煤液化殘?jiān)c膠粉復(fù)合改性瀝青的制備與性能研究

馮 雷，趙 鵬，秦楊曉

長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061

煤液化殘?jiān)c膠粉復(fù)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(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710061

0 引 言

中國(guó)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(zhǎng)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(jì)的增長(zhǎng)，對(duì)各種自然資源的消耗越來(lái)越多，所以在解決現(xiàn)有路面問(wèn)題的同時(shí)還必須要考慮國(guó)內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)，做到環(huán)保、節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展。

近些年，中國(guó)工業(yè)不斷發(fā)展，各種廢棄物越來(lái)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?jiān)―CLR）等。中國(guó)的能源特點(diǎn)是煤炭富足、油氣貧乏[2]，因此要完善煤炭資源的開(kāi)發(fā)和利用，研究煤炭制備油氣技術(shù)。煤直接液化技術(shù)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(huì)有20%~30%的副產(chǎn)品DCLR[3]，對(duì)DCLR的利用程度直接影響煤液化技術(shù)的轉(zhuǎn)化效率以及經(jīng)濟(jì)性，所以這種副產(chǎn)品備受研究者的關(guān)注。同時(shí)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，汽車(chē)保有量逐年增加，每年的廢棄輪胎以20%的速度快速增長(zhǎng)[4]，由此產(chǎn)生大量“黑色垃圾”，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境。據(jù)有關(guān)部門(mén)測(cè)算，目前廢舊輪胎超過(guò)2億條，總量約520萬(wàn)t。因此，從資源再利用和環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，十分有必要對(duì)廢舊橡膠和DCLR進(jìn)行高附加值轉(zhuǎn)化利用[5]。

中國(guó)正在大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，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?jiān)鼞?yīng)用于道路建設(shè)不僅可以大量消耗這些固體廢棄物，解決環(huán)境污染問(wèn)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(xì)成橡膠粉應(yīng)用于道路工程建設(shè)得到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)采用廢舊膠粉單獨(dú)改性瀝青[6]和煤液化殘?jiān)鼏为?dú)改性瀝青[7-9]這2種改性材料，對(duì)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(jì)60年代，美國(guó)學(xué)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(guó)、英國(guó)、瑞典、法國(guó)、比利時(shí)、日本、澳大利亞等國(guó)家先后開(kāi)展了橡膠瀝青和橡膠粉瀝青混凝土的應(yīng)用研究和鋪路試驗(yàn)，極大地促進(jìn)了廢舊輪胎橡膠在道路工程中的應(yīng)用[10-11]。國(guó)內(nèi)研究者王寨霞等人初步評(píng)價(jià)了煤直接液化殘?jiān)鼘?duì)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(guó)內(nèi)外很少有研究者將DCLR與RP（橡膠粉）同時(shí)作為改性劑加入到瀝青中進(jìn)行改性。因此，本文著重研究DCLR-RP復(fù)合改性瀝青的各項(xiàng)性能。DCLR-RP復(fù)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(xiàn)，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(fù)合改性瀝青的制備

1.1 基質(zhì)瀝青

本試驗(yàn)所用的基質(zhì)瀝青為70#瀝青，滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的要求，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 DCLR

DCLR來(lái)自榆林煤直接液化廠在煤制油過(guò)程中的副產(chǎn)品，如圖1所示，其技術(shù)指標(biāo)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(dāng)溫度升高時(shí)，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(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較多，因此DCLR的軟化點(diǎn)較高，通常在190 ℃左右。

圖1 試驗(yàn)用煤直接液化殘?jiān)?/p>

1.3 膠粉

圖2 試驗(yàn)用膠粉

表4 橡膠粉的分類(lèi)

本試驗(yàn)采用的橡膠粉為微細(xì)膠粉，如圖2所示，將膠粉過(guò)80目的篩子，表3為試驗(yàn)用膠粉成分分析，表4為膠粉的分類(lèi)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(fù)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(guò)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(jié)構(gòu)，使其變成小的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(dá)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(lái)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(yīng)力吸收層，抑制基層裂縫向上反射蔓延。

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

1.4.1 動(dòng)態(tài)剪切流變儀

本試驗(yàn)所用的動(dòng)態(tài)剪切流變儀設(shè)備型號(hào)為Bohlin Gemini 2 ADS，如圖3所示，其主要功能是進(jìn)行瀝青PG分級(jí)、頻率掃描、溫度掃描、重復(fù)蠕變等相關(guān)試驗(yàn)。該設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)為：扭矩范圍0.05 μN(yùn)·m~200 mN·m；扭矩分辨率小于1×10－9N·m；應(yīng)力模式轉(zhuǎn)速為10－8~600 rad·s－1；應(yīng)變模式轉(zhuǎn)速1×10－5~600 rad·s－1；角位置分辨率5×10－8rad；應(yīng)變響應(yīng)時(shí)間小于10 ms；振動(dòng)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(shù)指標(biāo)

