煤液化残渣与胶粉复合改性沥青的制备与性能研究

冯 雷，赵 鹏，秦杨晓

长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061

煤液化残渣与胶粉复合改性沥青的制备与性能研究

Preparation and Performance Study of Compound Modif i ed Asphalt with Coal Liquefaction Residue and Crumb Rubber

冯 雷，赵 鹏，秦杨晓

长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061

0 引 言

中国城市道路以沥青路面为主，然而由于沥青路面的各种病害，使其在建成不久后就被损坏[1]。因此，改善沥青性能，从而延长沥青路面的使用寿命，就成为道路工作者必须要完成的重大课题。另一方面，随着经济的增长，对各种自然资源的消耗越来越多，所以在解决现有路面问题的同时还必须要考虑国内的能源结构，做到环保、节约和可持续发展。

近些年，中国工业不断发展，各种废弃物越来越多，造成了一定的环境污染，如“黑色垃圾”废旧橡胶和煤直接液化残渣（DCLR）等。中国的能源特点是煤炭富足、油气贫乏[2]，因此要完善煤炭资源的开发和利用，研究煤炭制备油气技术。煤直接液化技术可以生产汽油、柴油、液化石油气以及芳香烃等工业产品，但是会有20%~30%的副产品DCLR[3]，对DCLR的利用程度直接影响煤液化技术的转化效率以及经济性，所以这种副产品备受研究者的关注。同时，国内汽车产业发展迅速，汽车保有量逐年增加，每年的废弃轮胎以20%的速度快速增长[4]，由此产生大量“黑色垃圾”，严重影响生态环境。据有关部门测算，目前废旧轮胎超过2亿条，总量约520万t。因此，从资源再利用和环境保护的角度出发，十分有必要对废旧橡胶和DCLR进行高附加值转化利用[5]。

中国正在大力发展基础设施建设，城市快速干道和高速公路也在大量修建，将废旧轮胎和煤液化残渣应用于道路建设不仅可以大量消耗这些固体废弃物，解决环境污染问题，而且有助于改善沥青路面的路用性能，节约建造成本。目前，将废旧轮胎磨细成橡胶粉应用于道路工程建设得到了业内人士的广泛关注，国内采用废旧胶粉单独改性沥青[6]和煤液化残渣单独改性沥青[7-9]这2种改性材料，对于沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性等均起到一定的改善作用。

20世纪60年代，美国学者 Charles McDdonald首次采用湿拌生产工艺生产出了Overf l ex TM橡胶沥青混合料，随后，美国、英国、瑞典、法国、比利时、日本、澳大利亚等国家先后开展了橡胶沥青和橡胶粉沥青混凝土的应用研究和铺路试验，极大地促进了废旧轮胎橡胶在道路工程中的应用[10-11]。国内研究者王寨霞等人初步评价了煤直接液化残渣对道路沥青的改性作用，研究将DCLR作为沥青改性剂使用。然而，国内外很少有研究者将DCLR与RP（橡胶粉）同时作为改性剂加入到沥青中进行改性。因此，本文着重研究DCLR-RP复合改性沥青的各项性能。DCLR-RP复合改性沥青不但可以提高沥青的路用性能，还可以回收利用大量的废旧轮胎制品和工业副产品，为环保和节能做贡献，因此它们高附加值再利用的前景被十分看好。

1 原材料及DCLR-RP复合改性沥青的制备

1.1 基质沥青

本试验所用的基质沥青为70#沥青，满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求，其技术指标如表1所示。

表1 沥青技术指标

1.2 DCLR

DCLR来自榆林煤直接液化厂在煤制油过程中的副产品，如图1所示，其技术指标如表2所示。DCLR在室温下呈固态，是一种非牛顿型假塑性流体，当温度升高时，DCLR逐渐接近牛顿流体。由表2可以看出，DCLR的沥青质含量较高，碳元素的相对质量分数较多，因此DCLR的软化点较高，通常在190 ℃左右。

图1 试验用煤直接液化残渣

1.3 胶粉

图2 试验用胶粉

表4 橡胶粉的分类

本试验采用的橡胶粉为微细胶粉，如图2所示，将胶粉过80目的筛子，表3为试验用胶粉成分分析，表4为胶粉的分类方式。废旧橡胶不能直接加工使用，必须将废橡胶制品粉碎成胶粉，并脱硫使其恢复部分的生胶特性。脱硫的作用不是分离去除橡胶中的硫磺，而是通过高温作用使硫的化橡胶（废旧橡胶制品）发生氧化解聚作用，破坏橡胶分子的大立体网状结构，使其变成小的立体网状结构或链状物，氧化解聚后的橡胶易于与基质沥青互溶，从而达到橡胶改性沥青的目的。橡胶粉改性沥青的主要用途分为2种：一种是用来拌制沥青混合料铺筑上面层，提高路面的路用性能；二是用作应力吸收层，抑制基层裂缝向上反射蔓延。

1.4 试验设备

1.4.1 动态剪切流变仪

本试验所用的动态剪切流变仪设备型号为Bohlin Gemini 2 ADS，如图3所示，其主要功能是进行沥青PG分级、频率扫描、温度扫描、重复蠕变等相关试验。该设备的技术指标为：扭矩范围0.05 µN·m~200 mN·m；扭矩分辨率小于1×10－9N·m；应力模式转速为10－8~600 rad·s－1；应变模式转速1×10－5~600 rad·s－1；角位置分辨率5×10－8rad；应变响应时间小于10 ms；振动频率范围1×10－6~150 Hz；法向力范围0.001~20 N；温控范围5 ℃~90 ℃。

