煤沥青是煤焦油经蒸馏提取馏分后的残余物， 占煤焦油总量的 50% ～ 60%。国家统计局统计数据 显示，2015 年、2016 年、2017 年我国焦炭产量分别 达到 44 778. 2 万 t、44 911. 5 万 t、43 142. 6 万 t。按 照每吨焦炭副产约 5%的高温煤焦油、每吨高温煤 焦油又副产 50% ～ 60%的煤沥青统计，近几年国内 高温煤沥青年产量均超过了 1 000 万 t。目前，国内 煤沥青利用途径单一，加工利用率极低，成为影响焦 化行业整体效益提升的瓶颈。另一方面，国内石油 沥青的产区少而分散，产量难以满足当前公路建设 需要，我国每年需进口数以百万吨的优质石油沥青。 与此同时，随着我国汽车市场及交通运输业的高速 发展，交通运输量和车流量每年不断增加，车辆超载 也时有出现，使得道路施工对沥青路面铺设材料的 质量和产量标准的要求不断提高，导致国内道路沥 青供需矛盾十分突出。
1 路用煤沥青的应用实践及存在问题
1. 1 应用实践 煤沥青作为道路铺设材料的应用由来已久。上 世纪早期，石油沥青供应尚不充分，德国、英国等欧 洲工业发达国家就开始寻找石油沥青的替代材料。 20 年代德国率先将中温煤沥青混入石油沥青用作 铺设道路的材料，60 年代英国也开始生产混合沥青 用于最高负荷公路的铺设。1982—1986 年期间，德 国用 25%软化增塑的煤沥青和 75%的道路石油沥 青 B80 配制而成的混合沥青材料共铺筑了 72 条路 段。其后，其他欧洲国家的高速公路也开始使用煤 沥青含量为 15% ～ 35%的混合沥青。经过多年的行 车运行表明，混合沥青铺设的道路路面摩擦系数大， 行车安全性高，且抗变形、抗磨、耐重压、抗油侵蚀性 能突出，尤其在雨天等恶劣气候条件下性能保持良 好。但是，上世纪 70 年代，随着中东地区石油资源 的发现及大量开采，道路石油沥青的供应需求得到 了满足，石油沥青因性能及价格优势逐步取代了煤 沥青。因此，从上世纪 90 年代开始欧洲完全停止了 煤沥青作为筑路材料在道路铺设方面的应用。
近年来，为推进煤沥青资源化利用，缓减国内道 路沥青的供需矛盾，交通部公路科学研究院选择焦 化工业密集、煤沥青资源丰富的山西省作为研究基 地，通过与山西省多家大学和研究所合作，围绕煤沥 青中苯并芘等致癌物的脱除，开展了大量的路用煤 沥青改性材料的研究工作。2008—2011 年，依据该 院阶段性研究成果制备的重质改性煤沥青、温拌改 性煤沥青、重载改性煤沥青等路用煤沥青系列改性 材料，在二广高速公路( G55) 忻州段、山西高陵高速 进行了铺筑应用试验。交通部公路工程检测中心对 该院煤沥青系列材料路用性能的检测表明，其各项路 用性能指标优良，能够满足高速公路施工相关要求。
1. 2 存在问题
从上世纪 90 年代开始欧洲严格限制煤沥青的 生产及在道路建设方面的应用，即使是必须使用煤 沥青作为电极材料和耐火材料等领域，其原料也几 乎全部从国外进口，这主要是由于人们逐步地发现 和认识到煤沥青中多环芳烃( PAHs) 中 4 ～ 6 环的稠 环化合物具有不同程度的致癌性。迫于民众对煤沥 青致癌性的担心和对民众健康的考虑，一些欧美国 家开始制定出严格的标准，用于限制沥青制品中强 致癌物质的含量及排放量。实际上，国内外的应用 实践表明，如果仅从道路的使用性能角度而言，煤沥 青、改性煤沥青作为道路沥青或道路沥青添加剂或 改性剂使用是完全可行的，但作为路用材料，其所含 的 PAHs 致癌性物质对水源、土壤、大气等存在的潜 在环境隐患则不容忽视，这使得各国政府在制定产 业和环保政策时均持相当谨慎态度。
2 国内路用煤沥青改性专利技术研究进展
