液體改性低溫煤瀝青透層油性能研究

苗英豪， 黃尚洪， 王蘇娣， 汪林兵

(1.北京工業(yè)大學(xué) 城市交通學(xué)院， 北京市 100124； 2.北京科技大學(xué) 國家材料服役安全科學(xué)中心)

中國煤炭資源豐富，煤化工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品和能源產(chǎn)品，可部分替代石油化工產(chǎn)品，彌補(bǔ)中國石油資源的不足。然而煤化工業(yè)的許多廢棄物也帶來不小的環(huán)境壓力，煤焦油渣就是其中之一。目前煤焦油渣大多靠焚燒處理，少數(shù)用于配煤煉焦，并沒有得到充分的利用。煤焦油渣中10%～40%為可利用的低溫煤瀝青，加工制備道路用煤瀝青是重要的資源化利用途徑。相對于石油瀝青，煤瀝青在路用性能方面存在一些短板，同時(shí)高溫條件下，煤瀝青中有毒及致癌物質(zhì)易于揮發(fā)，造成環(huán)境污染，損害操作人員健康，這些問題限制了煤瀝青的廣泛應(yīng)用。針對煤瀝青應(yīng)用中存在的問題，研究人員通過改性、與石油瀝青共混等方法，制備出了可用于道路瀝青路面的煤瀝青，同時(shí)開發(fā)了煤瀝青脫毒技術(shù)，以減小對施工人員的傷害；另一方面，煤瀝青具有滲透性強(qiáng)的特性，在透層油方面具有一定優(yōu)勢。由于煤瀝青的性能受到煤源、煤化工工藝等多種因素的影響，不同來源的煤瀝青存在較大的差異，仍需進(jìn)一步研究。

該文以神華蒙西第二焦化廠煤焦油渣制備的改性低溫煤瀝青為基礎(chǔ)，以煤油為稀釋劑，探討改性低溫煤瀝青的溶解利用率，并制備液體改性低溫煤瀝青。進(jìn)而利用滲透試驗(yàn)、層間拉拔試驗(yàn)等方法，考察液體改性低溫煤瀝青在水泥穩(wěn)定碎石基層上的滲透和層間結(jié)合性能，分析液體改性低溫煤瀝青作為半剛性基層透層油的可行性。

1 材料制備方法

1.1 改性低溫煤瀝青的制備

采用煤焦油渣為原料，經(jīng)脫水、過濾得到低溫煤瀝青。進(jìn)而進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)改性，并添加氯丁橡膠(CR)進(jìn)行物理改性。具體改性工藝如表1所示，改性后煤瀝青技術(shù)指標(biāo)列于表2。

表1 煤瀝青改性工藝

表2 改性低溫煤瀝青性能指標(biāo)

1.2 透層油的制備

以改性低溫煤瀝青為基礎(chǔ)，選用煤油為稀釋劑，常溫下在定量煤油中按比例加入110～120 ℃的改性低溫煤瀝青，普通攪拌20 min，之后剪切機(jī)攪拌5 min，100目篩過濾后得到液體改性低溫煤瀝青透層油。

2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)方案

為了分析氯丁橡膠(CR)摻加比例以及煤油稀釋比例對透層油性能的影響，研究采用0%、0.25%、0.5%、0.75%和1%共5種不同氯丁橡膠(CR)摻量，分別制備改性低溫煤瀝青，并考慮2∶10、3∶10和4∶10共3種煤油與改性低溫煤瀝青的稀釋比例，制備液體改性低溫煤瀝青透層油。利用各種因素組合下制備的液體改性低溫煤瀝青透層油，分別開展溶解利用率試驗(yàn)、滲透性能試驗(yàn)和層間拉拔試驗(yàn)，以評價(jià)液體改性低溫煤瀝青透層油以及氯丁橡膠(CR)摻加比例和煤油稀釋比例的影響。