表2 DCLR技术指标

表3 胶粉成分分析

图3 动态剪切流变仪

1.4.2 马歇尔稳定度试验仪

本试验所用的马歇尔稳定度试验仪设备型号为SYD-0709，如图4所示，它是根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的“沥青混合料马歇尔稳定度试验”的规定设计制造的，适用于沥青混合料的马歇尔稳定度试验，能够准确地判断沥青混合料的破坏点，从而进行沥青混合料的配合比设计或沥青路面施工质量检验。该设备的主要技术指标和参数为：最大荷载50 kN，测量范围不大于40 kN，测量误差0.1~0.1 kN，过载保护功能，在荷载值大于39 kN时自动保护；垂直变形（流值）测量范围0~20 mm，测量误差0.05~0.05 mm；压力机上升速度50±5 mm·min－1，电机功率550 W。

图4 马歇尔稳定度试验仪

1.5 制备工艺

以70#沥青作为基质沥青，DCLR和RP作为改性剂，制备DCLR-RP复合改性沥青，具体工艺如下。

（1）方法一：分别将基质沥青、DCLR和RP粉加热到160 ℃、190 ℃和60 ℃；分别以质量比为3790、6787和9784进行共混，并用低速剪切机（2000 r·min－1）将共混物在160 ℃下剪切1.5 h以制备DCLR-RP复合改性沥青。

（2）方法二：首先将基质沥青加热到160 ℃；分别以质量比为3790、6787和9784将称量好的DCLR和RP加入到加热好的基质沥青中进行共混，并用低速剪切机（2000 r·min－1）将共混物在160 ℃下剪切1.5 h以制备DCLR-RP复合改性沥青。

通过研究发现，采用方法一制备DCLR-RP改性沥青，DCLR和RP在基质沥青中分散均匀，DCLR可以很好地与基质沥青互溶，RP可以在基质沥青中溶胀完全，由此法制得的改性沥青的各项性能均优于方法二制得的改性沥青，因此本文选用方法一制备DCLR-RP复合改性沥青。制备完成的DCLR-RP复合改性沥青如图5所示。

图5 制备完成的DCLR-RP复合改性沥青

2 试验结果与分析

2.1 DCLR-RP复合改性沥青的三大指标

研究DCLR-RP的加入对基质沥青性能的影响发现，随着DCLR掺量的增加，DCLR-RP复合改性沥青的针入度下降，软化点升高，延度下降，说明DCLR-RP的加入可以显著改善沥青的高温性能，试验结果如图6所示。由于DCLR-RP中含有大量沥青质，会吸附沥青中的油分，且橡胶粉会在沥青中发生溶胀和溶解作用，改变沥青的胶体结构和组分比例[12]，因此极大地提高了改性沥青的高温性能。采用DCLR-RP复合改性之后，橡胶在沥青中形成网状结构，提升了沥青的塑性；同时，橡胶粉的存在赋予了复合改性沥青更多的弹性和变形能力，提高了其低温性能[13]。

图6 DCLR-RP复合改性沥青三大指标

2.2 DCLR-RP复合改性沥青的高温性能

按照方法一制备DCLR-3-RP-7复合改性沥青，使用动态剪切流变仪（DSR）研究改性沥青的高温性能。基质沥青室温下的试验结果与DCLR-RP复合改性沥青室温下的试验结果如图7所示。

由图7可以看出，DCLR-RP复合改性沥青抗车辙因子大幅度提高，沥青性能得到明显改善。这是由于DCLR中含有大量沥青质，而且会吸附沥青中的油分，改变了沥青的胶体结构和组分比例[14]，DCLR-RP复合改性沥青的高温性能得到增强。

图7 DSR试验结果

2.3 DCLR-RP复合改性沥青混合料的水稳定性

DCLR-RP复合改性沥青混合料配合比设计采用 AC-20型，级配见表5。按照马歇尔试件标准设计方法确定AC-20 沥青混合料的最佳油石比为5.0%。DCLR-RP复合改性沥青混合料的制备采用湿法，以最佳油石比5.0%制作DCLR-RP复合改性沥青混合料马歇尔试件，并进行水稳定性试验。

不同的DCLR和RP添加量对马歇尔试验的各项指标，如密度、马歇尔稳定度、矿料间隙率、流值等，有不同影响。由图8可以看出，对比空白组N，复合改性沥青混合料随着DCLR含量的增加稳定度逐渐增大，流值逐渐减小。试验结果均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求（马歇尔稳定度不小于8 kN，流值在2~4 mm）。

表5 AC-20级配

图8 马歇尔试件的稳定度及流值

3 结语

本文对DCLR-RP复合改性沥青的性能及其混合料的路用性能进行了系统的试验研究，并就DCLR与RP的掺量对改性沥青性能的影响进行了详细分析，得出以下主要结论。

（1）本试验确定了DCLR-RP复合改性沥青的制备工艺，通过工艺一制备得到的改性沥青，DCLR溶解彻底，RP在基质沥青中的溶胀作用也较完全，改性沥青各项性能较好。

（2）通过DSR测试和马歇尔试验等研究，发现DCLR-RP复合改性沥青混合料的高低温性能和水稳定性能基本上达到了规范对于改性沥青的要求。

（3）DCLR和RP用于道路石油沥青的改性，不但为DCLR和RP开辟了一条新的使用途径，而且为沥青改性剂添加了新的种类。

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国家重点基础研究计划（973）项目（2015 C B 655105）；国家自然科学基金项目（51608041）