据 WIPO( 世界知识产权组织) 统计，世界范围 内 90% ～ 95% 的研发成果包含在专利文献中，且 70% ～ 80%发明创造只通过专利文献公开。因此， 系统地进行专利文献分析，可以及时了解某一领域 技术研究进展，揭示该领域技术研发的整体情况、研 究思路、研究热点和技术空白等重要信息，从而洞察 该领域技术发展趋势，更好地启发研究人员确定研 究思路。上世纪末以来，出于环境保护和节能减排 的考虑，欧洲发达国家已经逐步将煤焦化转移到国 外，故近年来国外有关路用煤沥青改性技术未见报 道，该技术研究和工程实践主要集中在国内。为此， 笔者以国家知识产权局“专利检索及分析系统”平 台收录的煤沥青改性作为道路( 或路用) 煤沥青的 相关发明专利公布文本作为主要研究对象。检索式 为: “关键词= 煤沥青 AND( 道路 OＲ 路用 OＲ 筑路 OＲ 铺路) ”; 检索范围为 2017 年 12 月 31 日之前公 开的全部中国专利文献，经筛选去重，得到 90 篇发 明专利申请文献，并据此做出路用煤沥青改性专利 申请年份分布图、路用煤沥青专利申请技术构成图 及路用煤沥青改性专利申请技术趋势图，依次如图 1 ～图 3 所示。在此基础上，分析了国内道路煤沥青 改性专利技术研究的整体发展概况。
2. 1 国内路用煤沥青专利技术发展趋势分析
利用煤沥青的防水防腐性 能，国内单位申请了首件专利。其后 20 多年，煤沥 青作为筑路材料的专利申请仅有零星报道。从 2008 年开始，路用煤沥青的研究引起了人们的重 视，并有多项发明专利公开。此后，随着我国经济的 高速发展，我国汽车与交通运输业快速增长，导致用 于道路铺设的石油沥青供不应求，推动了国内石油 沥青替代品的研究热潮。其在专利申请数量方面的 表现是，从 2010 年开始，国内专利申请量急剧增加， 到 2013 年达到顶峰。其后，专利申请数量开始在震 荡中回落，但也保持在每年 5 件以上的增长速率。 出现该趋势的原因，与近年来人们专利意识的提高、 以及 2008 年国家知识产权战略纲要出台后的正向 激励作用等多方面因素有关，而 2013 年以后国家专 利授权审批程序逐步规范严格，以及近两年国家知 识产权局“高价值专利”导向作用，使得国内申请人 更注重专利质量的提升而非数量的增加，因此，2016 年以后年申请量有所降低。
2. 2 国内路用煤沥青专利技术研究综述
中国石油化工总公司抚顺石油化工研 究院申请了“沥青乳液”的发明专利，将煤沥青作为 筑路、建筑等领域防水防腐添加剂材料。2000 年， 攀钢集团煤化工公司申请了“一种改质煤沥青筑路 油的制造方法”的发明专利，首次提出以煤沥青作 为道路铺设材料的技术方案。此后，国内路用煤沥 青专利技术的研究与开发基本上是沿着上述“防水 防潮材料”和“道路铺设材料”两个方向发展，其中 又以后者的研究为主。为此，以下主要介绍后者的 研究进展情况。
为了克服煤沥青的脆性，提高煤沥青的软化点（上海昌吉
SYD-1617型乳化沥青蒸馏残留物试验器）， 徐国财等提出首先用有机溶剂处理煤沥青，制备精 制煤沥青，然后将精制煤沥青在氮气氛下加热到 90 ～ 110℃，加入 SBS，然后程序升温使 SBS 内的颗粒基 本消失在煤沥青基质中，再加入具有路易斯酸特征 的催化剂，反应得到 SBS 化学改性的煤沥青。 2013 年，曹东伟等将煤沥青、渣油、苯甲醛等改 性剂和高分子材料添加剂加入到反应器中进行反 应，制得煤沥青质量分数为 20% ～ 80%的复合改性 煤沥。张松房等则采用“组分调和”的技术路 线，首先将中温煤沥青加热后打入缩聚釜内，添加助 剂，在氮气保护下进行缩聚反应，并将缩聚产生重组 分作为沥青调和的硬组分; 然后由催化裂化油浆制 备沥青调和的软组分; 最后将中温煤沥青硬组分与 软组分按一定比例进行在线调和，得到高等级道路 石油沥青。