煤液化殘渣在道路瀝青混凝土中的應用研究

趙鵬+馮雷+劉蓋+劉亮

摘要：為了高效利用煤液化殘渣，采用掃描電鏡（SEM）研究煤液化殘渣的結(jié)構(gòu)特點，并利用煤液化殘渣替代道路瀝青混凝土中的瀝青，按瀝青用量的15%、20%和25%分別進行取代，研究了以濕法配混工藝在160 ℃下制備的煤液化殘渣改性瀝青混合料的路用性能，分別進行了馬歇爾試驗、高溫性能試驗、水穩(wěn)定性試驗、低溫性能試驗。結(jié)果表明：煤液化殘渣的取代量為20%時，煤液化殘渣改性瀝青混合料的各項路用性能技術(shù)指標均符合要求，且煤液化殘渣的利用率提高，實體工程使用效果良好。

關(guān)鍵詞：瀝青；煤液化殘渣；利用率；路用性能

中圖分類號：U414.03文獻標志碼：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

利用煤直接液化技術(shù)生產(chǎn)液體燃料油，是解決石油短缺的重要途徑之一。工業(yè)發(fā)達的國家大多數(shù)將煤炭液化技術(shù)作為重要的能源儲備技術(shù)[1]。在煤直接液化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生約為原煤質(zhì)量20%～30%的高灰、高碳重質(zhì)產(chǎn)物，這些重質(zhì)產(chǎn)物通常稱為煤液化殘渣[23]。無論是從煤液化的經(jīng)濟性，還是從資源利用和環(huán)境保護的角度出發(fā)，都需要對煤液化殘渣進行轉(zhuǎn)化再利用，因此研究煤液化殘渣的利用具有很重要的意義。國外對煤液化殘渣的研究比較早，美國的能源研究開發(fā)署（ERDA）在1977年對煤液化殘渣的研究進行了資助。原西德采用Texac煤氣化技術(shù)對液化殘渣的氣化行為進行詳細研究。國內(nèi)的李德飛等將液化殘渣中的瀝青質(zhì)等液相重質(zhì)有機物分離出來，生產(chǎn)高附加值的炭素材料[4]。楊建麗等將煤炭直接液化殘渣作為一種道路瀝青改性劑進行了初步應用研究[5]。王寨霞等對煤液化殘渣對基質(zhì)瀝青的改性作用也進行了初步研究，發(fā)現(xiàn)當煤液化殘渣的添量為7%時，得到的改性瀝青的相關(guān)指標基本能滿足要求[6]。鄭麗珍等在液化殘渣的添加量為7%時對基質(zhì)瀝青進行改性，改性瀝青的軟化點最大可提高4 ℃，針入度可提高293 mm[7]。關(guān)于煤液化殘渣改性瀝青技術(shù)，國內(nèi)外研究還處于起步階段，各項技術(shù)評價還不健全，國內(nèi)外用煤液化殘渣對瀝青進行改性后，只針對改性瀝青的基本性能指標進行研究，沒有系統(tǒng)研究煤液化殘渣改性瀝青混合料的路用性能。為此本文著重從煤液化殘渣改性瀝青混合料的拌和溫度、用量以及制備方法等方面入手，以煤液化殘渣改性瀝青混合料的路用性能為目標，對其進行試驗研究，并評估改性瀝青混合料的Marshall指標和路用性能，旨在提高煤液化殘渣在道路工程中的利用率。

