不同制备工艺对煤直接液化残渣改性沥青混合料性能的影响

岳峰 王秉兴 王大伟 路凯冀 王晓军

（1.河北承德市围场县交通运输局冀通公司，河北 承德 068450；2.河北承德市围场满族蒙古族自治县交通运输局工程队，河北 承德 068450；3.中路高科（北京）公路技术有限公司，北京 100000）

中国是一个煤和天然气资源丰富而石油资源匮乏的国家，目前探明的煤炭储量约为13983亿吨，居世界第二位，但石油资源相对稀少。为缓解我国石油资源的短缺，煤制油已成为一种重要能源趋势。我国的液体燃料需求基本可以通过煤液化满足。煤液化按加工方法可分为直接液化和间接液化，其中煤直接液化石油转化率高、成本低。因此，其迅速成为当前研究热点。

与汽油、柴油等液体燃料不同，在煤炭直接液化过程中，产生的主要副产品是液化残渣，占原料煤总量的30%。事实上，煤直接液化残渣（DCLR）中含有30%～50%的重油和黏结剂烯。这与特立尼达湖黏结剂（TLA，一种改善黏结性能的天然改性剂）成分和一些物理性能相似。在非聚合物添加剂中，TLA具有良好的改性性能，在世界范围内得到广泛应用。中国许多重要项目也使用TLA，例如北京首都国际机场跑道和成渝高速公路等。随着中国高速公路建设和普通公路改善，对TLA的需求也在增加。然而，由于TLA来源有限且进口价格高，TLA的应用也相应受到了限制。

由于DCLR是一种与TLA性质最相似的物质。因此，本研究将DCLR作为沥青改性剂来取代TLA，用于改善黏沥青材料性能的新型改性剂。这具有十分重要的科学意义和应用价值。一方面，DCLR作为改性剂，可以显著改善沥青材料性能，降低改性沥青价格（DCLR价格仅相当于TLA的四分之一），促进我国沥青工业的发展；另一方面，使用DCLR改性的沥青对环境保护、合理利用有限资源、提高DCLR利用率具有积极意义。

一、原材料性能

本文使用的DCLR来自中国神华煤制油化工股份有限公司蒙古分公司生产的煤炭直接液化残渣。基质沥青采用70#基质沥青。

二、DCLR改性沥青制备方法

本文中使用的是粉末状DCLR，并使用两种不同加工方法与基质沥青搅拌混合。

加工方法1：首先加热基质沥青，然后直接向熔融基质沥青中添加不同比例DCLR粉末；为了确保DCLR与基质沥青充分混合，应在160℃的温度下，用剪切装置低速剪切DCLR和基质沥青混合物约1h。

加工方法2：分别将基质沥青和DCLR加热至熔融状态，然后将熔融DCLR和基质沥青按一定比例混合。为了确保DCLR与基质沥青的充分混合，应在160℃的温度下，用剪切装置低速剪切DCLR和基质沥青混合物约1h。

三、DCLR改性沥青性能研究

本文继续研究了两种制备方法下所得到的DCLR改性沥青的性能，其试验结果如表1所示。

表1 DCLR改性沥青性能研究

由表1可知，加工方法1和加工方法2所制备的DCLR改性沥青性能有较大区别。这说明采用不同的工法制备DCLR改性沥青，其性能也有较大差别。方法2所制备的DCLR改性沥青的针入度、软化点和延度均高于方法1，其中方法2所制备的DCLR改性沥青的软化点比方法1软化点高出了11.7℃，这说明方法2所制备的DCLR改性沥青的高温稳定性能较好；而方法2所制备的DCLR改性沥青的10℃延度比方法1高了近一倍，说明方法2所制备的DCLR改性沥青的低温延展性能较好。同时，对比老化后DCLR改性沥青性能可知，其中最为明显区别为采用方法2所制备的DCLR改性沥青的质量损失率比方法1降低了超过50%，这说明采用方法2制备的DCLR改性沥青在老化后仍有较高的弹性恢复能力。综上所述，可以认为采用方法2制备的DCLR改性沥青的性能最佳。

四、DCLR改性沥青混合料性能研究

本文以DCLR改性沥青作为胶结料成型AC-13混合料。首先，设计DCLR改性沥青混合料配合比；其次，确定其最佳油石比为5.4%；最后，通过车辙试验、冻融劈裂试验和低温弯曲试验评价沥青混合料的性能。DCLR改性沥青混合料配合比如表2所示。

表2 DCLR改性沥青混合料的配合比

（一）高温稳定性能

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011），通过车辙试验测试混合沥青抗车辙性能。试验结果如表3所示。

表3 DCLR改性沥青混合料车辙动稳定度试验结果

DCLR改性沥青混合料在2种改性沥青制备方法下，抗车辙性能均达到规范要求。其中，采用方法2制备的DCLR改性沥青混合料动态稳定度比方法1提高了16.54%。

（二）低温性能

本文对2种混合沥青进行了低温弯曲试验，结果如表4所示。

表4 DCLR改性沥青混合料低温性能试验结果

DCLR改性沥青混合料在2种改性沥青制备方法下的低温性能均达到规范要求，并且2种混合料的低温弯拉应变大致相同，这说明二者低温性能较为接近。

（三）水稳定性能

本文对两种沥青混合料进行了冻融劈裂试验，其结果如表5所示。

表5 DCLR改性沥青混合料水稳定性能试验结果

两种制备方法下的DCLR改性沥青混合料的水稳定性能均符合规范要求，均超过85%。但是相比之下，采用方法1制备的DCLR改性沥青混合料冻融残留劈裂强度比接近于技术要求下限值，而采用方法2制备的DCLR改性沥青混合料冻融残留劈裂强度比远大于规范技术要求值，且比方法1冻融残留劈裂强度比高出了约7.26%。这说明采用方法2制备DCLR改性沥青混合料的水稳定性能更好。

五、结语

DCLR与基质沥青混合生产制备工艺对DCLR改性沥青和DCLR改性沥青混合料影响较大。其中，采用熔融后的DCLR与基质沥青混合制备的改性沥青比直投法性能更好，主要体现在三大指标、黏度及老化后残留物性能等方面。而两种制备方法对DCLR改性沥青混合料性能影响也较大，主要体现在高温稳定性能和水稳定性能差异。因此，本文推荐采用熔融后的DCLR与基质沥青混合制备改性沥青及混合料方法。