同年，王磊等以煤沥青为原料，通过 添加废橡胶粉和抗老剂以及溶剂油，得到道路沥青。该制备方法的缺点是其制备工艺使用大量 的溶剂，存在溶剂蒸发量较大、能耗高等不足。其 后，王磊等又利用不同组成煤沥青组分之间相容性 更好的特点，将中温煤焦油沥青、高温煤焦油沥青和 溶剂油进行原料组分调和，然后再将调和得到的混 配沥青软化，添加橡胶粉或 SBS、溶剂油等进行溶胀 处理，最后将溶胀油和交联剂加入混配反应器混合 均匀，制得改进型改性道路沥青。
为了使沥青路面材料具有更好的耐腐 蚀和耐热性能，吴志仁等将煤焦沥青、酚醛树脂、双 酚 F 型环氧树脂、硬脂酸二乙醇酰胺、苯甲酸酐、碳 酸铝等材料，通过混合加热熔融、搅拌、粉碎、反应等 程序而制得复合环氧沥青路面材料。
近年来，
上海昌吉地质仪器有限公司研究团队采用化学 改性法，从优选高性能改性剂和催化剂、降低改性剂 成本、提高煤沥青中多环芳烃去除率等方面入手开 展了系列研究，开发了多项煤沥青改性降低毒性的 专利技术。最初，他们以高锰酸钾为改性剂制得 BaP 含量降低率达到 65%以上的改性沥青。其 后，他们又以高温煤沥青为原料，对苯二甲醛为改性 剂、对甲苯磺酸为催化剂、环己烷为溶剂，制得一种 低毒性改性煤沥青］。在此基础上，他们进一步优 选 10－十一烯醛为改性剂、硫酸氢钾为催化剂，于 30 ～ 70℃温度条件下，在环己烷溶剂中回流反应 1 ～ 8 h，制得一种多环芳烃含量更低、煤沥青性能得到 更大改善的环保型改性煤沥青。
3 对当前专利技术的探讨与分析
3. 1 改性原料的选择
从目前已公开的专利技术中不难看出，煤沥青 改性的原料多采用中温煤沥青。这主要是因为，相 对而言，高温煤沥青含有更多的 PAHs，尤其是苯并
a］芘，但是这方面的处理难度较大，国内大多数研 究实际也处于实验室研究阶段; 低温沥青虽然多环 芳烃等有毒致癌物含量很少，但是其胶质含量也较 少，需要添加更多的改性剂，且低温煤沥青萘及不饱 和成分含量高，致使改性后的煤沥青的稳定性和抗 老化性也很难解决，路面易产生裂缝，难以满足道路 施工要求，故采用较少; 中温煤焦油沥青不论从胶质 含量还是软化点等方面，更接近于道路沥青的应用 性能，但是改性后得到的道路沥青产品 PAHs 含量问 题以及低温性能并不能满足道路施工规范要求，因此 还需要经过去毒性及增加路用性能等多次改性。
3. 2 改性剂或添加剂的选择
煤沥青的改性过程包括物理改性和化学改性两 种。其中，煤沥青物理改性法是通过添加一定量的 添加剂，达到提升煤沥青或者混合沥青路用性能的 目的。目前，可应用于煤沥青物理改性的改性剂种 类十分广泛，但是大多是移植于石油沥青改性所用 到改性剂。需要注意的是，改性剂或添加剂材料的 加入，虽然能够在一定程度上改善路用煤沥青的部 分性能，但是如果添加量过大、添加剂价格过于昂 贵、添加的添加剂种类过多，则意味着降低了改性煤 沥青的性价比，因此也就失去了其与石油沥青竞争 的成本优势。 煤沥青化学改性是通过添加改性剂，在一定的 温度下或催化剂作用下，改性剂解聚或生成活性游 离基碎片或生成长链分子，与煤沥青组分中不饱和 组分( 包括多环芳烃) 的活性位发生聚合或缩合或 交联反应，从而改变煤沥青中 PAHs 的分子结构及 各组分的比例和组成，降低或去除煤沥青中 PAHs 的含量，改善煤沥青的低温易脆和开裂性能，并减少 PAHs 的毒害性以及煤沥青胶体体系相容性，因而 可制备出兼具高低温性能的环保型路用沥青。 从已公开的专利技术来看，当前大多数研究普 遍倾向于采用复合改性剂，或者是使用不同的改性 剂多次进行物理和化学改性，常用的化学改性剂有 高分子聚合物、脂类化合物、酸酐类化合物、醛类化 合物以及芳醇类化合物等，其中以聚合物改性研究 最多。较为理想的改性剂或添加剂是，在改性过程 中既可以使煤沥青的化学组成和性质发生变化，极 大地提高煤沥青的路用性能，又能够与煤沥青中的 PAHs 发生反应，有效降低其致癌性，改性后形成的 新的煤沥青混合体系性质相容，在存储或施工应用 时胶体结构能够保持稳定。
