煤液化残渣在道路沥青混凝土中的应用研究

2016-03-12赵鹏冯雷刘盖刘亮

筑路机械与施工机械化 2016年2期

赵鹏+冯雷+刘盖+刘亮

摘要：为了高效利用煤液化残渣，采用扫描电镜（SEM）研究煤液化残渣的结构特点，并利用煤液化残渣替代道路沥青混凝土中的沥青，按沥青用量的15%、20%和25%分别进行取代，研究了以湿法配混工艺在160 ℃下制备的煤液化残渣改性沥青混合料的路用性能，分别进行了马歇尔试验、高温性能试验、水稳定性试验、低温性能试验。结果表明：煤液化残渣的取代量为20%时，煤液化残渣改性沥青混合料的各项路用性能技术指标均符合要求，且煤液化残渣的利用率提高，实体工程使用效果良好。

关键词：沥青；煤液化残渣；利用率；路用性能

中图分类号：U414.03文献标志码：B

Abstract： In order to improve the utilization of coal liquefaction residue， the structure of coal liquefaction residue was analyzed by SEM， and the asphalt was replaced by coal liquefaction residue in asphalt concrete with percentages of 15wt%， 20wt% and 25wt%. The pavement performance of modified asphalt made by wet mixing process under 160℃ was studied. Marshall test， high temperature performance test， water stability test and low temperature performance test were carried out. The results show that the performance of 20wt% substitution meets the technical requirement， meanwhile the utilization of coal liquefaction residue is improved， and the field testing project has good performance.

Key words： asphalt； coal liquefaction residue； utilization； pavement performance

0引言

利用煤直接液化技术生产液体燃料油，是解决石油短缺的重要途径之一。工业发达的国家大多数将煤炭液化技术作为重要的能源储备技术[1]。在煤直接液化生产过程中产生约为原煤质量20%～30%的高灰、高碳重质产物，这些重质产物通常称为煤液化残渣[23]。无论是从煤液化的经济性，还是从资源利用和环境保护的角度出发，都需要对煤液化残渣进行转化再利用，因此研究煤液化残渣的利用具有很重要的意义。国外对煤液化残渣的研究比较早，美国的能源研究开发署（ERDA）在1977年对煤液化残渣的研究进行了资助。原西德采用Texac煤气化技术对液化残渣的气化行为进行详细研究。国内的李德飞等将液化残渣中的沥青质等液相重质有机物分离出来，生产高附加值的炭素材料[4]。杨建丽等将煤炭直接液化残渣作为一种道路沥青改性剂进行了初步应用研究[5]。王寨霞等对煤液化残渣对基质沥青的改性作用也进行了初步研究，发现当煤液化残渣的添量为7%时，得到的改性沥青的相关指标基本能满足要求[6]。郑丽珍等在液化残渣的添加量为7%时对基质沥青进行改性，改性沥青的软化点最大可提高4 ℃，针入度可提高293 mm[7]。关于煤液化残渣改性沥青技术，国内外研究还处于起步阶段，各项技术评价还不健全，国内外用煤液化残渣对沥青进行改性后，只针对改性沥青的基本性能指标进行研究，没有系统研究煤液化残渣改性沥青混合料的路用性能。为此本文着重从煤液化残渣改性沥青混合料的拌和温度、用量以及制备方法等方面入手，以煤液化残渣改性沥青混合料的路用性能为目标，对其进行试验研究，并评估改性沥青混合料的Marshall指标和路用性能，旨在提高煤液化残渣在道路工程中的利用率。

1试验材料和方法

1.1试验材料

试验采用煤液化残渣、70#A级道路石油沥青，粗集料和细集料分别采用昌平生产的花岗岩碎石。煤液化残渣指标如表1所示。

1.2试验材料分析

煤液化残渣的微观结构如图1扫描电镜（SEM）图像所示。煤液化残渣是一种非晶体，残渣表面附着丰富的颗粒，其结构与原煤的结构密切相关。Kaoru Masuda等的研究表明煤液化残渣中保留了煤的部分结构特性[8]。煤液化残渣是没有严格熔点的粘性物质，随着温度升高，粘度降低[9]。残渣的软化点不高于180 ℃，残渣中固体含量不超过50%[10]。煤液化反应温度、时间、供氢溶剂以及催化剂等液化反应条件的变化对残渣性质会造成不同程度的影响[11]。谷小会等对神华煤液化残渣进行了研究，发现其中的重质油组分的平均分子量为339，平均分子式是C25H31O0.2N0.26，它的主要结构是2～3环的芳香烃[1214]。沥青烯组分平均分子式为C101H90.7O3.6N2，平均分子量为1 387，其主要结构是多环稠合芳香烃。

1.3试验方法

本试验混合料配合比采用AC20，最佳油石比为5.0%，级配如表2所示。2006年中国科学院山西煤炭化学研究所提出将煤液化残渣作为道路沥青改性剂，具体是将残渣粉碎至100目以下，控制掺量为5%～30%，在100 ℃～250 ℃内与道路石油沥青均匀混合，即制得煤液化残渣改性沥青。本试验采用湿法配混工艺制作煤液化残渣改性沥青，用高速剪切工艺将煤的液化残渣作为改性剂与加热到合适温度的基质沥青搅拌混合，制成成品煤的液化残渣改性沥青，然后拌和生产煤液化残渣改性沥青混合料。试验中煤液化残渣按照质量百分比15%、20%和25%替代沥青，在160 ℃下完成制作煤液化残渣改性沥青混合料。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）方法对其进行路用性能测试，并分别进行煤液化残渣改性沥青混合料的马歇尔试验、高温性能试验、水稳定性试验、低温性能试验。

