煤液化殘渣與膠粉復合改性瀝青的制備與性能研究

馮 雷，趙 鵬，秦楊曉

長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061

煤液化殘渣與膠粉復合改性瀝青的制備與性能研究

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

馮 雷，趙 鵬，秦楊曉

長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061

0 引 言

中國城市道路以瀝青路面為主，然而由于瀝青路面的各種病害，使其在建成不久后就被損壞[1]。因此，改善瀝青性能，從而延長瀝青路面的使用壽命，就成為道路工作者必須要完成的重大課題。另一方面，隨著經(jīng)濟的增長，對各種自然資源的消耗越來越多，所以在解決現(xiàn)有路面問題的同時還必須要考慮國內(nèi)的能源結構，做到環(huán)保、節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展。

近些年，中國工業(yè)不斷發(fā)展，各種廢棄物越來越多，造成了一定的環(huán)境污染，如“黑色垃圾”廢舊橡膠和煤直接液化殘渣（DCLR）等。中國的能源特點是煤炭富足、油氣貧乏[2]，因此要完善煤炭資源的開發(fā)和利用，研究煤炭制備油氣技術。煤直接液化技術可以生產(chǎn)汽油、柴油、液化石油氣以及芳香烴等工業(yè)產(chǎn)品，但是會有20%~30%的副產(chǎn)品DCLR[3]，對DCLR的利用程度直接影響煤液化技術的轉(zhuǎn)化效率以及經(jīng)濟性，所以這種副產(chǎn)品備受研究者的關注。同時，國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，汽車保有量逐年增加，每年的廢棄輪胎以20%的速度快速增長[4]，由此產(chǎn)生大量“黑色垃圾”，嚴重影響生態(tài)環(huán)境。據(jù)有關部門測算，目前廢舊輪胎超過2億條，總量約520萬t。因此，從資源再利用和環(huán)境保護的角度出發(fā)，十分有必要對廢舊橡膠和DCLR進行高附加值轉(zhuǎn)化利用[5]。

中國正在大力發(fā)展基礎設施建設，城市快速干道和高速公路也在大量修建，將廢舊輪胎和煤液化殘渣應用于道路建設不僅可以大量消耗這些固體廢棄物，解決環(huán)境污染問題，而且有助于改善瀝青路面的路用性能，節(jié)約建造成本。目前，將廢舊輪胎磨細成橡膠粉應用于道路工程建設得到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關注，國內(nèi)采用廢舊膠粉單獨改性瀝青[6]和煤液化殘渣單獨改性瀝青[7-9]這2種改性材料，對于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性等均起到一定的改善作用。

20世紀60年代，美國學者 Charles McDdonald首次采用濕拌生產(chǎn)工藝生產(chǎn)出了Overf l ex TM橡膠瀝青混合料，隨后，美國、英國、瑞典、法國、比利時、日本、澳大利亞等國家先后開展了橡膠瀝青和橡膠粉瀝青混凝土的應用研究和鋪路試驗，極大地促進了廢舊輪胎橡膠在道路工程中的應用[10-11]。國內(nèi)研究者王寨霞等人初步評價了煤直接液化殘渣對道路瀝青的改性作用，研究將DCLR作為瀝青改性劑使用。然而，國內(nèi)外很少有研究者將DCLR與RP（橡膠粉）同時作為改性劑加入到瀝青中進行改性。因此，本文著重研究DCLR-RP復合改性瀝青的各項性能。DCLR-RP復合改性瀝青不但可以提高瀝青的路用性能，還可以回收利用大量的廢舊輪胎制品和工業(yè)副產(chǎn)品，為環(huán)保和節(jié)能做貢獻，因此它們高附加值再利用的前景被十分看好。

1 原材料及DCLR-RP復合改性瀝青的制備

1.1 基質(zhì)瀝青

本試驗所用的基質(zhì)瀝青為70#瀝青，滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）的要求，其技術指標如表1所示。

