改性路用煤沥青及其混合料性能研究

刘哲 刘鹏飞（山西省交通科学研究院新型道路材料国家地方联合工程实验室，山西太原 030006）

改性路用煤沥青及其混合料性能研究

刘哲 刘鹏飞
（山西省交通科学研究院新型道路材料国家地方联合工程实验室，山西太原 030006）

采用自制的复合改性剂对中温煤焦油沥青进行改性，制备了新型道路改性煤沥青。对沥青三大指标的测试结果表明，新型的改性煤沥青软化点、针入度以及延度均达到或超过了《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中C级70#基质石油沥青的指标；此外，采用紫外分光光度计分析了改性前后煤沥青中苯并芘的含量，改性剂的加入可明显降低苯并芘的含量；为了进一步验证改性沥青的路用性能，采用AC-20级配，对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性进行了测试分析，试验发现：改性后沥青及混合料基本性能达到石油沥青标准，可作为筑路胶黏剂使用。

煤沥青 改性剂 路用性能 苯并芘

我国是煤炭资源大国，2011年煤产量高达35.2亿吨，位居世界首位。煤焦油的产量也随着煤炭产量的增加而增加，在煤焦油蒸馏产物中，煤沥青的产率约占50-60%，其年产量达到了1000万吨。这其中，除少量用作电极材料、防水材料等外，有很大一部分被当作燃料烧掉，造成资源浪费、环境污染［1-3］。随着煤化工市场的不断扩大，下游行业市场不景气，煤沥青需求量降低，出现了产能过剩的现象。煤焦油沥青的资源化利用在全国范围内都显得十分迫切。

在公路行业，煤沥青具有良好的润湿、粘附和抗油侵蚀性能，且煤焦油沥青混合料路面摩擦系数大，行车安全系数高，如果作为筑路胶黏剂使用，拥有巨大的优势。此外，煤焦油沥青还具有比石油沥青更低的拌和温度（100～120℃），方便施工、节约能源。因此，研究煤焦油沥青改性，并利用改性技术生产高等级筑路胶黏剂，用于补充或部分替代道路石油沥青，不仅解决了上述问题，而且由于煤焦油沥青产量大、价格低，还降低了筑路养路成本，具有重大的社会意义和经济价值。

但是，传统煤焦油沥青应用于道路工程建设存在低温质脆、延展性差、粘韧性差、低沸点易挥发组分多的问题，针对这些问题，必须进行改性，才能满足道路工程建设的要求。

本研究用自主研制的复合改性剂对煤沥青进行改性，得到了一种新型筑路用煤沥青，研究了改性煤沥青及其混合料的基本性能，并与70#基质石油沥青的性能进行了对比。结果表明，该改性煤沥青及其混合料基本性能达到或超过了70#基质石油沥青，可作为筑路胶黏剂进行实际应用。

1　实验部分

1.1仪器及设备

主要设备为沥青及其混合料性能测试仪器，见表1和表2。

1.2试验原料及试验方法

1.2.1试验原料

中温煤沥青（北京旭阳化工技术研究院有限公司）、自主制备的纳米材料、表面活性剂、高聚物改性剂、石灰岩集料。

1.2.2改性煤沥青制备工艺

纳米材料经过表面活性剂改性得到纳米改性剂，在煤沥青中加入纳米改性剂、高聚物改性剂进行高速剪切搅拌，经过一定时间后，得到改性煤沥青。（本实验中采用改性剂用量为15%）

1.2.3试验方法

首先，对制备的新型道路用沥青进行基本性能测试，包括软化点、针入度以及延度。分别采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E-20-2011 中指定的方法T0606-2011、T0604-2011、T0605-2011。

采用AC-20级配，进行混合料车辙试验、混合料弯曲蠕变试验以及混合料冻融劈裂试验分别采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E-20-2011 中指定的方法T0719-2011、T0728-2011 及T0729-2011。

表1　沥青性能测试仪器

表2　沥青混合料性能测试仪器

2　结果与讨论

表3　中温煤沥青与改性沥青性能对比

2.1改性煤沥青基本性能

首先对中温煤沥青以及改性沥青三大指标进行了测试，并与《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中C级70#基质石油沥青进行对比。结果如表3所示。

表4　车辙试验结果

表5　低温小梁弯曲试验结果

表6　改性煤沥青混合料冻融劈裂试验结果

图1　苯并芘标准曲线

图2　苯并芘含量随改性剂添加量的变化趋势

软化点在某种意义上可反映路面发软变形的程度，因其测试方法简便且比较直观，所以常用来表征沥青的高温性能及温度稳定性。一般来说，沥青软化点不能太高或太低，否则夏季易融化，冬季脆裂且施工困难。从表中可见，中温煤沥青软化点为73.5℃，这说明未经改性时，煤沥青施工性能差，而改性沥青软化点大幅下降为45℃，符合C级70#石油沥青的标准；纳米改性剂具有高比表面积、吸附性能强，在煤沥青中形成新的界面，升温时容易发生变化，降低了煤沥青粘度，使其软化点大幅下降。

