季 節(jié)，徐新強(qiáng)，許 鷹,2,3，王 哲，王佳妮,2,3

（1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京，100044；2.北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京，100044；3.北京節(jié)能減排與城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044）

煤直接液化殘?jiān)―irect Coal Liquefaction Residue，DCLR）是在煤加氫液化工藝中產(chǎn)生的無(wú)法被直接利用的中間產(chǎn)物，一般作為工業(yè)垃圾以堆棄或焚燒等方式處理[1]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，DCLR 與石油瀝青在化學(xué)組成上具有一定的相似性，含有大量瀝青烯以及重質(zhì)油等與石油瀝青組分相似的物質(zhì)，可以用作道路用瀝青改性劑[2]。Xu 等[3]研究了DCLR 中的可溶性組分對(duì)瀝青性能的影響，發(fā)現(xiàn)DCLR 改性瀝青的性能主要取決于其可溶性組分的種類(lèi)和數(shù)量。季節(jié)等[4-6]對(duì)DCLR 改性瀝青、瀝青膠漿及其混合料的性能均進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)DCLR 的摻入提升了石油瀝青以及瀝青膠漿的高溫抗永久變形能力，但對(duì)其低溫及疲勞抗開(kāi)裂能力造成了嚴(yán)重的損害；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)使用DCLR 改性瀝青制成的混合料具有很好的高溫抗車(chē)轍性能和較高的回彈模量。李輝等[7,8]通過(guò)向DCLR 改性瀝青中添加增容劑、增塑劑等不同性質(zhì)的添加劑，能夠?qū)r青的低溫性能進(jìn)行較好地改善。翟旭剛等[9]研究了氧化鋅對(duì)DCLR 改性瀝青抗老化性能的影響，發(fā)現(xiàn)可以提高其抗老化性能。針對(duì)瀝青膠漿的性能，世界各國(guó)學(xué)者也進(jìn)行了很多相關(guān)的研究。Moon 等[10]發(fā)現(xiàn)，在瀝青中添加一定量的礦粉后可以改善其高溫性能。牛永宏等[11,12]研究了粉膠比（Filler to Asphalt，F(xiàn)A）對(duì)瀝青膠漿性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)增大FA 的方式可以較好地提升瀝青膠漿的高溫性能，但對(duì)其抗低溫及疲勞開(kāi)裂能力造成了一定的損傷。謝祥兵等[13]研究了老化過(guò)程中礦粉對(duì)瀝青膠漿性能的影響，發(fā)現(xiàn)老化過(guò)程對(duì)瀝青膠漿的低溫性能造成了一定的損傷。

綜上所述，雖然目前對(duì)DCLR 改性瀝青、膠漿及其混合料的相關(guān)性能已經(jīng)有了較多的研究成果，但是都集中在對(duì)其基本性能的研究方面。對(duì)于外界因素變化及因素間耦合作用對(duì)改性瀝青、膠漿及其混合料的性能影響卻少有研究，尤其是研究因素間耦合作用對(duì)瀝青膠漿性能的影響方面更少涉及。因此，研究DCLR 摻量、溫度、FA 三個(gè)因素以及因素間耦合作用對(duì)膠漿性能的影響，進(jìn)而協(xié)同控制不同因素比例以平衡膠漿高、低溫性能以及疲勞性能，對(duì)實(shí)現(xiàn)DCLR 的高效利用是十分有必要的。

本研究通過(guò)控制DCLR 摻量及FA 制備不同的DCLR 改性瀝青膠漿，采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（dynamic shear rheometer，DSR）與彎曲梁流變?cè)囼?yàn)（bending beam rheometer，BBR）對(duì)膠漿的性能進(jìn)行測(cè)試，研究單一因素（DCLR 摻量、溫度、FA）及因素間耦合作用對(duì)膠漿高、低溫以及疲勞性能的影響，通過(guò)協(xié)同控制不同因素比例以平衡膠漿高、低溫性能以及疲勞性能，提出最佳的DCLR 摻量和FA，為DCLR 的進(jìn)一步利用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料性能