2试验结果分析

2.1马歇尔试验

在最佳油石比5.0%下，用煤液化残渣取代15%、20%和25%的沥青制作马歇尔试件，并进行马歇尔试验，结果见表3。由表3可知：当用煤的液化残渣取代20%的沥青时，沥青混合料的空隙率为50%，混合料具有良好的水稳性。不同的液化残渣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）有不同的影响，随着煤液化残渣的取代量增加，马歇尔试件的稳定度逐渐增大，流值逐渐减小[1516]。煤液化残渣取代量为20%时，马歇尔稳定度为12.8 kN，流值为3.5 mm，均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求，即马歇尔稳定度不小于8 kN，流值在2～4 mm之间，沥青饱和度与矿料间隙率也符合规范要求。

2.2车辙试验

表4为煤液化残渣改性沥青混合料的车辙试验结果，由表4可以看出：15%、20%和25%三种取代量的煤液化残渣改性沥青混合料车辙试验的动稳定度均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求，即不小于3 000 次·mm-1。煤液化残渣的取代量越多，动稳定度越大，这与煤液化残渣软化点有关。煤液化残渣是煤减压蒸馏固液分离后的产物，国内连续试验装置的煤直接液化残渣软化点一般在160 ℃以上，工业规模残渣的软化点在130 ℃以上，沸点在300 ℃以上，比普通石油沥青高，所以煤的液化残渣改性沥青混合料高温性能较好。

2.3水稳定性试验

图2为煤液化残渣改性沥青混合料的水稳性试验结果。由图2可知：当液化残渣取代量为20%时，其抗水损害能力符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求，即马歇尔试件的浸水残留稳定度大于85%，冻融劈裂试验强度比大于80%。沥青混合料的水稳性是指其抵抗路面水损害的能力，沥青路面在水分存在的条件下经受荷载及

温度胀缩的反复作用，水分逐渐侵入到沥青与集料的界面上，同时由于水动力的作用，沥青膜逐渐从集料表面脱落，导致集料之间粘结力丧失而使路面损毁[17]。

由图2可见，当用15%、20%和25%的煤液化残渣替代沥青，其浸水残留稳定度与对照组相比均有所提高，达到85%以上。这可能是由于煤液化残渣表面有丰富的附着颗粒结构，具有抗剥落作用，使沥青混合料的浸水残留稳定度有所提高。

2.4低温性能试验

低温会导致裂缝产生，破坏沥青路面的整体性及连续性，水分通过裂缝渗入基层，侵蚀路基，导致路面承载力降低。因而沥青路面开裂是沥青路面的三大病害之一，是各国道路工程界普通关心的问题。按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的规定，沥青混合料的低温性能采用小梁弯曲试验指标来衡量。根据之前的试验结果分析，确定用煤液化残渣取代20%的沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）对其进行低温小梁弯曲试验，同时将未用煤液化残渣取代沥青的混合料作为对照组进行试验，见表5、图3。试验结果表明：试验组的抗弯拉强度、弯曲劲度模量、最大弯拉应变都小于对照组，弯拉强度下降了2691%，弯曲劲度模量下降了835%，最大弯拉应变下降了1864%。说明煤液化残渣改性沥青混合料的低温性能有所下降，这3项性能指标下降是由于加入残渣后，混合料内部沥青和残渣分布不均，在载荷的作用下产生应力集中，从而引起破坏，但是低温性能指标仍然符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求。

3实体工程

煤液化残渣改性沥青混合料试验路铺筑在陕西省榆林市清水工业园区，该地区最高气温35 ℃，最低气温-25 ℃，年平均气温10 ℃，年平均降雨量为400 mm。实体工程于2015年6月铺筑，至今效果良好，没有出现裂缝、塌陷等问题，试验路至今仍在观测中。

4结语

本文对煤液化残渣改性沥青混合料的路用性能进行了系统的试验研究，对液化残渣改性沥青混合料的马歇尔稳定度、流值、高温稳定性、抗水损害性能、低温稳定性等的影响进行了详细分析，得出以下主要结论。

（1）当煤液化残渣的取代量为20%时，采用“湿法”工艺制作的马歇尔试件的孔隙率、马歇尔稳定度、流值等性能指标符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求，且煤液化残渣的取代量较大。

（2）在同等油石比条件下，煤液化残渣改性沥青混合料随着残渣的取代量增大，马歇尔稳定度升高，流值减小。不同掺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）产生不同的影响。

（3）煤液化残渣取代沥青的混合料的高温车辙试验结果表明：随着煤液化残渣取代量的增加，动稳定度逐渐升高。

（4）当煤液化残渣取代量为20%时，马歇尔试件的抗水损害能力符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求，即浸水残留稳定度大于85%，冻融劈裂试验强度比大于80%。

（5）通过对比发现，掺入煤液化残渣后，改性沥青混合料的弯拉强度、弯曲劲度模量、最大弯拉应变有所下降，但仍然符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求。

参考文献：

[1]王鹏，步学朋，忻仕河，等.煤直接液化残渣热解特性研究[J].煤化工，2005，4（2）：2023.

[2]任相坤，房鼎业，金嘉璐，等.煤直接液化技术开发新进展[J].化工进展.2010，29（2）：198204.