表3 膠粉成分分析

圖3 動(dòng)態(tài)剪切流變儀

1.4.2 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)儀

本試驗(yàn)所用的馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)儀設(shè)備型號(hào)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(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中的“瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)”的規(guī)定設(shè)計(jì)制造的，適用于瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，能夠準(zhǔn)確地判斷瀝青混合料的破壞點(diǎn)，從而進(jìn)行瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)或?yàn)r青路面施工質(zhì)量檢驗(yàn)。該設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)為：最大荷載50 kN，測(cè)量范圍不大于40 kN，測(cè)量誤差0.1~0.1 kN，過(guò)載保護(hù)功能，在荷載值大于39 kN時(shí)自動(dòng)保護(hù)；垂直變形（流值）測(cè)量范圍0~20 mm，測(cè)量誤差0.05~0.05 mm；壓力機(jī)上升速度50±5 mm·min－1，電機(jī)功率550 W。

圖4 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)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(fù)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(jìn)行共混，并用低速剪切機(jī)（2000 r·min－1）將共混物在160 ℃下剪切1.5 h以制備DCLR-RP復(fù)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(chēng)量好的DCLR和RP加入到加熱好的基質(zhì)瀝青中進(jìn)行共混，并用低速剪切機(jī)（2000 r·min－1）將共混物在160 ℃下剪切1.5 h以制備DCLR-RP復(fù)合改性瀝青。

通過(guò)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(xiàng)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(fù)合改性瀝青。制備完成的DCLR-RP復(fù)合改性瀝青如圖5所示。

圖5 制備完成的DCLR-RP復(fù)合改性瀝青

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 DCLR-RP復(fù)合改性瀝青的三大指標(biāo)

研究DCLR-RP的加入對(duì)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(fù)合改性瀝青的針入度下降，軟化點(diǎn)升高，延度下降，說(shuō)明DCLR-RP的加入可以顯著改善瀝青的高溫性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由于DCLR-RP中含有大量瀝青質(zhì)，會(huì)吸附瀝青中的油分，且橡膠粉會(huì)在瀝青中發(fā)生溶脹和溶解作用，改變?yōu)r青的膠體結(jié)構(gòu)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(fù)合改性之后，橡膠在瀝青中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提升了瀝青的塑性；同時(shí)，橡膠粉的存在賦予了復(fù)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(fù)合改性瀝青三大指標(biāo)

2.2 DCLR-RP復(fù)合改性瀝青的高溫性能

按照方法一制備DCLR-3-RP-7復(fù)合改性瀝青，使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）研究改性瀝青的高溫性能。基質(zhì)瀝青室溫下的試驗(yàn)結(jié)果與DCLR-RP復(fù)合改性瀝青室溫下的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，DCLR-RP復(fù)合改性瀝青抗車(chē)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(huì)吸附瀝青中的油分，改變了瀝青的膠體結(jié)構(gòu)和組分比例[14]，DCLR-RP復(fù)合改性瀝青的高溫性能得到增強(qiáng)。

圖7 DSR試驗(yàn)結(jié)果

2.3 DCLR-RP復(fù)合改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性

DCLR-RP復(fù)合改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)采用 AC-20型，級(jí)配見(jiàn)表5。按照馬歇爾試件標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法確定AC-20 瀝青混合料的最佳油石比為5.0%。DCLR-RP復(fù)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(fù)合改性瀝青混合料馬歇爾試件，并進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)。

不同的DCLR和RP添加量對(duì)馬歇爾試驗(yàn)的各項(xiàng)指標(biāo)，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(duì)比空白組N，復(fù)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(yàn)結(jié)果均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)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(jí)配

圖8 馬歇爾試件的穩(wěn)定度及流值

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)DCLR-RP復(fù)合改性瀝青的性能及其混合料的路用性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，并就DCLR與RP的摻量對(duì)改性瀝青性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出以下主要結(jié)論。

（1）本試驗(yàn)確定了DCLR-RP復(fù)合改性瀝青的制備工藝，通過(guò)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(xiàng)性能較好。

（2）通過(guò)DSR測(cè)試和馬歇爾試驗(yàn)等研究，發(fā)現(xiàn)DCLR-RP復(fù)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(dá)到了規(guī)范對(duì)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(kāi)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(lèi)。

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國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2015 C B 655105）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51608041）