基于正交设计和灰色关联理论的DCLR改性沥青优化与机理研究

基于不同工艺条件下煤直接液化残渣(direct coal liquefaction residue,DCLR)改性石油沥青,通过设计三因素三水平正交试验,得到DCLR改性沥青的最佳工艺条件为剪切搅拌时间45 min、剪切搅拌温度150℃、剪切搅拌速率4000 r/min;通过灰关联度分析,发现针入度、软化点、延度、PI这4个指标的影响权重不一,主次顺序分别为针入度>PI>延度>软化点.利用BP神经网络对改性沥青的性能(针入度)进行模拟和预测,预测值与实验数据拟合度为0.993,证明了该方法的有效性.采用红外光谱、热重和扫描电镜对改性沥青进行分析.结果表明:DCLR与沥青之间没有发生明显的化学变化.在确定其最优配比的基础上,通过车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验来评价混合料的高温性能、低温性能和水稳定性能,结果表明:DCLR能明显改善沥青的高温性能和水稳定性,但对其低温性能影响不大.

DCLR改性乳化沥青的制备及其性能研究

为了研究DCLR改性乳化沥青的性质,先将DCLR作为改性剂对90#基质沥青进行改性,然后使用高速剪切机对DCLR改性沥青进行乳化,对其制备工艺进行研究,制得了不同比例(4%、8%、12%、16%、20%和24%)的DCLR改性乳化沥青,并进行常规性能试验、低温弯曲蠕变试验、储存稳定性试验和黏度试验。试验结果表明,随着DCLR掺量的增加,蒸发残留物的针入度逐渐减小,软化点逐渐增大,表明DCLR的加入使其高温性能得到明显改善;随着DCLR掺量的增加,蒸发残留物的蠕变劲度S和蠕变速率m值变化不大,表明DCLR的加入对低温性能影响不大;随着DCLR掺量的增加,新鲜沥青乳液的储存稳定性降低、黏度变大,表明DCLR的加入使其工作性能受到一定影响。

DCLR与TLA共混改性沥青的性能对比

以SK-90沥青为基质沥青,分别加入相同掺量(与沥青质量比为5%、10%、15%和20%)的DCLR和TLA,利用SHRP PG、针入度分级体系、红外光谱仪和凝胶色谱仪对比分析DCLR和TLA共混改性沥青的宏观性能和微观结构的变化。结果表明,DCLR和TLA的加入均可以改善沥青的高温性能,但对沥青的低温性能和疲劳性能产生一定的不利影响。同时,根据DCLR和TLA共混改性沥青的官能团和分子量分布的变化可以判断DCLR和TLA对沥青的改性作用主要为物理改性,在某种程度上,DCLR不能完全替代TLA。

DCLR与TLA改性沥青胶浆的流变性能对比

目的研究煤直接液化残渣（DCLR）和特立尼达湖沥青（TLA）改性沥青胶浆的流变性能,揭示DCLR和TLA对沥青胶浆的流变特性影响规律及改性效果.方法分别制备粉胶质量比为0.6,0.8,1.0,1.2的DCLR和TLA改性沥青胶浆,采用动态剪切流变仪（DSR）和弯曲梁流变仪（BBR）对沥青胶浆流变性能进行了测试,并对比分析了DCLR与TLA改性沥青胶浆的流变特性.结果在相同温度下,随着粉胶质量比的提高,DCLR沥青胶浆的复数模量增大,相位角减小,车辙因子、疲劳因子、蠕变劲度模量均增大,蠕变速率减小,DCLR显著地改善了沥青胶浆的高温性能,但对其低温和疲劳性能有消极影响.当粉胶质量比在0.8~1.0,DCLR沥青胶浆的性能最为优越.结论相比TLA改性沥青胶浆,DCLR改性沥青胶浆的高温性能更为优越,但低温和疲劳性能相对较差.

