趙鵬+馮雷+劉蓋+劉亮

摘要：為了高效利用煤液化殘?jiān)?，采用掃描電鏡（SEM）研究煤液化殘?jiān)慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并利用煤液化殘?jiān)娲缆窞r青混凝土中的瀝青，按瀝青用量的15%、20%和25%分別進(jìn)行取代，研究了以濕法配混工藝在160 ℃下制備的煤液化殘?jiān)男詾r青混合料的路用性能，分別進(jìn)行了馬歇爾試驗(yàn)、高溫性能試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)、低溫性能試驗(yàn)。結(jié)果表明：煤液化殘?jiān)娜〈繛?0%時(shí)，煤液化殘?jiān)男詾r青混合料的各項(xiàng)路用性能技術(shù)指標(biāo)均符合要求，且煤液化殘?jiān)睦寐侍岣?，?shí)體工程使用效果良好。

關(guān)鍵詞：瀝青；煤液化殘?jiān)?；利用率；路用性?/p>

中圖分類號(hào)：U414.03文獻(xiàn)標(biāo)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(dá)的國(guó)家大多數(shù)將煤炭液化技術(shù)作為重要的能源儲(chǔ)備技術(shù)[1]。在煤直接液化生產(chǎn)過(guò)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?jiān)黐23]。無(wú)論是從煤液化的經(jīng)濟(jì)性，還是從資源利用和環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，都需要對(duì)煤液化殘?jiān)M(jìn)行轉(zhuǎn)化再利用，因此研究煤液化殘?jiān)睦镁哂泻苤匾囊饬x。國(guó)外對(duì)煤液化殘?jiān)难芯勘容^早，美國(guó)的能源研究開(kāi)發(fā)署（ERDA）在1977年對(duì)煤液化殘?jiān)难芯窟M(jìn)行了資助。原西德采用Texac煤氣化技術(shù)對(duì)液化殘?jiān)臍饣袨檫M(jìn)行詳細(xì)研究。國(guó)內(nèi)的李德飛等將液化殘?jiān)械臑r青質(zhì)等液相重質(zhì)有機(jī)物分離出來(lái)，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?jiān)鳛橐环N道路瀝青改性劑進(jìn)行了初步應(yīng)用研究[5]。王寨霞等對(duì)煤液化殘?jiān)鼘?duì)基質(zhì)瀝青的改性作用也進(jìn)行了初步研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤液化殘?jiān)奶砹繛?%時(shí)，得到的改性瀝青的相關(guān)指標(biāo)基本能滿足要求[6]。鄭麗珍等在液化殘?jiān)奶砑恿繛?%時(shí)對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，改性瀝青的軟化點(diǎn)最大可提高4 ℃，針入度可提高293 mm[7]。關(guān)于煤液化殘?jiān)男詾r青技術(shù)，國(guó)內(nèi)外研究還處于起步階段，各項(xiàng)技術(shù)評(píng)價(jià)還不健全，國(guó)內(nèi)外用煤液化殘?jiān)鼘?duì)瀝青進(jìn)行改性后，只針對(duì)改性瀝青的基本性能指標(biāo)進(jìn)行研究，沒(méi)有系統(tǒng)研究煤液化殘?jiān)男詾r青混合料的路用性能。為此本文著重從煤液化殘?jiān)男詾r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?jiān)男詾r青混合料的路用性能為目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究，并評(píng)估改性瀝青混合料的Marshall指標(biāo)和路用性能，旨在提高煤液化殘?jiān)诘缆饭こ讨械睦寐省?/p>

1試驗(yàn)材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用煤液化殘?jiān)?0#A級(jí)道路石油瀝青，粗集料和細(xì)集料分別采用昌平生產(chǎn)的花崗巖碎石。煤液化殘?jiān)笜?biāo)如表1所示。

1.2試驗(yàn)材料分析

煤液化殘?jiān)奈⒂^結(jié)構(gòu)如圖1掃描電鏡（SEM）圖像所示。煤液化殘?jiān)且环N非晶體，殘?jiān)砻娓街S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?jiān)斜Ａ袅嗣旱牟糠纸Y(jié)構(gòu)特性[8]。煤液化殘?jiān)菦](méi)有嚴(yán)格熔點(diǎn)的粘性物質(zhì)，隨著溫度升高，粘度降低[9]。殘?jiān)能浕c(diǎn)不高于180 ℃，殘?jiān)泄腆w含量不超過(guò)50%[10]。煤液化反應(yīng)溫度、時(shí)間、供氫溶劑以及催化劑等液化反應(yīng)條件的變化對(duì)殘?jiān)再|(zhì)會(huì)造成不同程度的影響[11]。谷小會(huì)等對(duì)神華煤液化殘?jiān)M(jìn)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(yàn)方法

