對制備的新型道路用瀝青進行基本性能測試，包括軟化點、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規程》JTG E-20-2011 中指定的方法T0606-2011、T0604-2011、T0605-2011。

采用AC-20級配，進行混合料車轍試驗、混合料彎曲蠕變試驗以及混合料凍融劈裂試驗分別采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E-20-2011 中指定的方法T0719-2011、T0728-2011 及T0729-2011。

表1　瀝青性能測試儀器

表2　瀝青混合料性能測試儀器

2　結果與討論

表3　中溫煤瀝青與改性瀝青性能對比

2.1改性煤瀝青基本性能

首先對中溫煤瀝青以及改性瀝青三大指標進行了測試，并與《公路瀝青路面施工技術規范》JTG F40-2004中C級70#基質石油瀝青進行對比。結果如表3所示。

表4　車轍試驗結果

表5　低溫小梁彎曲試驗結果

表6　改性煤瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

圖1　苯并芘標準曲線

圖2　苯并芘含量隨改性劑添加量的變化趨勢

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

公路瀝青路面施工技術規范中，針入度和低溫延度通常用來評價瀝青的低溫性能。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。延度亦反映路面受到外力作用下發生變形而不被破壞的能力，常被用來表征瀝青的低溫抗裂性能。采用25℃針入度和10℃延度來表征瀝青的低溫性能。對于中溫煤瀝來說，25℃針入度以及10℃延度難以測得數值，由于質脆且硬，試驗樣品脆斷；而瀝青的針入度和延度是瀝青低溫性能的評價指標，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；經過改性后，瀝青25℃針入度以及10℃延度分別為65mm和大于100cm，已經達到C級70#基質瀝青的標準，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

選用油石比4.6%，測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定性是指在高溫條件下保持原有強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生永久變形，路面出現泛油、擁包、推擠、車轍，影響行車舒適和安全。我們測試了改性煤瀝青混合料的車轍動穩定度，表征改性煤瀝青混合料的高溫穩定性。結果如表4所示。

從車轍試驗結果看，改性煤瀝青車轍動穩定度平均值達到1511 次/mm，超過了石油瀝青混合料的規范要求。上述結果都說明經過合理配合比設計后的改性煤瀝青混合料有較好的高溫強度和抵抗變形的能力，符合規范對瀝青混合料性能的要求。

2.2.2混合料低溫抗裂性評價

在冬季氣溫驟然降低，溫度應力增長的速度遠大于瀝青混合料的應力松弛，同時勁度急劇增大，超過混合料的極限拉伸應變，路面就會產生裂痕。瀝青混合料的低溫性能不僅取決于瀝青的性能，混合料的級配對其也有很大影響。我們選用最佳油石比，測試改性煤瀝青混合料的低溫小梁彎曲來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。表5結果表明，改性瀝青在低溫小梁彎曲試驗后，破壞應變達到2445 με，高于規范中大于等于2300的要求。

2.2.3水穩定性

瀝青路面的水穩定性即路面水損害破壞，是指水由瀝青路面空隙和裂縫進入瀝青路面內部，在車輪的動態載荷產生動水壓的反復作用下，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，使瀝青路面結構的整體性能發生破壞。本文采用凍融劈裂強度來評價瀝青混合料的水穩定性能。表6結果顯示，改性煤瀝青凍融劈裂強度比大于規范要求的70%，表明其水穩定性達到路用瀝青使用要求。

2.3改性煤瀝青中苯并芘含量測定

苯并芘是高致癌物質，對人體及環境有很大的危害，煤瀝青中含有大量苯并芘，制約了其在路面鋪筑中的應用［4-7］。本論文采用紫外分光光度計的標準曲線法，測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%。測試結果如圖所示。圖1是苯并芘的標準曲線；圖2是添加不同量改性劑時，煤瀝青中苯并芘的含

············

量。

從圖1和圖2中結果可見，未添加改性劑時，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，苯并芘含量為1.65%；而20%時，下降趨勢有所緩解，為1.62%，此時，我們對添加20%改性劑的煤瀝青進行了三大指標測試，結果表明，改性煤瀝青的三大指標已經不能滿足路用性能的要求。因此，本實驗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生了部分反應，生產其他物質；另一部分原因應該是其中納米粒子對苯并芘產生部分吸附作用，將苯并芘分子固定。

3　結語

采用自主合成的改性劑，對中溫煤焦油瀝青進行了改性，得到的改性煤瀝青，軟化點、針入度、延度等基礎指標達到或超過了70#基質石油瀝青的指標要求；采用AC-20級配測試了其混合料性能，結果表明，混合料高溫、低溫以及水穩定性都滿足規范中對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標準曲線法分析了改性煤瀝青中苯并芘的含量變化，分析結果說明，加入改性劑后，煤瀝青中苯并芘含量得到了大幅降低。

致謝：本論文是由交通運輸部建設科技項目“可替代道路石油瀝青的新型煤瀝青開發及應用”（項目編號：2015 318 771 220）資助完成。

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劉哲（1986—），男，山西大同人，工程師，工學博士，2014年畢業于大連理工大學高分子材料專業，現從事新型路面材料研究開發工作；劉鵬飛（1986—），男，山西朔州人，工程師，工學學士，2010年畢業于北京化工大學化學工程與工藝專業，現從事新型路面材料研究開發工作。