DCLR掺量和粉胶比对沥青胶浆性能的影响分析

为了分析煤直接液化残渣(Direct Coal Liquefaction Residue,DCLR)掺量和粉胶比对沥青胶浆性能的影响,进而确定合理的DCLR掺量和粉胶比,对沥青胶浆进行了"二因素四水平"正交设计。利用DSR(Dynamic Shear Rheometer)和BBR(Bending Beam Rheometer)试验,分析了DCLR掺量和粉胶比对沥青胶浆的G*/sinδ(车辙因子)、G*·sinδ(疲劳因子)、m-值(蠕变速率)以及S(蠕变劲度模量)的影响规律。研究结果表明:DCLR掺量和粉胶比对沥青胶浆高温、低温及疲劳性能均有显著影响,且随DCLR掺量增加和粉胶比提高,沥青胶浆的高温性能在不断提高,疲劳性能和低温性能在逐渐下降。同时,发现DCLR掺量对沥青胶浆性能的影响程度远远高于粉胶比对沥青胶浆性能的影响程度,综合沥青胶浆性能变化,当DCLR掺量小于10%、粉胶比低于1.0时,沥青胶浆的性能最为优越。

DCLR改性沥青宏观性能与微观相对分子质量分布关系

为了研究煤直接液化残渣（direct coal liquefaction residue,DCLR）改性沥青宏观性能与微观相对分子质量分布的关系,以70#沥青为基质沥青,对DCLR掺量（DCLR与基质沥青的质量比）分别为5%,10%,15%和20%的改性沥青,利用PG分级体系和针入度分级体系分析了DCLR对沥青宏观性能（高温性能、低温性能、疲劳性能）的影响;同时,采用凝胶色谱仪测试DCLR改性沥青的相对分子质量分布,分析分布参数LMS（大分子区）,MMS（中分子区）和SMS（小分子区）所占比例与沥青宏观性能之间的关系.结果表明：DCLR可显著改善沥青的高温性能,但也会明显降低沥青的低温性能和疲劳性能;DCLR改性沥青更适合作为沥青路面结构的中面层来提高路面的高温抗变形能力,建议DCLR的掺量为5%,适用于1～4气候分区;相对分子质量分布参数LMS所占比例与沥青的宏观性能具有显著的相关性,据此可建立两者在不同温度下的指数关系模型.

煤直接液化残渣共混改性沥青的性能和微观结构

为了研究煤直接液化残渣(direct coal liquefaction residue,DCLR)与沥青共混改性后的宏观性能和微观结构,以SK-90沥青为基质沥青,分别加入不同掺量(与基质沥青质量比为5%、10%、15%和20%)的DCLR,利用SHRP PG、针入度分级体系、红外光谱仪和凝胶色谱仪分析DCLR与沥青共混改性后宏观性能和微观结构的变化规律.试验结果表明:DCLR的加入可以改善沥青的高温性能,但对沥青低温性能和疲劳性能有一定的不利影响.同时,从DCLR共混改性沥青的官能团和相对分子质量分布的变化可以判断DCLR对沥青的共混改性主要为物理改性.

煤直接液化残渣改性沥青及其混合料性能评价

为了研究煤直接液化残渣(direct coal liquefaction residue,DCLR)改性沥青混合料性能,制备10%DCLR(与基质沥青质量比)改性沥青混合料和复合DCLR(2%SBS+15%橡胶粉+10%DCLR)沥青混合料,并与热拌沥青混合料以及SBS改性沥青混合料性能对比.试验结果表明:DCLR的掺入可以提高沥青混合料的高温稳定性和水稳定性能,但对其低温性能有损伤;复合DCLR沥青混合料的低温性能得到了很大程度的提高,其高低温性能和水稳定性明显高于SBS改性沥青混合料.

基于SHRP的煤直接液化残渣改性沥青性能研究

文章基于美国公路战略研究计划(Strategic Highway Research Program,SHRP)体系方法对煤直接液化残渣(direct coal liquefaction residue,DCLR)改性沥青的性能进行了评价,并采用复数模量指数(GTS)和蠕变劲度模量指数(STS)对沥青的温度敏感性进行了评价。结果表明:DCLR的加入增强了沥青的高温性能,但降低了沥青的低温性能;在高温(46~82℃)范围内,DCLR的加入降低了沥青的温度敏感性,但在低温(-18~0℃)范围内,DCLR的加入提高了沥青的温度敏感性。与基质沥青相比,DCLR改性沥青更适合应用在夏季高温地区或作为沥青面层结构中的中面层,有利于提高沥青路面的高温抗变形能力。

液化残渣添加量对低变质粉煤制备型焦的影响

以低变质粉煤与液化残渣为原料制备型焦,主要考察了液化残渣添加比例对型焦抗压强度、热解产品收率及组成的影响.采用FTIR、SEM、GS-MS等对热解产品进行了分析表征.研究表明,随着D-DCLR(经去灰处理后的液化残渣)添加量的增大,型焦的抗压强度呈现出先升高后降低的趋势,当质量分数为40%时,型焦抗压强度可达573.3,N/ball(每块型焦所能承受的压力);同时,在D-DCLR的供氢作用以及协同效应的共同作用下,型焦收率逐渐减小,而焦油和煤气收率则逐渐增大,最大可达到14%左右;煤气中H2、CO含量逐渐降低,而CH4含量逐渐增大;焦油中轻质组分含量逐渐升高,有利于其进一步加工利用.