1試驗材料和方法

1.1試驗材料

試驗采用煤液化殘渣、70#A級道路石油瀝青，粗集料和細集料分別采用昌平生產(chǎn)的花崗巖碎石。煤液化殘渣指標如表1所示。

1.2試驗材料分析

煤液化殘渣的微觀結(jié)構(gòu)如圖1掃描電鏡（SEM）圖像所示。煤液化殘渣是一種非晶體，殘渣表面附著豐富的顆粒，其結(jié)構(gòu)與原煤的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。Kaoru Masuda等的研究表明煤液化殘渣中保留了煤的部分結(jié)構(gòu)特性[8]。煤液化殘渣是沒有嚴格熔點的粘性物質(zhì)，隨著溫度升高，粘度降低[9]。殘渣的軟化點不高于180 ℃，殘渣中固體含量不超過50%[10]。煤液化反應溫度、時間、供氫溶劑以及催化劑等液化反應條件的變化對殘渣性質(zhì)會造成不同程度的影響[11]。谷小會等對神華煤液化殘渣進行了研究，發(fā)現(xiàn)其中的重質(zhì)油組分的平均分子量為339，平均分子式是C25H31O0.2N0.26，它的主要結(jié)構(gòu)是2～3環(huán)的芳香烴[1214]。瀝青烯組分平均分子式為C101H90.7O3.6N2，平均分子量為1 387，其主要結(jié)構(gòu)是多環(huán)稠合芳香烴。

1.3試驗方法

本試驗混合料配合比采用AC20，最佳油石比為5.0%，級配如表2所示。2006年中國科學院山西煤炭化學研究所提出將煤液化殘渣作為道路瀝青改性劑，具體是將殘渣粉碎至100目以下，控制摻量為5%～30%，在100 ℃～250 ℃內(nèi)與道路石油瀝青均勻混合，即制得煤液化殘渣改性瀝青。本試驗采用濕法配混工藝制作煤液化殘渣改性瀝青，用高速剪切工藝將煤的液化殘渣作為改性劑與加熱到合適溫度的基質(zhì)瀝青攪拌混合，制成成品煤的液化殘渣改性瀝青，然后拌和生產(chǎn)煤液化殘渣改性瀝青混合料。試驗中煤液化殘渣按照質(zhì)量百分比15%、20%和25%替代瀝青，在160 ℃下完成制作煤液化殘渣改性瀝青混合料。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）方法對其進行路用性能測試，并分別進行煤液化殘渣改性瀝青混合料的馬歇爾試驗、高溫性能試驗、水穩(wěn)定性試驗、低溫性能試驗。

2試驗結(jié)果分析

2.1馬歇爾試驗

在最佳油石比5.0%下，用煤液化殘渣取代15%、20%和25%的瀝青制作馬歇爾試件，并進行馬歇爾試驗，結(jié)果見表3。由表3可知：當用煤的液化殘渣取代20%的瀝青時，瀝青混合料的空隙率為50%，混合料具有良好的水穩(wěn)性。不同的液化殘渣添加量對馬歇爾試驗的各項指標（如密度、馬歇爾穩(wěn)定度、礦料間隙率、流值等）有不同的影響，隨著煤液化殘渣的取代量增加，馬歇爾試件的穩(wěn)定度逐漸增大，流值逐漸減小[1516]。煤液化殘渣取代量為20%時，馬歇爾穩(wěn)定度為12.8 kN，流值為3.5 mm，均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求，即馬歇爾穩(wěn)定度不小于8 kN，流值在2～4 mm之間，瀝青飽和度與礦料間隙率也符合規(guī)范要求。

2.2車轍試驗

表4為煤液化殘渣改性瀝青混合料的車轍試驗結(jié)果，由表4可以看出：15%、20%和25%三種取代量的煤液化殘渣改性瀝青混合料車轍試驗的動穩(wěn)定度均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求，即不小于3 000 次·mm-1。煤液化殘渣的取代量越多，動穩(wěn)定度越大，這與煤液化殘渣軟化點有關(guān)。煤液化殘渣是煤減壓蒸餾固液分離后的產(chǎn)物，國內(nèi)連續(xù)試驗裝置的煤直接液化殘渣軟化點一般在160 ℃以上，工業(yè)規(guī)模殘渣的軟化點在130 ℃以上，沸點在300 ℃以上，比普通石油瀝青高，所以煤的液化殘渣改性瀝青混合料高溫性能較好。