本研究所用的DCLR 為神華集團(tuán)下屬公司的產(chǎn)品，瀝青為韓國(guó)進(jìn)口SK-90 瀝青，礦粉為石灰?guī)r礦粉。根據(jù)規(guī)程[14,15]中的相關(guān)規(guī)定對(duì)原材料的性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1-表3。

表1 DCLR 性能Table 1 Properties of DCLR

表2 SK-90 瀝青性能Table 2 Properties of SK-90 asphalt

表3 礦粉性能Table 3 Properties of filler

1.2 DCLR 環(huán)保性分析

為了探究DCLR 的應(yīng)用是否會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響，本文根據(jù)規(guī)程[16-18]中的相關(guān)規(guī)定對(duì)DCLR 的腐蝕性、反應(yīng)性、浸出毒性等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4 可知，DCLR 腐蝕性、反應(yīng)性、浸出毒性等指標(biāo)的檢測(cè)值均明顯低于規(guī)程[17-19]中的相關(guān)要求，在后續(xù)的應(yīng)用過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行特殊處理，可以直接應(yīng)用。

表4 DCLR 的環(huán)保性指標(biāo)Table 4 Environmental properties of DCLR

1.3 DCLR 改性瀝青膠漿制備

首先，將DCLR 加熱到190 ℃，SK-90 瀝青加熱到120 ℃，使其為可流動(dòng)狀態(tài)。然后，以0、5%、10%、15% 及20%DCLR 摻量（DCLR 與瀝青的質(zhì)量比）分別將DCLR 加入到瀝青中，使兩者混合后使用剪切儀在160 ℃下以恒定轉(zhuǎn)速（4000 r/min）剪切1.5 h，制備五種不同的DCLR 改性瀝青。最后，將礦粉加熱至120 ℃，以0.6、0.8、1.0 和1.2 FA（礦粉與瀝青的質(zhì)量比）分別將礦粉以一定的速率均勻加入到不同的瀝青中，邊加入邊攪拌，礦粉加入完畢后，在160 ℃下以人工攪拌的方式再攪拌10 min，得到DCLR 改性瀝青膠漿。制備流程見(jiàn)圖1。

圖1 DCLR 改性瀝青膠漿制備流程示意圖Figure 1 Preparation process of DCLR modified asphalt mortar

本研究制備20 種不同的DCLR 改性瀝青膠漿試樣，每個(gè)瀝青膠漿試樣進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)兩次，小計(jì)40 個(gè)樣本。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

本研究根據(jù)規(guī)程[15]中的試驗(yàn)方法，分別進(jìn)行DSR 與BBR 試驗(yàn)測(cè)試表征膠漿性能的相關(guān)參數(shù)，并使用方差分析方法對(duì)單一因素（DCLR 摻量、溫度、FA）及因素間耦合作用對(duì)膠漿性能的影響進(jìn)行分析。具體試驗(yàn)方法如下：

DSR 試驗(yàn)。使用AR-1500 型高級(jí)流變儀，控制模式采用應(yīng)變控制，角速度采用10 rad/s。在高溫域（46-88 ℃）內(nèi)以6 ℃為溫度梯度對(duì)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)（Rolling Thin Film Oven Test，RTFOT）前、后的膠漿進(jìn)行試驗(yàn)，分別得到相位角（δ）、復(fù)數(shù)剪切勁度模量（G*）、抗車(chē)轍因子（G*/sinδ）等參數(shù)，分析膠漿的高溫性能；在中溫域（31-16 ℃）內(nèi)以-3 ℃為溫度梯度對(duì)不同DCLR 改性瀝青膠漿進(jìn)行試驗(yàn)，分別得到δ、G*、疲勞因子（G*·sinδ）等參數(shù)，分析膠漿的疲勞性能。

BBR 試驗(yàn)。使用TE-BBR 型彎曲梁流變儀，在低溫域（0-18 ℃）內(nèi)以-6 ℃為溫度梯度對(duì)膠漿進(jìn)行試驗(yàn)，分別得到彎曲蠕變勁度模量（S）以及蠕變速率（m-值），分析膠漿的低溫性能。