表1 瀝青技術指標

1.2 DCLR

DCLR來自榆林煤直接液化廠在煤制油過程中的副產(chǎn)品，如圖1所示，其技術指標如表2所示。DCLR在室溫下呈固態(tài)，是一種非牛頓型假塑性流體，當溫度升高時，DCLR逐漸接近牛頓流體。由表2可以看出，DCLR的瀝青質(zhì)含量較高，碳元素的相對質(zhì)量分數(shù)較多，因此DCLR的軟化點較高，通常在190 ℃左右。

圖1 試驗用煤直接液化殘渣

1.3 膠粉

圖2 試驗用膠粉

表4 橡膠粉的分類

本試驗采用的橡膠粉為微細膠粉，如圖2所示，將膠粉過80目的篩子，表3為試驗用膠粉成分分析，表4為膠粉的分類方式。廢舊橡膠不能直接加工使用，必須將廢橡膠制品粉碎成膠粉，并脫硫使其恢復部分的生膠特性。脫硫的作用不是分離去除橡膠中的硫磺，而是通過高溫作用使硫的化橡膠（廢舊橡膠制品）發(fā)生氧化解聚作用，破壞橡膠分子的大立體網(wǎng)狀結構，使其變成小的立體網(wǎng)狀結構或鏈狀物，氧化解聚后的橡膠易于與基質(zhì)瀝青互溶，從而達到橡膠改性瀝青的目的。橡膠粉改性瀝青的主要用途分為2種：一種是用來拌制瀝青混合料鋪筑上面層，提高路面的路用性能；二是用作應力吸收層，抑制基層裂縫向上反射蔓延。

1.4 試驗設備

1.4.1 動態(tài)剪切流變儀

本試驗所用的動態(tài)剪切流變儀設備型號為Bohlin Gemini 2 ADS，如圖3所示，其主要功能是進行瀝青PG分級、頻率掃描、溫度掃描、重復蠕變等相關試驗。該設備的技術指標為：扭矩范圍0.05 μN·m~200 mN·m；扭矩分辨率小于1×10－9N·m；應力模式轉(zhuǎn)速為10－8~600 rad·s－1；應變模式轉(zhuǎn)速1×10－5~600 rad·s－1；角位置分辨率5×10－8rad；應變響應時間小于10 ms；振動頻率范圍1×10－6~150 Hz；法向力范圍0.001~20 N；溫控范圍5 ℃~90 ℃。

表2 DCLR技術指標

表3 膠粉成分分析

圖3 動態(tài)剪切流變儀

1.4.2 馬歇爾穩(wěn)定度試驗儀

本試驗所用的馬歇爾穩(wěn)定度試驗儀設備型號為SYD-0709，如圖4所示，它是根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）中的“瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗”的規(guī)定設計制造的，適用于瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度試驗，能夠準確地判斷瀝青混合料的破壞點，從而進行瀝青混合料的配合比設計或瀝青路面施工質(zhì)量檢驗。該設備的主要技術指標和參數(shù)為：最大荷載50 kN，測量范圍不大于40 kN，測量誤差0.1~0.1 kN，過載保護功能，在荷載值大于39 kN時自動保護；垂直變形（流值）測量范圍0~20 mm，測量誤差0.05~0.05 mm；壓力機上升速度50±5 mm·min－1，電機功率550 W。

圖4 馬歇爾穩(wěn)定度試驗儀

1.5 制備工藝

以70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，DCLR和RP作為改性劑，制備DCLR-RP復合改性瀝青，具體工藝如下。

（1）方法一：分別將基質(zhì)瀝青、DCLR和RP粉加熱到160 ℃、190 ℃和60 ℃；分別以質(zhì)量比為3790、6787和9784進行共混，并用低速剪切機（2000 r·min－1）將共混物在160 ℃下剪切1.5 h以制備DCLR-RP復合改性瀝青。

（2）方法二：首先將基質(zhì)瀝青加熱到160 ℃；分別以質(zhì)量比為3790、6787和9784將稱量好的DCLR和RP加入到加熱好的基質(zhì)瀝青中進行共混，并用低速剪切機（2000 r·min－1）將共混物在160 ℃下剪切1.5 h以制備DCLR-RP復合改性瀝青。