煤直接液化残渣和粉胶比对沥青胶浆高低温性能的影响

为了分析煤直接液化残渣（Direct Coal Liquefaction Residue）和粉胶比对沥青胶浆高低温性能的影响,利用DSR（Dynamic ShearRheometer）和BBR（BendingBeamRheometer）试验,对不同粉胶比（0.6,0.8,1.0,1.2）和DCLR下沥青胶浆的高低温性能进行研究,分析DCLR和粉胶比对G~＊/sinδ（车辙因子）、S（蠕变劲度模量）以及m-值（蠕变速率）的影响规律.试验结果表明：随着粉胶比的提高和DCLR的添加,沥青胶浆的高温性能在不断增强,低温性能在逐渐下降,出现了最佳粉胶比.综合平衡沥青胶浆的高低温性能,当粉胶比为1.0时,其高低温性能最佳.

Compatibility Evaluation between Direct Coal Liquefaction Residue and Bitumen

The compatibility between direct coal liquefaction residue(DCLR) and five kinds of pure bitumen(Shell-90,SK-90, ZSY-70, DM-70 and KLMY-50) was evaluated in this study. The rheological characteristics, glass transition temperatures(T_g), solubility parameters(SP) and SARA(saturates, aromatics, resins, and asphaltenes) fractions of DCLR,five kinds of pure bitumen and their blends(named as DCLR modified bitumen) were measured using the dynamic shear rheometer(DSR), differential scanning calorimetry(DSC), viscosity, and SARA tests, respectively. And the compatibility between DCLR and pure bitumen was characterized with three approaches, viz. the Cole-Cole plot,T_g, and the solubility parameter difference(SPD) method. Since each method has its own working mechanism, the compatibility ranking for the DCLR and five kinds of pure bitumen is slightly different according to the three approaches. However, the difference is pretty close and sometimes can be ignored. The general compatibility ranking decreases in the following order: Shell-90≈SK-90>DM-70≈ZSY-70>KLMY-50, which is affected by the asphaltenes content and the colloid index(I_c) value in the pure bitumen. Pure bitumen with lower asphaltenes content and colloid index(I_c) value has better compatibility with DCLR.

煤直接液化残渣改性沥青胶浆性能研究

为了研究煤直接液化残渣(Direct Coal Liquefaction Residue,DCLR)改性沥青胶浆的性能,制备不同DCLR掺量和粉胶比(Filler-Asphalt ratio,FA)的DCLR改性沥青胶浆。采用动态剪切流变仪与弯曲梁流变仪对胶浆的性能进行测试,并利用方差分析法分析了单一因素(DCLR掺量、温度、FA)及因素间耦合作用对胶浆性能的影响。结果表明,DCLR和矿粉的加入均能显著提高胶浆的高温性能,但对其低温及疲劳性能会造成较大的损伤。平衡DCLR掺量和FA对胶浆性能的综合影响,得出最佳DCLR掺量为10%,最佳FA为1.0。除此之外,单一因素(DCLR掺量、温度、FA)及因素间耦合作用对胶浆的性能均有着显著的影响,相对来说,因素间耦合作用对胶浆性能的影响明显小于单一因素对胶浆性能造成的影响。

煤直接液化残渣与神东煤共热解特性研究

实验选用500 g级基于热重系统热解装置研究了神华液化残渣与神东煤共热解特性。结果表明,在反应器侧壁温度为200~600℃区间内,同一时刻,随着液化残渣配比的增加,热解胶质层比例增加,热解过程中传热加剧,煤样中心温度逐渐升高;液化残渣配比为20%时,煤样中心温度最高。液化残渣配比由0%增加至25%时,热解总失重量逐渐减小,焦油收率逐渐升高,热解特性趋好。当液化残渣比例由10%增加至25%时,半焦粘结加剧,3~6 mm粒级产率由51.99%降至34.03%,大于6 mm粒级占比由39.82%增加到57.06%;当液化残渣配比达到20%时,有一半以上的半焦粒度增加。