方差分析。使用方差分析法，以單一因素（DCLR 摻量、溫度、FA）及因素間耦合作用作為變異來(lái)源，分別分析單一因素（DCLR 摻量、溫度、FA）及因素間耦合作用對(duì)G*/sinδ、S值、m-值、G*·sinδ等參數(shù)的影響，確定其對(duì)膠漿高、低溫及疲勞性能的影響程度。

2 結(jié)果與討論

2.1 單一因素對(duì)DCLR 改性瀝青膠漿性能的影響

圖2、圖3 分別為不同溫度下膠漿G*/sinδ值、m-值及S值隨FA 和DCLR 摻量的變化，圖4 為不同DCLR 摻量下膠漿G*·sinδ值 隨FA 和溫度的變化情況，圖5 為典型溫度下（46 和64 ℃）膠漿G*/sinδ值在RTFOT 前、后的變化。

圖2 不同溫度下膠漿G */sinδ值隨粉膠比和DCLR 摻量的變化Figure 2 Variation of G */sinδ value of asphalt mortar with FA and DCLR content at different temperatures

圖3 不同溫度下膠漿 m-值和S 值隨粉膠比和DCLR 摻量的變化Figure 3 Variation of m -v alue and S value of asphalt mortar with FA and DCLR content at different temperatures

圖4 不同DCLR 摻量下膠漿G *·sinδ值隨粉膠比和溫度的變化Figure 4 Variation of G *·sinδ value of asphalt mortar with FA and temperatures at different DCLR contents

圖5 典型溫度下膠漿G */sinδ值在RTFOT 前后的變化Figure 5 Change of G */sinδ value at typical temperature before and after RTFOT

從圖2-圖5 可知：

在同一粉膠比和DCLR 摻量下，46-88 ℃高溫域內(nèi)隨著溫度的上升，RTFOT 前、后的膠漿G*/sinδ值在不斷降低，在0-18 ℃的低溫域內(nèi)隨著溫度的下降，膠漿m-值 在不斷減小，S值在不斷增大，在31-16 ℃中溫域內(nèi)隨著溫度的下降，膠漿G*·sinδ值在不斷增大。說(shuō)明在高溫域內(nèi)溫度的升高會(huì)對(duì)膠漿的高溫性能造成損傷，而在低溫域以及中溫域內(nèi)溫度的下降會(huì)對(duì)膠漿的低溫性能以及疲勞性能造成損傷。這是因?yàn)樵诟邷赜騼?nèi)隨著溫度的升高，膠漿的黏度不斷變小，流動(dòng)性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致其高溫抗永久變形能力不斷變差。而在低溫域以及中溫域內(nèi)隨著溫度的下降，膠漿的脆性增強(qiáng)，彈性和韌性逐漸降低，導(dǎo)致其應(yīng)力松弛能力彈性恢復(fù)能力下降，從而造成其抗低溫及疲勞開(kāi)裂能力在不斷變差。

在同一溫度和粉膠比下，隨著DCLR 摻量的不斷提升，膠漿G*/sinδ 值、S值 以及G*·sinδ值均在不斷增大，m-值在不斷減小，當(dāng)DCLR 摻量超過(guò)10%后，S值 和G*·sinδ 值 的增加速率以及m-值的減小速率明顯加快。這說(shuō)明DCLR 的加入能夠提升膠漿的高溫抗變形能力，但會(huì)降低其低溫及疲勞抗開(kāi)裂能力。這是因?yàn)镈CLR 中含有大量的瀝青質(zhì)和不溶于四氫呋喃的復(fù)雜物質(zhì)，這些物質(zhì)與基質(zhì)瀝青發(fā)生交聯(lián)作用，使得瀝青的流動(dòng)單體體積與流動(dòng)阻力增大，膠漿的脆性和硬度增加[4,5]，高溫抗永久變形能力得到了提升，低溫及疲勞抗開(kāi)裂能力降低。當(dāng)DCLR 摻量超過(guò)10% 后，DCLR 中的四氫呋喃不溶物含量達(dá)到一個(gè)較高的程度，部分不溶物又會(huì)起到一部分礦粉的作用，即吸收膠漿中的自由瀝青，使得膠漿變硬、變脆，從而加速了抗低溫及疲勞開(kāi)裂能力的下降。

