本发明涉及道路用改性沥青的技术领域，具体涉及一种煤基沥青砂及其制备方法。
背景技术：
目前，在我国公路建设的过程中，改性沥青得到了普遍应用，其中最普遍的是SBS改性沥青，但研究表明：聚合物改性沥青在生产和工艺设备方面需要较大的投资，如特殊的剪切设备和较多的能源消耗等，在运输和存储方面需要不断的加热和搅拌，以防止改性剂和沥青的分层与离析。上述这些缺点在一定程度上限制了聚合物改性沥青的应用。
近年来，一种新型改性剂-天然沥青，以其优良的路用性能、简便的施工工艺和经济合理的价格备受人们青睐。天然沥青与基质沥青一样都是石油的衍生物，其与基质沥青之间有着非常好的配伍性，因此两者相混时不存在离析现象产生，天然沥青对拌合设备无特殊要求，只需在拌合时按照配合比确定的掺量加入足够数量的天然沥青改性剂就可以得到耐久稳定、路用性能明显提高的改性沥青混合料。另外，在存储、运输和使用方面也很简便。因此，其在高速公路、机场跑道和桥面铺装等工程中有着广泛的应用。天然沥青主要有湖沥青、岩沥青和海底沥青。
然而，由于天然沥青价格昂贵和来源受限的原因，限制了天然沥青的广泛使用。
对道路沥青改性的添加剂种类繁多，从改性性能考虑，Trinidad湖沥青(TLA)作为改性剂具有独特的改性效果，被许多发达国家使用在质量要求较高的路面上，但是LTA受资源的限制，售价较高，适用范围受到限制。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种路用性能优异的可替代天然沥青且价格低廉、制备方法简单的煤基沥青砂改性沥青及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
(一)一种煤基沥青砂改性沥青，其特征在于，包括：煤基沥青砂和基质沥青，所述煤基沥青砂的质量为所述基质沥青的质量的5-25％。
优选地，所述煤基沥青砂包括以下元素：碳、氢、硫、氮和氧。
优选地，所述煤基沥青砂的软化点为60-80℃，50℃针入度为20-80。
优选地，所述煤基沥青砂的粒度为10目。
优选地，所述煤基沥青砂的质量为所述基质沥青的质量的10-20％。
优选地，所述煤基沥青砂改性沥青的路用性能标准包括以下技术指标：60℃粘度在160-200，单位为Pa·s，25℃针入度在30-50，单位为0.1mm，软化点≥47℃；沥青旋转薄膜加热后残留物的质量损失为±0.8％，沥青旋转薄膜加热后残留物的25℃针入度比≥50，沥青旋转薄膜加热后残留物的15℃残留延度≥10。
(二)一种煤基沥青砂改性沥青的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将煤基沥青砂在60-80℃条件下加热，脱水，备用；
步骤2，加热基质沥青至150-170℃；
步骤3，再向加热后的基质沥青中加入煤基沥青砂，加热搅拌，使所述煤基沥青砂均匀分散在所述基质沥青中，即得。
进一步地，所述加热搅拌，是在温度为160-180℃的条件下进行。
进一步地，所述加热搅拌，其搅拌时间为30-90分钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的煤基沥青砂改性沥青具有优异的高温性能、耐久性、抗变形能力等路用性能，同时对基质沥青没有选择性，通用性强，适宜于推广应用。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述。
煤基沥青砂是煤油共炼技术的副产品，是一种高炭、高灰和高硫的物质。以下实施例中的煤基沥青砂是陕西延长石油有限公司中炼化公司所生产的固体产品，主要由沥青和碳基材料组成，外观呈黑色固体煤渣状，粒度为10目，但上述煤基沥青砂并不限于本发明中煤基沥青砂的范围。
以下实施例中有五种不同技术指标的煤基沥青砂样品，分别将其编号为1#、2#、3#、4#、5#，其各项技术指标具体如表1所示，其中，各项技术指标的试验均按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求进行。
表1
对上述5#煤基沥青砂样品进行技术指标分析和元素分析检测，技术指标检测结果如下：灰分含量8％，含水量0.3％，挥发分含量70.53％，固定碳含量27.02％，软化点64.5℃，15℃密度为1.300g/cm3；元素分析结果如下：碳元素84.02％、氢元素5.9％、硫元素0.84％、氮元素0.64％，发热量为36396J/g。从以上分析结果可知，煤基沥青砂中主要是碳、氢两种元素，还含有少量的硫、氮元素。灰分主要来源于原煤中的物质，主要由SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、SO3这五种物质组成，约占灰分的90％以上，这些物质对沥青改性都有一定的作用，因此煤基沥青砂的加入可以对沥青的性能起到改善作用。