高温和重载对DCLR改性沥青混合料抗变形能力的影响

为了评价煤直接液化残渣(DCLR)和复合DCLR改性沥青混合料在高温和重载下的抗变形能力,对级配为AC-20的2种沥青混合料进行多温度(50℃、60℃、70℃)、多荷载(0.7、0.8、0.9、1.0 MPa)条件下的三轴重复荷载试验,并对试验数据进行非线性拟合,提出了能够在高温和重载条件下评价2种沥青混合料抗变形能力的指标,并利用方差分析法研究了温度和荷载对沥青混合料抗变形能力的显著性影响。研究结果表明:2种沥青混合料的永久变形随温度和荷载的增大而增大,流动数、非线性拟合指数分别与温度和荷载呈负相关与正相关,说明流动数和非线性拟合指数均能反映沥青混合料的抗变形能力,但2种沥青混合料的流动数的三维曲面在温度为65℃～70℃和荷载为1.0 MPa处有交叉,说明流动数在高温和重载条件下不能有效区分DCLR和复合DCLR改性沥青混合料的抗变形能力;在0.05显著性水平下,2种沥青混合料的抗变形能力对温度的敏感性均高于荷载,因此,温度为影响2种沥青混合料抗变形能力的主要因素,荷载为次要因素;温度和荷载的非线性拟合指数、流动数分别在0.013和0.113显著性水平下对2种沥青混合料的抗变形能力有显著性影响,因此,在试验温度和荷载范围内非线性拟合指数比流动数更适合作为评价DCLR与复合DCLR改性沥青混合料抗变形能力的指标。

增容剂对煤直接液化残渣与石油沥青相容性的改善效果评价

为分析苯甲醛(Benzaldehyde,BENZ)和邻苯二甲酸二辛酯(Dioctyl Phthalate,DOP)对煤直接液化残渣(Direct Coal Liquefaction Residue,DCLR)与石油沥青相容性的改善效果,选取饱和分、芳香分、沥青质与胶质代表沥青四组分,采用分子模拟软件(Materials Studio,MS)组建SK-90沥青、DCLR、BENZ、DOP单体分子模型,并利用以上分子模型构建14种体系,通过分子动力学模拟计算体系间溶解度参数差值、Flory-Huggins参数、体系间相互作用能,探究单掺或复掺BENZ和DOP对DCLR与SK-90沥青相容性的影响机制,并分析BENZ和DOP对DCLR与SK-90沥青相容性的改善效果。研究结果表明:BENZ和DOP的掺入提高了SK-90沥青的溶解度参数,从而使SK-90沥青与DCLR体系间溶解度参数差值降低,提升了DCLR与SK-90沥青的相容性;3种掺配方式对DCLR与SK-90沥青相容性提升效果排序为复掺BENZ和DOP>单掺BENZ>单掺DOP;相互作用能中范德华势能与非键接能作为评价DCLR与SK-90沥青间相容性的指标比静电势能更优异。

煤直接液化残渣与沥青共混后的性能试验研究

煤直接液化残渣(Direct Coal Liquefaction Residue,DCLR)作为煤制油过程中的副产品,含有一定的重质油和沥青烯类物质,是一种较为理想的沥青改性剂。为了研究DCLR作为改性剂与沥青共混后,DCLR对沥青性能的影响,以SK-90和DM-70沥青为基质沥青,分别加入不同掺量(与沥青质量比为5%,10%,15%和20%)的DCLR,利用针入度分级体系、SHRP PG、红外光谱仪和凝胶色谱仪等试验手段分析DCLR与沥青共混后的宏观性能和微观结构变化。试验结果表明:DCLR和沥青分属小分子和大分子物质,DCLR与沥青共混后,沥青的分子结构、组分、元素组成等并没有发生变化,但沥青的高温性能得到了改善,低温性能有一定程度的损伤,即DCLR对沥青的改性为物理改性。