在同一溫度和DCLR 摻量下，隨著FA 的不斷提升，膠漿的G*/sinδ 值、S值 以及G*·sinδ值在不斷增大，m-值 在不斷減小。當(dāng)FA 大于1.0 時(shí)，G*/sinδ值增大的速率逐漸變小，而S值 和G*·sinδ值的增加速率以及m-值的減小速率明顯加快。這說(shuō)明礦粉的加入也能夠提升膠漿的高溫抗永久變形能力，但會(huì)降低其抗低溫及疲勞開(kāi)裂能力。這是由于礦粉具有較大的比表面積，可不斷吸收膠漿中的自由瀝青，隨著FA 的增大，礦粉逐漸從分散相變?yōu)檫B續(xù)相，膠漿不斷變稠，阻滯塑性流動(dòng)的能力降低，逐漸變硬、變脆。導(dǎo)致膠漿的高溫抗永久變形能力得到了增強(qiáng)，同時(shí)也降低了其抗低溫及疲勞開(kāi)裂能力[4,5]。

在不同溫度下膠漿G*/sinδ值在RTFOT 老化之后均有所增大，且隨著DCLR 摻量和FA 的增加，其增長(zhǎng)幅度都有所提高，說(shuō)明老化過(guò)程對(duì)膠漿的高溫抗車(chē)轍能力有所增益，且隨著DCLR 摻量和FA 的增加，這種增益效果越明顯。

2.2 單一因素對(duì)DCLR 改性瀝青膠漿臨界破壞溫度的影響

根據(jù)SHRP 規(guī)定分別計(jì)算得到膠漿的高、低、中溫域的臨界破壞溫度[20]，臨界破壞溫度隨FA 和DCLR 摻量的變化見(jiàn)圖6-圖8。

圖6 DCLR 改性瀝青膠漿高溫域臨界破壞溫度Figure 6 Critical failure temperature of DCLR modified asphalt mortar at high temperature domain

圖7 DCLR 改性瀝青膠漿低溫域臨界破壞溫度Figure 7 Critical failure temperature of DCLR modified asphalt mortar at low temperature domain

圖8 DCLR 改性瀝青膠漿中溫域臨界破壞溫度Figure 8 Critical failure temperature of DCLR modified asphalt mortar at medium temperature domain

由圖6-圖8 可知：

在DCLR 摻量或粉膠比單一因素增大的條件下，膠漿在高、低、中溫域的臨界破壞溫度均在不斷升高，說(shuō)明DCLR 和礦粉的加入均能夠擴(kuò)大膠漿高溫域內(nèi)的應(yīng)用溫度范圍，但會(huì)縮小在中溫域以及低溫域內(nèi)的應(yīng)用溫度范圍。這是因?yàn)殡S著DCLR 摻量和粉膠比的增加，膠漿的高溫性能得到了提升，而低溫及疲勞性能受到了損傷。因此，需要對(duì)DCLR 以及礦粉的摻量進(jìn)行控制以保證DCLR 改性瀝青膠漿的進(jìn)一步應(yīng)用。

RTFOT 后膠漿的高溫臨界破壞溫度受DCLR摻量的影響變大，而受FA 的影響變小。這是因?yàn)樵诶匣^(guò)程中SK-90 瀝青和DCLR 中的活性官能團(tuán)與氧氣反應(yīng)，含羰基（C=O）官能團(tuán)的氧化產(chǎn)物增多，輕質(zhì)組分減少，使得可以被礦粉吸收的的自由瀝青含量減少[4,5]，從而導(dǎo)致DCLR 摻量對(duì)老化后的膠漿的高溫臨界破壞溫度影響增大，F(xiàn)A 對(duì)其影響減小。