实施例1
本实施例提供一种煤基沥青砂改性沥青，包括煤基沥青砂和基质沥青SK-90#，基质沥青的质量符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，性能符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求。
按照以下步骤制备煤基沥青砂改性沥青：首先将煤基沥青砂加热，脱水，备用；然后加热基质沥青至170℃；再向加热后的基质沥青中加入相对于基质沥青质量15％的煤基沥青砂，在170℃条件下搅拌30min，使所述煤基沥青砂均匀分散在所述基质沥青中，即得。
对制得的煤基沥青砂改性沥青和基质沥青SK-90#分别进行三大指标试验和老化试验，试验均按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求进行，试验结果如表2所示。
表2
实施例2
本实施例提供一种煤基沥青砂改性沥青，包括煤基沥青砂和基质沥青SK-130#，基质沥青的质量符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，性能符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求。
按照以下步骤制备煤基沥青砂改性沥青：首先将煤基沥青砂加热，脱水，备用；然后加热基质沥青至170℃；再向加热后的基质沥青中加入相对于基质沥青质量15％的煤基沥青砂，在170℃条件下搅拌30min，使所述煤基沥青砂均匀分散在所述基质沥青中，即得。
对制得的煤基沥青砂改性沥青和基质沥青SK-90#分别进行三大指标试验和老化试验，试验均按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求进行，试验结果如表3所示。
表3
实施例3
本实施例提供一种煤基沥青砂改性沥青，包括煤基沥青砂和基质沥青SK-90#，基质沥青的质量符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，性能符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求。
本实施例采用5#煤基沥青砂样品按照以下步骤制备煤基沥青砂改性沥青：首先将煤基沥青砂加热，脱水，备用；然后加热基质沥青至170℃；再向加热后的基质沥青中加入相对于基质沥青质量5％的煤基沥青砂，在170℃条件下搅拌30min，使所述煤基沥青砂均匀分散在所述基质沥青中，即得。
对制得的煤基沥青砂改性沥青进行三大指标试验和老化试验，并与基质沥青SK-90#相对比，试验结果如表4所示。
实施例4
本实施例提供一种煤基沥青砂改性沥青，包括煤基沥青砂和基质沥青SK-90#，基质沥青的质量符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，性能符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求。
本实施例采用5#煤基沥青砂样品按照以下步骤制备煤基沥青砂改性沥青∶首先将煤基沥青砂加热，脱水，备用；然后加热基质沥青至170℃；再向加热后的基质沥青中加入相对于基质沥青质量15％的煤基沥青砂，在170℃条件下搅拌30min，使所述煤基沥青砂均匀分散在所述基质沥青中，即得。
对制得的煤基沥青砂改性沥青进行三大指标试验和老化试验，并与基质沥青SK-90#相对比，试验结果如表4所示。
实施例5
本实施例提供一种煤基沥青砂改性沥青，包括煤基沥青砂和基质沥青SK-90#，基质沥青的质量符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，性能符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求。
本实施例采用5#煤基沥青砂样品按照以下步骤制备煤基沥青砂改性沥青：首先将煤基沥青砂加热，脱水，备用；然后加热基质沥青至170℃；再向加热后的基质沥青中加入相对于基质沥青质量25％的煤基沥青砂，在170℃条件下搅拌30min，使所述煤基沥青砂均匀分散在所述基质沥青中，即得。
表4
对制得的煤基沥青砂改性沥青进行三大指标试验和老化试验以及DSR(动态剪切流变仪)试验，并与基质沥青SK-90#相对比，试验结果如表4所示。