通過研究發(fā)現(xiàn)，采用方法一制備DCLR-RP改性瀝青，DCLR和RP在基質(zhì)瀝青中分散均勻，DCLR可以很好地與基質(zhì)瀝青互溶，RP可以在基質(zhì)瀝青中溶脹完全，由此法制得的改性瀝青的各項性能均優(yōu)于方法二制得的改性瀝青，因此本文選用方法一制備DCLR-RP復合改性瀝青。制備完成的DCLR-RP復合改性瀝青如圖5所示。

圖5 制備完成的DCLR-RP復合改性瀝青

2 試驗結果與分析

2.1 DCLR-RP復合改性瀝青的三大指標

研究DCLR-RP的加入對基質(zhì)瀝青性能的影響發(fā)現(xiàn)，隨著DCLR摻量的增加，DCLR-RP復合改性瀝青的針入度下降，軟化點升高，延度下降，說明DCLR-RP的加入可以顯著改善瀝青的高溫性能，試驗結果如圖6所示。由于DCLR-RP中含有大量瀝青質(zhì)，會吸附瀝青中的油分，且橡膠粉會在瀝青中發(fā)生溶脹和溶解作用，改變?yōu)r青的膠體結構和組分比例[12]，因此極大地提高了改性瀝青的高溫性能。采用DCLR-RP復合改性之后，橡膠在瀝青中形成網(wǎng)狀結構，提升了瀝青的塑性；同時，橡膠粉的存在賦予了復合改性瀝青更多的彈性和變形能力，提高了其低溫性能[13]。

圖6 DCLR-RP復合改性瀝青三大指標

2.2 DCLR-RP復合改性瀝青的高溫性能

按照方法一制備DCLR-3-RP-7復合改性瀝青，使用動態(tài)剪切流變儀（DSR）研究改性瀝青的高溫性能?；|(zhì)瀝青室溫下的試驗結果與DCLR-RP復合改性瀝青室溫下的試驗結果如圖7所示。

由圖7可以看出，DCLR-RP復合改性瀝青抗車轍因子大幅度提高，瀝青性能得到明顯改善。這是由于DCLR中含有大量瀝青質(zhì)，而且會吸附瀝青中的油分，改變了瀝青的膠體結構和組分比例[14]，DCLR-RP復合改性瀝青的高溫性能得到增強。

圖7 DSR試驗結果

2.3 DCLR-RP復合改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性

DCLR-RP復合改性瀝青混合料配合比設計采用 AC-20型，級配見表5。按照馬歇爾試件標準設計方法確定AC-20 瀝青混合料的最佳油石比為5.0%。DCLR-RP復合改性瀝青混合料的制備采用濕法，以最佳油石比5.0%制作DCLR-RP復合改性瀝青混合料馬歇爾試件，并進行水穩(wěn)定性試驗。

不同的DCLR和RP添加量對馬歇爾試驗的各項指標，如密度、馬歇爾穩(wěn)定度、礦料間隙率、流值等，有不同影響。由圖8可以看出，對比空白組N，復合改性瀝青混合料隨著DCLR含量的增加穩(wěn)定度逐漸增大，流值逐漸減小。試驗結果均符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）的要求（馬歇爾穩(wěn)定度不小于8 kN，流值在2~4 mm）。

表5 AC-20級配

圖8 馬歇爾試件的穩(wěn)定度及流值

3 結語

本文對DCLR-RP復合改性瀝青的性能及其混合料的路用性能進行了系統(tǒng)的試驗研究，并就DCLR與RP的摻量對改性瀝青性能的影響進行了詳細分析，得出以下主要結論。

（1）本試驗確定了DCLR-RP復合改性瀝青的制備工藝，通過工藝一制備得到的改性瀝青，DCLR溶解徹底，RP在基質(zhì)瀝青中的溶脹作用也較完全，改性瀝青各項性能較好。

（2）通過DSR測試和馬歇爾試驗等研究，發(fā)現(xiàn)DCLR-RP復合改性瀝青混合料的高低溫性能和水穩(wěn)定性能基本上達到了規(guī)范對于改性瀝青的要求。

（3）DCLR和RP用于道路石油瀝青的改性，不但為DCLR和RP開辟了一條新的使用途徑，而且為瀝青改性劑添加了新的種類。

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國家重點基礎研究計劃（973）項目（2015 C B 655105）；國家自然科學基金項目（51608041）