公路沥青路面施工技术规范中，针入度和低温延度通常用来评价沥青的低温性能。针入度是沥青稠度和硬度的一种反映，针入度越高，沥青硬度越小，可塑性及延展性越强。延度亦反映路面受到外力作用下发生变形而不被破坏的能力，常被用来表征沥青的低温抗裂性能。采用25℃针入度和10℃延度来表征沥青的低温性能。对于中温煤沥来说，25℃针入度以及10℃延度难以测得数值，由于质脆且硬，试验样品脆断；而沥青的针入度和延度是沥青低温性能的评价指标，因此，未改性的煤沥青低温性能差，不具备作为筑路胶黏剂的条件；经过改性后，沥青25℃针入度以及10℃延度分别为65mm和大于100cm，已经达到C级70#基质沥青的标准，可作为筑路胶黏剂使用。高聚物改性剂的加入，增加了体系中长链高分子的含量，使体系柔性增加，提升了体系低温性能。

2.2改性沥青混合料试验

选用油石比4.6%，测试了沥青混合料的高温、低温以及抗水损性能。

2.2.1改性沥青高温性能

沥青混合料的高温稳定性是指在高温条件下保持原有强度和刚度等性能的能力。在夏季高温下，沥青混合料由于沥青粘度降低而软化，致使路面在车轮荷载作用下产生永久变形，路面出现泛油、拥包、推挤、车辙，影响行车舒适和安全。我们测试了改性煤沥青混合料的车辙动稳定度，表征改性煤沥青混合料的高温稳定性。结果如表4所示。

从车辙试验结果看，改性煤沥青车辙动稳定度平均值达到1511 次/mm，超过了石油沥青混合料的规范要求。上述结果都说明经过合理配合比设计后的改性煤沥青混合料有较好的高温强度和抵抗变形的能力，符合规范对沥青混合料性能的要求。

2.2.2混合料低温抗裂性评价

在冬季气温骤然降低，温度应力增长的速度远大于沥青混合料的应力松弛，同时劲度急剧增大，超过混合料的极限拉伸应变，路面就会产生裂痕。沥青混合料的低温性能不仅取决于沥青的性能，混合料的级配对其也有很大影响。我们选用最佳油石比，测试改性煤沥青混合料的低温小梁弯曲来评价沥青混合料的低温抗裂性能。表5结果表明，改性沥青在低温小梁弯曲试验后，破坏应变达到2445 με，高于规范中大于等于2300的要求。

2.2.3水稳定性

沥青路面的水稳定性即路面水损害破坏，是指水由沥青路面空隙和裂缝进入沥青路面内部，在车轮的动态载荷产生动水压的反复作用下，水分逐渐渗入沥青和矿料界面，使沥青粘附性降低，致使最终沥青从矿料表面剥离，从而沥青混合料掉粒，松散，使沥青路面结构的整体性能发生破坏。本文采用冻融劈裂强度来评价沥青混合料的水稳定性能。表6结果显示，改性煤沥青冻融劈裂强度比大于规范要求的70%，表明其水稳定性达到路用沥青使用要求。

2.3改性煤沥青中苯并芘含量测定

苯并芘是高致癌物质，对人体及环境有很大的危害，煤沥青中含有大量苯并芘，制约了其在路面铺筑中的应用［4-7］。本论文采用紫外分光光度计的标准曲线法，测试了煤沥青中苯并芘的含量，分别添加改性剂量为5%、10%、15%、20%。测试结果如图所示。图1是苯并芘的标准曲线；图2是添加不同量改性剂时，煤沥青中苯并芘的含

············

量。

从图1和图2中结果可见，未添加改性剂时，煤沥青中苯并芘含量为1.92%，而加入改性剂后，苯并芘含量明显下降，且随着改性剂添加量增加不断降低。在添加量为15%时，苯并芘含量为1.65%；而20%时，下降趋势有所缓解，为1.62%，此时，我们对添加20%改性剂的煤沥青进行了三大指标测试，结果表明，改性煤沥青的三大指标已经不能满足路用性能的要求。因此，本实验确定最佳改性剂用量为15%。苯并芘含量的降低可能是由于改性剂中的聚合物与苯并芘等发生了部分反应，生产其他物质；另一部分原因应该是其中纳米粒子对苯并芘产生部分吸附作用，将苯并芘分子固定。

3　结语

采用自主合成的改性剂，对中温煤焦油沥青进行了改性，得到的改性煤沥青，软化点、针入度、延度等基础指标达到或超过了70#基质石油沥青的指标要求；采用AC-20级配测试了其混合料性能，结果表明，混合料高温、低温以及水稳定性都满足规范中对沥青混合料的基本要求，可作为道路沥青使用。采用紫外分光光度计标准曲线法分析了改性煤沥青中苯并芘的含量变化，分析结果说明，加入改性剂后，煤沥青中苯并芘含量得到了大幅降低。

致谢：本论文是由交通运输部建设科技项目“可替代道路石油沥青的新型煤沥青开发及应用”（项目编号：2015 318 771 220）资助完成。

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刘哲（1986—），男，山西大同人，工程师，工学博士，2014年毕业于大连理工大学高分子材料专业，现从事新型路面材料研究开发工作；刘鹏飞（1986—），男，山西朔州人，工程师，工学学士，2010年毕业于北京化工大学化学工程与工艺专业，现从事新型路面材料研究开发工作。