风化煤改性沥青的制备与性能研究★

王有朋 伍家卫 文 斌

0 引言

我国风化煤资源分布广、储量大，但由于风化煤含氧量高，发热量低，已失去作动力燃料和炼焦煤的价值，一直未将风化煤作为有益矿产资源充分利用［1］，风化煤含有大量再生腐殖酸和多种含氧活性官能团，如羧基、酚羟基、醌基、醇羟基等，腐殖酸是一种内表面积很大的高分子有机物，是天然的羟基羧酸，具有很强的吸附、络合能力［2］。能将这一丰富的资源充分的利用起来，具有重要的现实意义。石油沥青具有良好的粘结性、抗老化性和防水防腐能力，长期以来被广泛的用作建筑、道路、防腐和密封材料。然而改性沥青具有高温流淌、低温冷脆开裂、耐候性不佳等缺点［3］，因此改善改性沥青材料的高温性能、低温性能和降低成本是该领域研究的重点。本研究将新疆风化煤用于改性沥青材料中，提高了沥青材料的高温性能和其他性能，降低了环境污染，并且未见有关文献报道。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

仪器:高剪切混合乳化机(ME-100L)，电脑全自动沥青针入度仪(HDLZ-IV)，数显全自动沥青软化点测定仪(DF-4)，沥青旋转薄膜烘箱(85型)，低温双数显沥青延伸度仪(SY-2(B))，红外光谱仪(Nicolet NEXUS 670 FT-IR)，透射电子显微镜(JEM-100SX)，扫描电子显微镜(S-450，HITACHI)，X射线衍射(D/MAX-ⅢC)。试剂:风化煤(300目，新疆)，基质沥青(兰炼90号，中石油兰州炼油化工总厂)，丁苯橡胶SBR(中石油兰州石化公司)。

1.2 改性沥青的制备

将一定量的风化煤和改性剂加入到热融的沥青中，在165℃～175℃的温度下，经高剪切机在4 000 rpm/min～5 000 rpm/min的转速下剪切50 min，然后用筛子过滤除去混在改性沥青材料中的较大颗粒物质后，即得改性沥青材料。

表1 风化煤改性沥青

2 改性沥青性能测试和讨论

2.1 风化煤改性沥青的性能

风化煤以300目粒度未经过处理直接加入，从表1可知，基质沥青软化点为47℃，当加入风化煤后，改性沥青的高温性能大有改善，特别是含量3%时，软化点达到58℃，能将软化点提高10℃左右。说明风化煤中的腐殖酸及其他成分能有效提高沥青的高温性能和抗氧化性能。继续增大风化煤的含量到6%时，软化点反而下降，说明腐殖酸量增大的同时，其他杂质的量也在增加，软化点反而降低。为了提高改性沥青低温及其他性能，本研究以风化煤复配粉末SBR进行探讨。

2.2 风化煤复配改性沥青的性能

表2 风化煤复配粉末SBR改性沥青

从表2结果可知，随着SBR量的增加，改性沥青的耐低温性能大大提高，沥青的针入度指数有所减小，可能由于SBR本身分子量大和腐殖酸的络合作用，分子间的作用力增强，粘度增大，提高改性沥青高温性能和耐低温性能，降低了沥青的温度敏感性。

另外，本研究以粘韧性能对沥青评价，因为SBR改性沥青的粘韧性及韧性很难达到国家标准，由表3可知，风化煤复配粉末SBR(4%)改性沥青中，由于风化煤中腐殖酸的吸附和络合作用，在一定程度上增加了沥青的粘韧性和韧性。

表3 风化煤改性沥青粘韧性测定结果 N·m

3 风化煤改性沥青的结果分析

3.1 红外光谱分析(FT-IR)

从图1可知，风化煤在沥青中有一定的化学效应。风化煤改性沥青在1 216 cm－1出现一微弱吸收峰，认为COOH中C=O伸展振动，说明腐殖酸的表面羟基和沥青中的羧酸根形成酯;在870 cm－1处出现了新的吸收峰，归属苯环内δC－H面内吸收峰，说明改性沥青在某种程度上发生芳构化，芳香酚增加。风化煤复配粉末SBR改性沥青时，除了上述特征峰外，在1 315 cm－1处出现新的吸收峰，归属为烯烃δC－H面内弯曲振动，在967 cm－1处归属为芳环的δC－H面外弯曲振动，说明芳香酚增加并有利于增加改性剂与沥青的相容性，提高改性效果。

图1 风化煤改性沥青FT-IR谱图

3.2 电子显微镜观察

从扫描电镜下可以看见，风化煤的孔隙中均被沥青所填充，这样的分布和吸附，能提高改性沥青的稳定性。但还是有部分固体颗粒没有被沥青包裹住而暴露出来。它们与沥青不相容。在透射扫描电镜下，风化煤颗粒均匀的分布在沥青中，颗粒的最大粒径为0.83 μm，最小粒径为9 nm，风化煤颗粒以近似纳米分布在沥青中，改性沥青的一些性能提高［4，5］。本研究又从沥青稳定性实验探讨杂质的影响，风化煤改性沥青达到技术要求，但在离析实验结果中，下软化点略高于上软化点，说明改性沥青材料稳定，改性剂与沥青没有离析，可能由于杂质密度大而沉降下来导致上述结果，杂质包括无机盐等成分。

3.3 风化煤与改性沥青相容性机理

沥青是一种混合物，平均分子量500左右［6］。由于组成较多且性质差别较大，造成了沥青微观上的不均匀，性质相近，结构类似的组分聚集在一起。风化煤改性剂进入沥青时，腐殖酸的平均分子量在300左右，所以风化煤中的有机组分和沥青有一定的相容性。当风化煤以几乎纳米的微粒均匀分散于沥青中后，风化煤中的腐殖酸具有一定的吸附、络合功能，它与沥青相混合便将沥青吸附在风化煤微粒的表面，这种作用包括物理吸附和化学络合，风化煤中的碳黑对沥青的性能产生一定的影响，另外由于碳黑是由正六边形网状平面的层面构成的，层面与层面之间连接着一个结合体，并通过范德华力产生相互凝聚的倾向，其层面边缘上的氢原子、不配对电子和含氧基团的化学活性很大，可以和其他物质发生物理吸附和化学结合反应。因此可以改善沥青的粘附性，耐久性，抗磨性，抗氧化性等［3］。

4 结语

1)本研究以风化煤作为沥青改性剂，提高了沥青的高温性能和其他一些重要性能指标，并与沥青具有较好的相容性。表明风化煤中的腐殖酸具有化学络合和物理吸附作用，风化煤中的碳黑能提高改性沥青的粘附性，耐久性，抗磨性，抗氧化等。2)风化煤改性沥青具有价格低廉、性能优异等特点，可用于建筑、道路、防腐和密封材料等领域，不仅减少了环境的污染，同时扩大了风化煤的使用范围。

［1］ 马秀欣，赵宏波.我国泥炭、褐煤和风化煤的资源优势及其应用领域［J］.中国煤炭，2005(1):6-7.

［2］ 窦琇云.腐殖酸化学性质和结构分析［J］.腐殖酸，1995(4):4.

［3］ 沈金安.改性沥青与SMA路面［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［4］ 徐国财，张立德.纳米复合材料［M］.北京:化学工业出版社，2002.

［5］ 张玉龙，李长德.纳米技术与纳米塑料［M］.北京:中国轻工业出版社，2002.

［6］ 原健安.改性剂与沥青的相互作用对改性沥青性质的影响［J］.重庆交通学院学报，2000(3):37-38.