路用煤沥青高性能化改性技术研究

摘要

随着我国公路大规模建设，道路沥青市场需求高速增长。而目前我国石油资源面临日益匮乏，对外依存度持续增加，价格飚升，加之我国又是产煤大国，2011年煤产量高达35.2亿吨，位居世界首列。其中，煤焦油沥青（简称“煤沥青”）的年产量高、加工附加值低、市场价格仅为石油沥青的60～70％。但是，传统煤沥青本身性质上的缺点颇多，无法满足道路建设的需要。针对煤沥青缺点与弊端，进行毒份消减抑制，同时将煤沥青与基质沥青掺混（以下简称“混合沥青”）并进行性能提升，研究形成服役性能良好的沥青路面材料，在不增加成本的情况下，为路面筑路材料另辟蹊径。在此背景下，本文依托交通部西部项目“新型改性煤沥青应用技术研究”，对煤沥青改性沥青材料的毒份消减抑制及路用高性能化方面进行研究。
　　 论文首先通过气相色谱-质谱分析法，对6种用于煤沥青毒份消解抑制的反应物的改性效果，进行化学反应试验与物性指标测定得出:在减少煤沥青中的致癌成分苯并芘的含量方面，聚氨酯效果最佳，其他去毒效果依次为:强酸苯乙烯型离子交换树脂＞环氧树脂＞聚乙二醇(分子量6000）＞苯甲酸和顺丁烯二酸酐等交联单体类反应剂，探寻出能最大程度降低煤沥青中苯并芘致癌物的毒份消减抑制技术。
　　 其次，进行沥青指标测试，通过多变量、单因素试验分析，得出当搅拌温度为140℃，剪切速率为2000rpm，搅拌时间为30min，混合沥青的相溶效果最佳、三大指标性能最好。综合考虑混合沥青的路用性能、存储稳定性、经济成本，对4组掺配比例、3种聚合物改性剂和5组改性剂掺量的对比研究得出:“310％煤沥青+70％石油沥青”组成的混合沥青具有最佳性价比，推荐改性剂为SBS，最佳外掺量为3％;从沥青指标来看，实现了煤沥青混合沥青高性能化。
　　 在沥青胶结料性能试验分析的基础上，通过对不同煤沥青含量以及不同类别改性剂下的煤沥青改性沥青混合料的路用服役行为进行综合试验评价分析，得出高性能化路用煤沥青的沥青胶结料为“30％煤沥青+70％基质沥青+3％SBS改性剂（外掺）”。同时，基于动态频率扫描试验，对不同掺配比例下的煤沥青改性沥青混合料在不同温度、荷载频率下的动态模量进行了测定，而后采用时温等效原理和基因遗传算法，建立了混合沥青混合料动态模量的主曲线方程。
　　 为研究混合沥青混合料在路面结构中的高温抗车辙能力，采用三轴重复荷载永久变形试验对掺配不同类型改性剂的改性混合沥青混合料的高温剪切性能进行了试验测定，而后，基于非线性回归方式得到混合料的蠕变参数，用于改性混合沥青混合料的路面结构车辙预估有限元模型，计算出同一路面结构不同混合料类型的条件下煤沥青路面层的车辙深度。结果表明:当中、下面层采用SBS改性混合沥青混合料时，路面结构具有最小的车辙深度，在荷载作用50万次后不到1mm，具有最好的抗车辙性能;余下依次为温拌混合沥青混合料＞混合沥青混合料＞SBR改性混合沥青混合料＞90＃石油沥青混合料。路面结构永久变形预估结果变化规律与材料车辙试验数据变化规律相一致，验证了预估模型的可靠性。
　　 最后通过高陵试验路实体工程检测结果，检验出混合沥青及温拌改性混合沥青SAC20混合料路用性能检测性能良好，能够满足我国高等级公路建设的有关要求，具有显著的推广应用价值。
　　 本文研究成果对路用高性能化煤沥青的毒份消减抑制、材料制备、混合料配比组成设计及路面结构高温车辙预估等都具有较强的理论意义与应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 煤焦油的生产加工

1．2．2 煤沥青的改性技术

1．2．3 煤沥青的毒份消减抑制技术

1．2．4 研究现状分析

1．3 研究内容及技术路线

第二章 煤沥青中有毒成份消减抑制技术研究

2．1 煤沥青中毒份物质含量测定技术

2．1．1 紫外-可见分光光度测试

2．1．2 气相色谱-质谱分析测试

2．2 煤沥青毒份消减技术及含量测定

2．2．1 毒份消减抑制原理及设备

2．2．2 消减抑制反应改性剂的选取

2．2．3 消减抑制反应过程

2．2．4 试验结果分析

2．3 本章小结

第三章 煤沥青改性沥青制备及高性能化改性技术研究

3．1 煤沥青与石油沥青混合制备技术研究

3．1．1 原材料选取

3．1．2 试验仪器及分析方法

3．1．3 煤沥青混合沥青制备工艺研究

3．2 混合沥青高性能化改性技术研究

3．2．1 改性聚合物分类

3．2．2 聚合物改性试验对比

3．3 本章小结

第四章 煤沥青混合料路用服役行为室内试验研究

4．1 原材料及最佳油石比

4．1．1 改性混合沥青

4．1．2 集料

4．1．3 级配与油石比

4．2 改性混合沥青混合料路用性能试验研究

4．2．1 标准马歇尔试验

4．2．2 水稳定性检测

4．2．3 高温稳定性

4．2．4 低温抗裂性检验

4．3 动态频率扫描试验

4．3．1 圆柱试件成型及选取

4．3．2 动态频率扫描试验条件及参数

4．3．3 试验结果分析

4．4 混合沥青混合料动态模量主曲线

4．4．1 基本原理与方法

4．4．2 混合沥青混合料动态模量曲线的建立

4．5 本章小结

第五章 煤沥青改性沥青路面车辙变形仿真研究

5．1 改性混合沥青混合料流变学本构模型选择

5．2 三轴重复加载永久变形试验

5．2．1 试验方案

5．2．2 试验步骤

5．2．3 试验结果分析

5．3 路面结构车辙预估分析

5．3．1 荷载条件

5．3．2 计算模型建立

5．3．3 仿真模型中混合料蠕变参数回归

5．3．4 路面结构车辙仿真分析

5．4 本章小结

第六章 煤沥青试验路施工及检测

6．1 试验路方案

6．2 原材料

6．2．1 沥青

6．2．2 矿料

6．3 目标配合比设计

6．3．1 SAC20温拌改性混合沥青

6．3．2 SAC20-混合沥青

6．4 生产配合比设计

6．4．1 SAC20温拌改性混合沥青

6．4．2 SAC20混合沥青

6．5 关键施工工艺控制

6．5．1 煤沥青混合沥青的加工和存储

6．5．2 煤沥青混合沥青拌和、摊铺、碾压温度控制

6．6 性能检测结果

6．7 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 本文创新点

7．3 进一步研究的设想

致谢

参考文献

攻博期间发表的学术论文

专利

获得的科学技术奖