為了研究透層油灑布量與滲透深度、層間結(jié)合性能的關(guān)系，以0.5%氯丁橡膠摻量的改性低溫煤瀝青為基礎(chǔ)，選用煤油與瀝青稀釋比例為2∶10，制備液體改性低溫煤瀝青透層油。使用多種灑布量，分別進(jìn)行了滲透性能試驗(yàn)和層間拉拔試驗(yàn)的對比分析。

為了驗(yàn)證該文制備的改性低溫煤瀝青透層油的性能，選擇了常用的液體石油瀝青和乳化石油瀝青透層油進(jìn)行對比試驗(yàn)。對比試驗(yàn)使用的液體石油瀝青，采用軟化點(diǎn)53.1 ℃的90#石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，以給定的煤油與瀝青稀釋比例進(jìn)行稀釋，其中滲透性能對比試驗(yàn)采用的煤油與瀝青的比例為1∶1，層間拉拔性能對比試驗(yàn)采用了3個(gè)比例，分別為4∶6、5∶5和6∶4。制備時(shí)將基質(zhì)瀝青加熱至80 ℃后加入到煤油中，物理混合攪拌均勻。對比試驗(yàn)使用的乳化石油瀝青，采用90#石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，選用陰離子乳化劑kzw-803Y，水與瀝青的比例為1∶1，乳化劑添加比例為水和瀝青總重的1%。制備時(shí)在80 ℃將水、瀝青和乳化劑混合，利用剪切攪拌乳化機(jī)，在6 000 r/min下攪拌10 min。

2.2 改性低溫煤瀝青的溶解利用率試驗(yàn)方法

稱取定量的改性低溫煤瀝青，按照給定的稀釋比例，與煤油混合稀釋，冷卻至室溫，經(jīng)100目篩過濾后，稱取殘?jiān)馁|(zhì)量，減少的重量即為可以被煤油溶解利用的部分。溶解利用率可按式(1)計(jì)算:

(1)

式中:Ar為溶解利用率；mt為改性低溫煤瀝青總質(zhì)量；mr為殘?jiān)|(zhì)量。

2.3 滲透性能試驗(yàn)方法

以水泥穩(wěn)定碎石為滲透試驗(yàn)半剛性基層材料，材料級配如表3所示，利用靜壓成型方法制作100 mm×100 mm圓柱形試件。在試件成型1 d后噴灑透層油，透層油灑布3 d后，觀察試件表面，并將試件豎向切開，按圖1所示3個(gè)測點(diǎn)，量測每個(gè)試件透層油滲透深度，其中包括煤油滲透深度和瀝青滲入深度2個(gè)指標(biāo)。測量滲透深度時(shí)只量取表面形成油膜的試件，以平均值進(jìn)行比較分析。

表3 水泥穩(wěn)定碎石級配

圖1 測點(diǎn)示意圖

2.4 層間拉拔試驗(yàn)

層間結(jié)合性能采用拉拔試驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)，試驗(yàn)儀器為交通部科學(xué)研究院自主研發(fā)的公路工程橋面鋪裝用防水涂料黏結(jié)強(qiáng)度測試儀。首先成型水泥穩(wěn)定碎石試件，試件直徑150 mm，高80 mm。養(yǎng)生1 d后頂面噴灑透層油，并繼續(xù)養(yǎng)生至7 d。將水泥穩(wěn)定碎石試件裝入試模，利用靜壓法在試件上方成型40 mm厚的瀝青混合料試件。試驗(yàn)中水泥穩(wěn)定碎石使用與滲透試驗(yàn)相同的材料，瀝青混合料選用AC-13I型熱拌瀝青混合料，瀝青混合料所用瀝青為蘭煉90#基質(zhì)瀝青。同一試驗(yàn)條件下，制作3個(gè)拉拔試驗(yàn)試件，以平均值進(jìn)行比較分析。