煤直接液化残渣对沥青-集料黏附性的影响

为评价煤直接液化残渣(Direct Coal Liquefaction Residue,DCLR)对沥青与集料黏附性的影响,基于表面自由能理论,以SK-90沥青为基质沥青,以石灰岩为集料,利用躺滴法分别测试不同DCLR掺量下(0%、2%、4%、6%、8%、10%,掺量表示DCLR与SK-90质量比,下文同)改性沥青在不同老化阶段(原样、短期老化以及长期老化)的表面自由能,计算不同老化阶段不同DCLR掺量下沥青的黏聚功,以及无水和有水条件下不同DCLR掺量的改性沥青在不同老化阶段与石灰岩之间的黏附功和剥落功,并采用黏附功、黏聚功之和与剥落功的比值作为水稳定性能评价参数来评价沥青-集料间的水稳定性能。试验结果表明:DCLR加入后,随着掺量的增加会提高沥青自身的重均分子量和极性基团含量,从而提高DCLR改性沥青表面自由能中的极性分量、非极性分量以及黏聚功;DCLR改性沥青-石灰岩之间的黏附功、水稳定性能等均随着DCLR掺量的增加而逐渐增加,说明加入DCLR并增加其掺量会显著提高沥青与石灰岩之间的黏附性和水稳定性能,但沥青的老化对DCLR改性沥青-石灰岩之间的黏附性及水稳定性能影响不大。

煤直接液化残渣改性沥青路面结构车辙预估

为研究煤直接液化残渣(DCLR)改性沥青路面的抗车辙性能,基于京新(北京—乌鲁木齐)高速公路的交通环境调查数据,以车辙深度和动稳定度为指标,采用ABAQUS模拟和沥青路面结构分析软件(APAD)计算2种方法,分别对作为中面层的4种沥青混合料(DCLR改性沥青混合料、复合DCLR改性沥青混合料、SK-90沥青混合料和SBS改性沥青混合料)在同一路面结构(4 cm AC-13上面层、6 cm AC-20中面层、8 cm AC-25下面层、40 cm水泥稳定碎石基层和20 cm石灰土底基层)和不同使用年限(1、2、5、10、15年)下进行车辙预估,并通过室内车辙试验和统计学检验方法进行性能验证和模拟结果评价。结果表明:理论预测值与实际测试结果基本一致,在显著性水平取0.05时,2种车辙深度模拟计算方法不存在系统误差,即车辙预估具有一致性;4种沥青路面结构的车辙深度均随使用年限的增加呈线性增长,判定系数R2均在0.9以上,其中复合DCLR改性沥青路面车辙增长速率最慢,DCLR改性沥青路面次之,第3为SBS改性沥青路面,最差为SK-90沥青路面;在设计年限15年内,与常规的SK-90和SBS改性沥青路面相比,DCLR和复合DCLR改性沥青路面分别减少了40%~60%和30%~50%的车辙,抗变形能力分别提高了1.7~2.4倍和1.4~2.0倍;复合DCLR改性沥青路面抗车辙性能最为优异,DCLR改性沥青路面强于SBS改性沥青路面,SK-90沥青路面抗车辙性能最差。

煤直接液化残渣和废食用油复合改性沥青及混合料性能研究

为了探讨煤直接液化残渣(DCLR)和废食用油(WCO)复合改性沥青及沥青混合料路用性能,首先采用针入度试验、动态剪切流变试验和弯曲梁流变试验分别对基质沥青、5%WCO掺量改性沥青、5%DCLR掺量改性沥青及5%DCLR+5%WCO复合改性沥青的温度敏感性、高温性能等级、低温性能等级和流变性能进行了测试,从沥青层面研究DCLR/WCO复合改性沥青的可能性。然后采用车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验分别对4种沥青混合料高温稳定性能、低温抗裂性能和水稳定性能进行了测试,从沥青混合料层面研究了DCLR/WCO复合改性沥青的可能性。测试了5%DCLR+7%WCO和5%DCLR+9%WCO两种不同DCLR和WCO比例复合改性沥青混合料的路用性能,验证了DCLR和WCO掺配比例的合理性。结果表明:5%DCLR+5%WCO复合改性沥青的针入度指数介于-2~2之间,属于溶凝胶型沥青,其当量软化点满足夏炎热地区高温要求,其当量脆点满足冬寒区低温要求,其高温性能等级、低温性能等级及疲劳性能与基质沥青相当;5%DCLR+5%WCO复合改性沥青混合料的高温抗车辙性能、低温抗裂性能和水稳定性能均满足规范要求;DCLR和WCO复合改性沥青混合料的水稳定性能随着WCO掺量的提高有下降的趋势,因此,采用5%DCLR+5%WCO复合改性沥青掺量相对合理且具有可行性,选用其他高DCLR或WCO掺量复合改性沥青的性能还需进一步研究。