2.3 方差分析

在方差分析中，P值用于檢驗(yàn)因素與指標(biāo)之間的相關(guān)性，當(dāng)P＜(1-α)時(shí)說(shuō)明檢驗(yàn)因素與指標(biāo)之間有非常強(qiáng)的相關(guān)性，本文取置信度 α為95%。當(dāng)P值滿(mǎn)足要求時(shí)，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F值越大，說(shuō)明對(duì)應(yīng)的因素對(duì)結(jié)果的影響程度越劇烈。以單一因素（DCLR 摻量、溫度、FA）及因素間耦合作用作為變異來(lái)源，分別對(duì)膠漿G*/sinδ、m-值、S值以及G*·sinδ進(jìn)行方差分析。P值與F值的結(jié)果如表5及圖9 所示。

表5 DCLR 改性瀝青膠漿性能指標(biāo)方差分析P 值Table 5 P value of variance analysis of DCLR modified asphalt mortar performance index

由表5 可知：在膠漿的G*/sinδ、m-值、S值以及G*·sinδ等參數(shù)中，單一因素（DCLR 摻量、溫度、FA）及因素間耦合作用對(duì)應(yīng)的P值均小于0.05，因此，單一因素（DCLR 摻量、溫度、FA）及因素間耦合作用對(duì)膠漿的性能均會(huì)造成顯著的影響。

由圖9 可知：

圖9 DCLR 改性瀝青膠漿性能指標(biāo)方差分析F 值Figure 9 F value of variance analysis of DCLR modified asphalt mortar performance index

對(duì)于膠漿的G*/sinδ值、m-值、S值 以及G*·sinδ，溫度對(duì)應(yīng)的F值均大于其他因素及因素間耦合作用對(duì)應(yīng)的F值，高于DCLR 摻量對(duì)應(yīng)的F值70%以上。說(shuō)明溫度是導(dǎo)致膠漿高、低溫以及疲勞性能變化的最主要因素。因此，在實(shí)際應(yīng)用中為了保證DCLR 改性瀝青膠漿能夠滿(mǎn)足使用要求，需要重視其應(yīng)用溫度范圍。

對(duì)于DCLR 摻量和FA 而言，DCLR 摻量對(duì)應(yīng)的F值從總體上來(lái)說(shuō)均大于FA 對(duì)應(yīng)的F值，說(shuō)明膠漿高、低溫以及疲勞性能受DCLR 摻量變化的影響要高于受FA 的影響。

因素間耦合作用對(duì)應(yīng)的F值要明顯小于單一因素對(duì)應(yīng)的F值，說(shuō)明與單一因素相比，因素間耦合作用對(duì)DCLR 改性瀝青膠漿高、低溫以及疲勞性能的影響很小。

對(duì)于膠漿的高溫性能，溫度和DCLR 摻量間的耦合作用對(duì)其影響最大；而對(duì)于膠漿的低溫和疲勞性能，不同因素間的耦合作用對(duì)其影響程度基本一致，差異很小。

3 結(jié) 論

隨著DCLR 摻量或粉膠比單一因素的增大，膠漿G*/sinδ和S值 均不斷增大，G*·sinδ和m-值均不斷減小，同時(shí)膠漿高、中溫域的臨界破壞溫度在不斷升高，低溫域的臨界破壞溫度在不斷下降。說(shuō)明DCLR 和礦粉的加入均會(huì)顯著提高膠漿的高溫抗永久變形能力，但都會(huì)導(dǎo)致膠漿的抗低溫及疲勞開(kāi)裂能力降低。

綜合平衡DCLR 摻量和粉膠比對(duì)膠漿性能的影響，推薦最佳DCLR 摻量為10%，最佳FA 為1.0。

通過(guò)方差分析發(fā)現(xiàn)，單一因素（DCLR 摻量、溫度、FA）及因素間耦合作用對(duì)膠漿的高、低溫及疲勞性能均有著顯著的影響，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，因素間的耦合作用對(duì)膠漿性能的影響要明顯小于單一因素對(duì)其造成的影響。

溫度是影響DCLR 改性瀝青膠漿高、低溫以及疲勞性能最主要的因素，建議根據(jù)膠漿的性能選擇其合適的應(yīng)用溫度范圍。