3 改性低溫煤瀝青溶解利用率

圖2為氯丁橡膠(CR)摻量和稀釋比例對改性低溫煤瀝青溶解利用率Ar的影響。由圖2可以看出:① 煤油的比例越高，改性低溫煤瀝青的溶解利用率越高，試驗(yàn)中最高利用率為35.4%。其原因主要是煤油本身對煤瀝青中的輕質(zhì)組分具有溶解稀釋作用，但同時(shí)煤瀝青中含有煤粉以及膠粉等固體不溶物，煤油會在稀釋過程中吸收煤瀝青中的小分子油分、膠質(zhì)以及大部分的瀝青質(zhì)，最終剩下黏性較低的大顆粒物質(zhì)，在100 ℃左右發(fā)生裂解縮合反應(yīng)，最終至室溫下形成沉淀；② 隨著氯丁橡膠(CR)摻量的增加，改性低溫煤瀝青的溶解利用率顯著提高。氯丁橡膠在溶脹過程中由于極性相似相容，橡膠纖維長鏈溶脹分離后會在小范圍內(nèi)與煤油形成膠體，從而貯藏在煤粉和膠粉等大分子顆粒中的小分子α、β樹脂以及煤油的榨取比例相應(yīng)升高，提高了煤瀝青的利用率。

圖2 氯丁橡膠摻量及稀釋比例對溶解利用率的影響

4 液體改性低溫煤瀝青滲透性能

滲透試驗(yàn)后切開水泥穩(wěn)定碎石試件，觀察切面上透層油的滲透情況，可以清晰區(qū)分出土黃色部分和黑色部分，土黃色部分為煤油滲透區(qū)域，黑色部分為瀝青滲透區(qū)域。瀝青的滲透深度是該文關(guān)注的重點(diǎn)，圖3為氯丁橡膠(CR)摻量及煤油稀釋比例對瀝青滲透深度的影響，對應(yīng)的透層油灑布量均為1 L/m2。

圖3 氯丁橡膠摻入量和煤油稀釋比例對滲透深度的影響

從圖3可以看出：① 當(dāng)氯丁橡膠摻入量小于等于0.25%時(shí)，煤油∶瀝青為3∶10時(shí)滲透深度較其他稀釋比例大。當(dāng)氯丁橡膠的摻入量超過0.25%時(shí)，煤油∶瀝青為2∶10時(shí)滲透深度較其他稀釋比例大。表明增大煤油稀釋比例并不能提高改性低溫煤瀝青的滲透深度；② 無論何種稀釋比例，在氯丁橡膠(CR)摻量為0.5%時(shí)滲透深度均出現(xiàn)極值。煤油∶瀝青為2∶10，氯丁橡膠(CR)摻量為0.5%時(shí)，滲透深度最大，達(dá)到8 mm，完全符合JTG F40-2 004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對透層油滲透深度達(dá)5 mm的要求。

圖4為0.5%氯丁橡膠(CR)摻量、稀釋比例為2∶10的透層油在不同灑布量時(shí)對應(yīng)的滲透深度。

圖4 不同的透層油灑布量的滲透深度

由圖4可以看出：滲透深度隨透層油灑布量的增加顯著增大。當(dāng)灑布量達(dá)到0.8 L/m2時(shí)，滲透深度已能滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中滲透深度達(dá)到5 mm的要求。圖5對比了3種不同透層油的滲透深度(灑布量均為1 L/m2)。

圖5 不同種類透層油的滲透深度值比較

由圖5可以看出：液體改性低溫煤瀝青透層油的滲透性能與實(shí)踐中常用的乳化石油瀝青和液體石油瀝青基本相同。

5 層間結(jié)合性能

氯丁橡膠(CR)摻量對層間拉拔力的影響如圖6所示。

由圖6可以看出：當(dāng)氯丁橡膠(CR)摻量從0%變化至0.25%，最大拉拔力急劇升高，即層間結(jié)合性能隨之增強(qiáng)。繼續(xù)增大氯丁橡膠(CR)摻量，最大拉拔力基本不變。這種現(xiàn)象可能是氯丁橡膠在瀝青基體中的溶解度有限造成的。氯丁橡膠(CR)溶解后增大了瀝青油分的黏度，最大拉拔力隨之增大。當(dāng)摻入量超過0.25%之后，增加的氯丁橡膠并未溶解，不能進(jìn)一步增大油分的黏度，因此繼續(xù)增加氯丁橡膠(CR)摻量，沒有帶來最大拉拔力的增大。

