石油沥青作为路用原料,一直存在成本过高的问题。而我国煤资源丰富,煤、沥青可作为路用沥青,因此,煤沥青这种潜在的能取代石油沥青的材料日益受到研究者的关注。煤沥青对不同类型的石料拥有良好的粘附与润湿性能,耐油侵蚀性能强、路面的摩擦系数大,且成本比普通石油沥青低;但同时也存在容易挥发易老化的缺陷,且对温度变化尤为敏感,高温易融化,低温容易变脆,并包含诸多致癌类物质与剌激性气味,倘若这些缺陷不得以改进,将极大地阻碍煤沥青在筑路领域的应用沥青网sinoasphalt.com。
常用的改性方法 煤沥青可以通过化学或物理两个途径实现改性。其中,化学改性是通过改性剂、催化剂或高温高压催化等条件,让煤沥青发生缩聚、化学键断裂、重组等反应,进而使其结构产生变化,改变其性能。但在实际运用中,由于高温高压催化改性投入成本比较大,通常较少采用这种改性方法。因此,国内学者在研究煤沥青改性时将重点放在改性剂、催化剂化学改性或物理改性方面,物理改性实际上是参考石油沥青的政性方法,通过添加相关改性剂完成煤沥青的改性。 依据改性剂的类别,改性煤沥青可分为回配蒽油改性煤沥青、复合改性煤沥青、化学改性煤沥青和纳米材料改性煤沥青。其中,回配蒽油改性煤沥青投入的成本比较高,且其热变温度区间非常窄,无法符合现代高速与重型汽车的路面标准,因此,这种改性煤沥青很少出现在当前的道路应用中;纳米材料改性煤沥青是一个全新的技术工艺,但纳米材料在煤沥青中的分散性较差,对煤沥青的改性能力有限,无法充分地体现出纳米材料的改性优势,因此这种改性方法目前也受到了一定的限制。 复合改性煤沥青 伴随石油业规模的迅速壮大,高品质低价的石油沥青慢慢代替了软沥青。但纯石油拥青的品质无法适应高速公路越来越严苛的标准要求,面对此种情形,部分国家再次聚焦煤焦油沥青。煤焦油沥青是把石油沥青和软化后的煤沥青按照适当的比例混合,并在适当的条件下制作而成的一种全新的路用粘结材料。该材料综合了石油沥青和软化后的煤沥青两种沥青的特点,不仅可以降低成本,还能增强路用沥青和石料之间的黏结力,增强路面强度,有效地优化路用沥青对温度的敏感性。国内部分学者将煤石油基混合沥青依据1:3的配比温合,得到的沥青产品质量符合甚至超过德国混合沥青的品质标准。同时,研究还发现,随着混合沥青中煤沥青比例的提高,改性煤沥青的软化点增长与低温延度降低均呈现出加速趋势,并且其粘度也随之提高。 化学改性煤沥青 化学改性是在改性剂与催化剂作用下,使沥青的物理性质和化学性质都发生改变的一种方法。改性SBS可以在三氟化棚、乙醚等催化作用下,与煤沥青发生化学反应来制得改性沥青。与原料沥青和物理改性沥青相比,SBS化学改性沥青软化点升高30°C,针人度降低1.5毫米,延度增加34厘米。这表明,改性后的沥青具有更好的弹性和更宽的温变范围。 同样,在煤沥青中,也可以通过添加石油渣油、高分子树脂、改性剂和添加剂来制取复合改性煤沥青。这种方法既能改善复合改性煤沥青对温度的敏感性,又能提高、沥青的高、低温性能,还能在一定程度上脱除致癌物Bap(3,4苯并芘)。此外,在煤沥青中还可添加部分石油沥青、溶剂油、复合型聚合物添加剂、防老剂和交联剂,以制取改性煤沥青。分析结果表明,改性后的煤沥青高低温性能得以提高,对温度的敏感性也得到改善。 环保是硬道理 煤沥青属于煤焦化的副产品,煤炭本身的构成导致煤沥青中存在各种PAHs(多环芳烃)。PAHs会对人体产生极大的伤害,集中反映在Bap类物质的致癌作用上。针对煤沥青的脱毒探究,国内学者进行了各种尝试,目前最常用的方法是采用聚合物改性法,也就是在煤沥青中添加相应的聚合物改性剂来去除煤沥青中的PAHs,如聚苯乙烯,通过GC-MS、IR研究煤沥青中的成分改变情况。结论显示,PAHs的去除率在40%左右,说明在一定程度上,此改性剂能够去除PAHs。通过检测改性后煤沥青的各项性能,发现改性后的煤沥青对温度的敏感性得到显著改进,其软化点、针入度和延度都得到极大的优化。 通过对筑路施工的温度展开模拟,研究改性前后煤沥青释放烟气量的改变状况。结果显示,经聚合物改性后的煤沥青释放烟气量中的PAHs减少,从侧面验证了聚合物改性剂可以降低煤沥青中PAHs的释放量,进而降低煤沥青在道路应用过程中对环境产生的危害。聚乙二醇、顺丁烯二酸酐、三聚甲醛等也可以作为聚合物改性剂。其中,聚乙二醇(分子量1500)的去除效果最高为50.6%,顺丁烯二酸酐的去除效果为32.1%,而三聚甲醛在催化剂的条件下去除率可达70%,若在反应中添加一定量的交联单体硫,去除率可达80%。 溶剂萃取聚合物改性法,是在聚合物改性法的基础上去除煤沥青中PAHs的新方法。其原理是先用溶剂萃取煤沥青中PAHs,然后再与聚合物反应,此种方法可以去除煤沥青中大部分PAHs,去除率大于90%,而且聚合物改性剂用量较小,在5%至8%(国外资料表明聚合物改性剂用量一般为30%),成本较低。但采用此种方法需要注意,由于溶剂中含有甲苯等毒性物质,在真空抽滤时应将甲苯脱除干净,否则会将新的污染物引进到煤沥青中,造成二次污染。 应用前景光明 随着改性道路煤沥青的研究深入,部分单位逐渐开始进行小规模的道路试验。如2008年9月,在二(连浩特)广(州)高速公路山西忻州段铺设了长1342.6米的煤沥青实验路段:2010年9月,用煤沥青对该路段车辙问题进行修复;2011年10月,在山西高陵高速公路铺设了长3公里的煤沥青路面;同年,在内蒙古的巴彦淖尔临河区铺设改性煤沥青路面。根据相关部门对这些改性煤沥青路面在一定时间内的跟踪、观察以及检测可知,改性煤沥青路面的使用性能较好,完全满足高速公路施工的相关要求,路面也没有出现破损、车辙等现象,同时,在平整度、抗滑性等方面比同期铺设的其他路面性能更好。煤炭的综合利用效率是一项长期的研究课题,而煤焦化属于煤化工的关键分支,特别是煤沥青的资源化使用研究长期未实现有效的突破。就该领域来说,将成本较低、来源充足的煤沥青作为原料,具有较为光明的运用前景。在对环保越来越重视的今天,煤沥青中Bap等污染物的脱除直接影响到煤沥青在道路建设中的应用。同时,由于热拌改性煤沥青在使用中会产生一定的烟气污染,因而,开发常温道路煤沥青也将是今后的发展方向。