实施例6
本实施例提供一种煤基沥青砂改性沥青，包括煤基沥青砂和基质沥青SK-130#，基质沥青的质量符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，性能符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求。
本实施例采用5#煤基沥青砂样品按照以下步骤制备煤基沥青砂改性沥青：首先将煤基沥青砂加热，脱水，备用；然后加热基质沥青至170℃；再向加热后的基质沥青中加入相对于基质沥青质量5％的煤基沥青砂，在170℃条件下搅拌30min，使所述煤基沥青砂均匀分散在所述基质沥青中，即得。
对制得的煤基沥青砂改性沥青进行三大指标试验和老化试验，并与基质沥青SK-130#相对比，试验结果如表5所示。
实施例7
本实施例提供一种煤基沥青砂改性沥青，包括煤基沥青砂和基质沥青SK-130#，基质沥青的质量符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，性能符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求。
本实施例采用5#煤基沥青砂样品按照以下步骤制备煤基沥青砂改性沥青：首先将煤基沥青砂加热，脱水，备用；然后加热基质沥青至170℃；再向加热后的基质沥青中加入相对于基质沥青质量15％的煤基沥青砂，在170℃条件下搅拌30min，使所述煤基沥青砂均匀分散在所述基质沥青中，即得。
对制得的煤基沥青砂改性沥青进行三大指标试验和老化试验，并与基质沥青SK-130#相对比，试验结果如表5所示。
实施例8
本实施例提供一种煤基沥青砂改性沥青，包括煤基沥青砂和基质沥青SK-130#，基质沥青的质量符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，性能符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求。
本实施例采用5#煤基沥青砂样品按照以下步骤制备煤基沥青砂改性沥青：首先将煤基沥青砂加热，脱水，备用；然后加热基质沥青至170℃；再向加热后的基质沥青中加入相对于基质沥青质量25％的煤基沥青砂，在170℃条件下搅拌30min，使所述煤基沥青砂均匀分散在所述基质沥青中，即得。
对制得的煤基沥青砂改性沥青进行三大指标试验和老化试验，并与基质沥青SK-130#相对比，试验结果如表5所示。
表5
实施例9
本实施例提供一种煤基沥青砂改性沥青，包括煤基沥青砂和基质沥青SK-90#，基质沥青的质量符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，性能符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求。
本实施例采用5#煤基沥青砂样品按照以下步骤制备煤基沥青砂改性沥青：首先将煤基沥青砂加热，脱水，备用；然后加热基质沥青至150℃；再向加热后的基质沥青中加入相对于基质沥青质量10％的煤基沥青砂，在160℃条件下搅拌60min，使所述煤基沥青砂均匀分散在所述基质沥青中，即得。
对制得的煤基沥青砂改性沥青进行三大指标试验和老化试验，并与基质沥青SK-90#相对比，试验结果如表6所示。
实施例10
本实施例提供一种煤基沥青砂改性沥青，包括煤基沥青砂和基质沥青SK-90#，基质沥青的质量符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，性能符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求。
本实施例采用5#煤基沥青砂样品按照以下步骤制备煤基沥青砂改性沥青：首先将煤基沥青砂加热，脱水，备用；然后加热基质沥青至150℃；再向加热后的基质沥青中加入相对于基质沥青质量10％的煤基沥青砂，在160℃条件下搅拌90min，使所述煤基沥青砂均匀分散在所述基质沥青中，即得。
对制得的煤基沥青砂改性沥青进行三大指标试验，并与基质沥青SK-90#相对比，试验结果如表6所示。
实施例11
本实施例提供一种煤基沥青砂改性沥青，包括煤基沥青砂和基质沥青SK-90#，基质沥青的质量符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，性能符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求。