圖6 氯丁橡膠摻量對最大拉拔力的影響

煤油與改性低溫煤瀝青的比例對層間拉拔力的影響如圖7所示。

圖7 稀釋度對最大拉拔力的影響

由圖7可以看出：稀釋比例對最大拉拔力的影響較大。隨著稀釋程度的增加，拉拔力急劇減小。這主要是實(shí)際瀝青用量隨之減小的結(jié)果。當(dāng)灑布量一定時(shí)，采用煤油比例高的透層油，實(shí)際瀝青用量就會減少，從而影響了層間結(jié)合。單純從層間結(jié)合的角度出發(fā)，煤油與改性低溫煤瀝青的比例越小越好。但稀釋比例還會影響到改性低溫煤瀝青的溶解利用率，煤油加入量越低，改性低溫煤瀝青的利用率也就越低，不能得到最大限度的利用。因此，還需綜合考慮，根據(jù)實(shí)際情況選擇綜合最優(yōu)的稀釋比例。

圖8為0.5%氯丁橡膠(CR)摻量、稀釋比例為2∶10的透層油在不同灑布量時(shí)最大拉拔力的變化情況。

由圖8可以看出：最大拉拔力隨灑布量的增加先增加后減小，在灑布量為1.1 kg/m2時(shí)達(dá)到最大值1 340 N。經(jīng)二次拋物線擬合發(fā)現(xiàn)，最大層間拉拔力對應(yīng)的灑布量為1.12 kg/m2。

圖8 灑布量對最大拉拔力的影響

圖9對比了3種不同透層油對應(yīng)的最大拉拔力(灑布量均為1.1 kg/m2)。

圖9 不同種類透層油最大拉拔力對比

由圖9可以看出：液體改性低溫煤瀝青透層油具有較大的優(yōu)勢，達(dá)1 340 N。由于JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》并沒有關(guān)于透層油層間結(jié)合力的具體要求，煤油與瀝青比例為5∶5的液體石油瀝青是實(shí)踐中常用的透層油。該文研發(fā)的液體改性低溫煤瀝青透層油的層間結(jié)合力可以達(dá)到液體石油瀝青的水平，因此可以認(rèn)為，該文研發(fā)的改性低溫煤瀝青透層油在層間結(jié)合力方面可以達(dá)到路用要求。

6 結(jié)論

(1) 在改性低溫煤瀝青液化利用率方面，提高改性過程中氯丁橡膠(CR)的摻加量，或提高煤油的比例，可以提高稀釋過程中改性低溫煤瀝青的溶解利用率，但這些因素也會影響到液體低溫煤瀝青透層油的滲透性能和層間結(jié)合性能，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮。

(2) 在滲透性能方面，氯丁橡膠(CR)的摻加量、煤油與瀝青的比例、透層油灑布量等因素，均對液體改性低溫煤瀝青透層油的滲透性能有顯著影響。在氯丁橡膠(CR)摻量0.5%、煤油與瀝青的比例為2∶10、灑布量為1 L/m2時(shí)，改性低溫煤瀝青透層油的滲透深度可達(dá)8 mm，符合相關(guān)規(guī)范要求。對比試驗(yàn)也表明，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)配，改性低溫煤瀝青透層油可以達(dá)到與乳化石油瀝青、液體石油瀝青相當(dāng)?shù)臐B透性能。

(3) 在層間結(jié)合性能方面，氯丁橡膠(CR)的加入，可有效改善層間結(jié)合性能，但摻量超過0.25%后，改善效果將不再增加。隨著煤油比例的增加，層間結(jié)合性能顯著下降。在氯丁橡膠(CR)摻量為0.5%、煤油與瀝青的比例為2∶10、灑布量為1.1 kg/m2時(shí)，可獲得良好的層間結(jié)合性能。與液體石油瀝青的對比表明：液體改性低溫煤瀝青透層油在層間結(jié)合性能方面具有較大優(yōu)勢。