2.3水穩(wěn)定性試驗

圖2為煤液化殘渣改性瀝青混合料的水穩(wěn)性試驗結(jié)果。由圖2可知：當液化殘渣取代量為20%時，其抗水損害能力符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求，即馬歇爾試件的浸水殘留穩(wěn)定度大于85%，凍融劈裂試驗強度比大于80%。瀝青混合料的水穩(wěn)性是指其抵抗路面水損害的能力，瀝青路面在水分存在的條件下經(jīng)受荷載及

溫度脹縮的反復作用，水分逐漸侵入到瀝青與集料的界面上，同時由于水動力的作用，瀝青膜逐漸從集料表面脫落，導致集料之間粘結(jié)力喪失而使路面損毀[17]。

由圖2可見，當用15%、20%和25%的煤液化殘渣替代瀝青，其浸水殘留穩(wěn)定度與對照組相比均有所提高，達到85%以上。這可能是由于煤液化殘渣表面有豐富的附著顆粒結(jié)構(gòu)，具有抗剝落作用，使瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度有所提高。

2.4低溫性能試驗

低溫會導致裂縫產(chǎn)生，破壞瀝青路面的整體性及連續(xù)性，水分通過裂縫滲入基層，侵蝕路基，導致路面承載力降低。因而瀝青路面開裂是瀝青路面的三大病害之一，是各國道路工程界普通關(guān)心的問題。按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的規(guī)定，瀝青混合料的低溫性能采用小梁彎曲試驗指標來衡量。根據(jù)之前的試驗結(jié)果分析，確定用煤液化殘渣取代20%的瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）對其進行低溫小梁彎曲試驗，同時將未用煤液化殘渣取代瀝青的混合料作為對照組進行試驗，見表5、圖3。試驗結(jié)果表明：試驗組的抗彎拉強度、彎曲勁度模量、最大彎拉應變都小于對照組，彎拉強度下降了2691%，彎曲勁度模量下降了835%，最大彎拉應變下降了1864%。說明煤液化殘渣改性瀝青混合料的低溫性能有所下降，這3項性能指標下降是由于加入殘渣后，混合料內(nèi)部瀝青和殘渣分布不均，在載荷的作用下產(chǎn)生應力集中，從而引起破壞，但是低溫性能指標仍然符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的要求。

3實體工程

煤液化殘渣改性瀝青混合料試驗路鋪筑在陜西省榆林市清水工業(yè)園區(qū)，該地區(qū)最高氣溫35 ℃，最低氣溫-25 ℃，年平均氣溫10 ℃，年平均降雨量為400 mm。實體工程于2015年6月鋪筑，至今效果良好，沒有出現(xiàn)裂縫、塌陷等問題，試驗路至今仍在觀測中。

4結(jié)語

本文對煤液化殘渣改性瀝青混合料的路用性能進行了系統(tǒng)的試驗研究，對液化殘渣改性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、流值、高溫穩(wěn)定性、抗水損害性能、低溫穩(wěn)定性等的影響進行了詳細分析，得出以下主要結(jié)論。

（1） 當煤液化殘渣的取代量為20%時，采用“濕法”工藝制作的馬歇爾試件的孔隙率、馬歇爾穩(wěn)定度、流值等性能指標符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的要求，且煤液化殘渣的取代量較大。

（2） 在同等油石比條件下，煤液化殘渣改性瀝青混合料隨著殘渣的取代量增大，馬歇爾穩(wěn)定度升高，流值減小。不同摻量對馬歇爾試驗的各項指標（如密度、馬歇爾穩(wěn)定度、礦料間隙率、流值等）產(chǎn)生不同的影響。

（3） 煤液化殘渣取代瀝青的混合料的高溫車轍試驗結(jié)果表明：隨著煤液化殘渣取代量的增加，動穩(wěn)定度逐漸升高。

（4） 當煤液化殘渣取代量為20%時，馬歇爾試件的抗水損害能力符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求，即浸水殘留穩(wěn)定度大于85%，凍融劈裂試驗強度比大于80%。

（5） 通過對比發(fā)現(xiàn)，摻入煤液化殘渣后，改性瀝青混合料的彎拉強度、彎曲勁度模量、最大彎拉應變有所下降，但仍然符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的要求。

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[責任編輯：譚忠華]