本实施例采用5#煤基沥青砂样品按照以下步骤制备煤基沥青砂改性沥青：首先将煤基沥青砂加热，脱水，备用；然后加热基质沥青至150℃；再向加热后的基质沥青中加入相对于基质沥青质量10％的煤基沥青砂，在170℃条件下搅拌60min，使所述煤基沥青砂均匀分散在所述基质沥青中，即得。
对制得的煤基沥青砂改性沥青进行三大指标试验，并与基质沥青SK-90#相对比，试验结果如表6所示。
实施例12
本实施例提供一种煤基沥青砂改性沥青，包括煤基沥青砂和基质沥青SK-90#，基质沥青的质量符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，性能符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的要求。
本实施例采用5#煤基沥青砂样品按照以下步骤制备煤基沥青砂改性沥青：首先将煤基沥青砂加热，脱水，备用；然后加热基质沥青至150℃；再向加热后的基质沥青中加入相对于基质沥青质量10％的煤基沥青砂，在180℃条件下搅拌60min，使所述煤基沥青砂均匀分散在所述基质沥青中，即得。
表6
对制得的煤基沥青砂改性沥青进行三大指标试验，并与基质沥青SK-90#相对比，试验结果如表6所示。
高温性能就是指沥青抵抗高温变形的能力，沥青在高温性能上的表现是决定沥青混凝土路面能否抵抗高温变形的关键因素之一。目前，各国用来评价沥青高温性能的指标各不相同，我国主要是用环球法实测的软化点TR&B、当量软化点T800、粘度等来表征沥青的高温性能。由以上实施例可知，煤基沥青砂改性基质沥青的软化点均高于基质沥青的软化点，表明煤基沥青砂改性沥青的高温性能相比于基质沥青有明显地提高。
粘滞性是指沥青在外力作用下抵抗变形的能力，沥青的粘滞性通常用粘度表示。粘度大的沥青在荷载作用下产生较小的剪切变形，弹性恢复性能好，残留的永久性塑性变形小，这就说明了其抵抗车辙的能力。由以上试验结果可知，煤基沥青砂改性基质沥青的60℃粘度均高于基质沥青的60℃粘度，表明煤基沥青砂改性沥青的抗车辙能力相比于基质沥青有明显地提高。
沥青路面的低温抗裂性能主要取决于沥青结合料的低温拉伸应变能，同时，SHRP研究表明90％的低温抗裂性都是由沥青结合料提供的。由上述试验结果可知，煤基沥青砂改性沥青的延度相比于沥青有所下降，但这可能是因为煤基沥青砂中存在的矿物质比较硬，对试验结果有较大的影响而造成的，从而显现出低温性能降低的假象，也就是说，上述实施例的煤基沥青砂改性沥青的延度并不能准确表明其低温性能，还需要通过对其混合料的性能进行评价。
沥青的老化性能是影响沥青路面使用性能的重要因素。目前，我国现行规范中只有评价短期老化的指标，包括残留针入度比、残留延度等。由表3和表4可知，煤基沥青砂改性沥青的残留针入度比相比于基质沥青有所下降，这就表明煤基沥青砂对基质沥青的抗老化性能有明显地改善。然而煤基沥青砂改性沥青老化后的延度相比于基质沥青有所降低，这主要是由于煤基沥青砂中的矿物质对其产生影响。因此，本发明只能用残留针入度比来评价沥青的老化性能。
沥青的针入度与沥青路面的使用性能具有密切的关系，其反映了沥青在荷载作用下的抗变形能力。由上述试验结果可知，本发明的煤基沥青砂改性沥青针入度明显低于基质沥青的25℃针入度，表明煤基沥青砂改性沥青的硬度较大，抗变形能力较强，
另外，由以上试验结果可知，煤基沥青砂的用量、搅拌温度和搅拌时间均对改性后沥青的高温性能、耐久性、抗变形能力等性能影响较大。
沥青的流变性质直接影响沥青路面的使用性能，常规的针入度、延度、软化点等经验性指标不能反映荷载和温度变化时沥青流变性质的特性，因此本发明的具体实施例3-5采用动态剪切流变仪DSR试验对其流变性能进行了测试，试验方法为AASHTO标准TP5-93，采用直径为25mm、厚度为1mm的试样进行。由表3的实验结果可知，煤基沥青砂改性沥青的抗车辙因子均高于基质沥青的抗车辙因子，这表明煤基沥青砂对基质沥青的高温性能具有较大幅度地提升，抗车辙能力有明显地增强。
同时，由以上试验结果可知，本发明的煤基沥青砂改性沥青适用于多种沥青，对基质沥青的选择性不强，具有通用性。且各项路用性能良好，与LTA改性沥青的路用性能效果相当；同时，原料采用煤油共炼技术的副产品，解决了煤油共炼技术的副产品的资源有效利用，缓解了其对环境的危害。
同时，本发明还提出了煤基沥青砂改性沥青的路用性能标准，各技术指标如表7所示。
表7煤基沥青砂改性沥青的路用性能标准
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。