本試驗(yàn)混合料配合比采用AC20，最佳油石比為5.0%，級(jí)配如表2所示。2006年中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所提出將煤液化殘?jiān)鳛榈缆窞r青改性劑，具體是將殘?jiān)鬯橹?00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?jiān)男詾r青。本試驗(yàn)采用濕法配混工藝制作煤液化殘?jiān)男詾r青，用高速剪切工藝將煤的液化殘?jiān)鳛楦男詣┡c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?jiān)男詾r青，然后拌和生產(chǎn)煤液化殘?jiān)男詾r青混合料。試驗(yàn)中煤液化殘?jiān)凑召|(zhì)量百分比15%、20%和25%替代瀝青，在160 ℃下完成制作煤液化殘?jiān)男詾r青混合料。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）方法對(duì)其進(jìn)行路用性能測(cè)試，并分別進(jìn)行煤液化殘?jiān)男詾r青混合料的馬歇爾試驗(yàn)、高溫性能試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)、低溫性能試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1馬歇爾試驗(yàn)

在最佳油石比5.0%下，用煤液化殘?jiān)〈?5%、20%和25%的瀝青制作馬歇爾試件，并進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知：當(dāng)用煤的液化殘?jiān)〈?0%的瀝青時(shí)，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?jiān)砑恿繉?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）有不同的影響，隨著煤液化殘?jiān)娜〈吭黾?，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?jiān)〈繛?0%時(shí)，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(chē)轍試驗(yàn)

表4為煤液化殘?jiān)男詾r青混合料的車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果，由表4可以看出：15%、20%和25%三種取代量的煤液化殘?jiān)男詾r青混合料車(chē)轍試驗(yàn)的動(dòng)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?jiān)娜〈吭蕉?，?dòng)穩(wěn)定度越大，這與煤液化殘?jiān)浕c(diǎn)有關(guān)。煤液化殘?jiān)敲簻p壓蒸餾固液分離后的產(chǎn)物，國(guó)內(nèi)連續(xù)試驗(yàn)裝置的煤直接液化殘?jiān)浕c(diǎn)一般在160 ℃以上，工業(yè)規(guī)模殘?jiān)能浕c(diǎn)在130 ℃以上，沸點(diǎn)在300 ℃以上，比普通石油瀝青高，所以煤的液化殘?jiān)男詾r青混合料高溫性能較好。

2.3水穩(wěn)定性試驗(yàn)

圖2為煤液化殘?jiān)男詾r青混合料的水穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可知：當(dāng)液化殘?jiān)〈繛?0%時(shí)，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(yàn)強(qiáng)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(fù)作用，水分逐漸侵入到瀝青與集料的界面上，同時(shí)由于水動(dòng)力的作用，瀝青膜逐漸從集料表面脫落，導(dǎo)致集料之間粘結(jié)力喪失而使路面損毀[17]。

由圖2可見(jiàn)，當(dāng)用15%、20%和25%的煤液化殘?jiān)娲鸀r青，其浸水殘留穩(wěn)定度與對(duì)照組相比均有所提高，達(dá)到85%以上。這可能是由于煤液化殘?jiān)砻嬗胸S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(yàn)

低溫會(huì)導(dǎo)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(guò)裂縫滲入基層，侵蝕路基，導(dǎo)致路面承載力降低。因而瀝青路面開(kāi)裂是瀝青路面的三大病害之一，是各國(guó)道路工程界普通關(guān)心的問(wèn)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(yàn)指標(biāo)來(lái)衡量。根據(jù)之前的試驗(yàn)結(jié)果分析，確定用煤液化殘?jiān)〈?0%的瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）對(duì)其進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)，同時(shí)將未用煤液化殘?jiān)〈鸀r青的混合料作為對(duì)照組進(jìn)行試驗(yàn)，見(jiàn)表5、圖3。試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)組的抗彎拉強(qiáng)度、彎曲勁度模量、最大彎拉應(yīng)變都小于對(duì)照組，彎拉強(qiáng)度下降了2691%，彎曲勁度模量下降了835%，最大彎拉應(yīng)變下降了1864%。說(shuō)明煤液化殘?jiān)男詾r青混合料的低溫性能有所下降，這3項(xiàng)性能指標(biāo)下降是由于加入殘?jiān)?，混合料?nèi)部瀝青和殘?jiān)植疾痪?，在載荷的作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而引起破壞，但是低溫性能指標(biāo)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(shí)體工程

煤液化殘?jiān)男詾r青混合料試驗(yàn)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(shí)體工程于2015年6月鋪筑，至今效果良好，沒(méi)有出現(xiàn)裂縫、塌陷等問(wèn)題，試驗(yàn)路至今仍在觀測(cè)中。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)煤液化殘?jiān)男詾r青混合料的路用性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，對(duì)液化殘?jiān)男詾r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(jìn)行了詳細(xì)分析，得出以下主要結(jié)論。

（1） 當(dāng)煤液化殘?jiān)娜〈繛?0%時(shí)，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(biāo)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?jiān)娜〈枯^大。

（2） 在同等油石比條件下，煤液化殘?jiān)男詾r青混合料隨著殘?jiān)娜〈吭龃螅R歇爾穩(wěn)定度升高，流值減小。不同摻量對(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）產(chǎn)生不同的影響。

（3） 煤液化殘?jiān)〈鸀r青的混合料的高溫車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著煤液化殘?jiān)〈康脑黾?，?dòng)穩(wěn)定度逐漸升高。

（4） 當(dāng)煤液化殘?jiān)〈繛?0%時(shí)，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(yàn)強(qiáng)度比大于80%。

（5） 通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，摻入煤液化殘?jiān)?，改性瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度、彎曲勁度模量、最大彎拉應(yīng)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(zé)任編輯：譚忠華]