3. 3 改性技术路线的选择
目前，上海昌吉煤沥青改性研究主要包括单一煤沥青作 为道路沥青改性和对按照一定比例混合的混合沥青 的改性，后者又可进一步细分为以石油沥青为主要 成分的混合沥青改性和以煤沥青为主要成分的混合 沥青改性。 对于以单一煤沥青作为道路沥青改性材料，虽 然煤沥青成本较低、某些路用性能也相对突出，但是 鉴于煤沥青原料的化学组成特点，全部采用煤沥青 制备道路沥青，则产品中 PAHs 含量高、致毒性强严 重影响了应用价值。目前研究者针对其毒性进行各 种改性，以最大限度上降低或消除其对人类危害和 环境污染的可能性。对于混合沥青改性而言，由于 煤焦油沥青的混入后破坏了石油沥青内部稳定的凝 溶胶胶体平衡结构，容易出现石油沥青的沥青质成 分和煤焦油沥青的高沸点部分凝集并分离/沉淀，造 成混合沥青在高温时极不稳定的现象，因此需要通 过改善混合沥青相容性来解决混合沥青稳定性的问 题。此外，石油沥青的添加比例过高，虽然改性难度 会较低，但并不具有成本优势，且对扩大煤沥青的应 用也比较有限。但从已公开的专利技术来看，由于 缺乏改性对煤沥青化学组成、胶体体系及路用性能 等影响的基础研究，导致绝大多数专利技术缺乏有 效的理论指导，应用价值不高。
3. 4 溶剂效应的应用
煤沥青的化学组成特点决定了其所含 PAHs 数 量多，虽然大多数含量少，但整体毒性较高，因此只 有将这些有毒组分富集起来，才能有效地提高对煤 沥青毒性的去除效果。结合中国专利文献和孙昱等人的研究报道，表明采用合适的有机溶剂 利用溶剂效应，可提高煤沥青改性过程中 PAHs 的 去除率，其原因主要是某些有机溶剂对煤沥青中 PAHs 组分溶解选择性较高且溶解量较大，有利于 包裹在煤沥青颗粒内部的 3，4－苯并芘等 PAHs 组 分很大程度地选择性溶解释放出来，并与改性剂在 溶剂中形成均相反应体系，大幅提高了改性剂与 3，4－苯并芘等 PAHs 组分之间的反应效率。因此， 在化学改性过程中，溶剂体系的选取应引起研究人 员的足够重视。
3. 5 整体改性工艺的协同性
路用煤沥青改性的最终目的是实现煤沥青作为 道路沥青的大规模工业化应用，因此，针对不同原料 来源的专用复合改性剂的研究以及整体先进合理的 煤沥青改性新工艺的开发非常重要。同时，由于公 路建设对道路沥青的要求不断提高，因此，低毒或无 毒煤沥青材料的制备必须以煤沥青路用性能的评价为基础，路用煤沥青能否取代石油沥青作为道路沥 青材料必须经过长期铺筑应用试验的验证。
4 结束语
我国是世界最大的焦化生产基地，每年生产的 高温煤焦油沥青产量可达 1 000 万 t 以上。因此，上海昌吉煤 沥青的绿色高效利用是我国焦化产业及环境保护的 必然选 择。煤沥青价格仅为石油沥青的 40% ～ 50%，用煤沥青代替石油沥青铺路不仅能有效缓解 我国路用沥青供不应求的局面，大幅度降低公路工 程的施工建造成本，还可以提高煤沥青的附加值和 解决煤沥青过剩的问题，对于提高我国高速公路沥 青质量、解决我国石油沥青品质不高和产品短缺的 问题都具有十分重要的意义。但是，煤沥青多环芳 烃的致癌性及其潜在的环境影响是其作为道路沥青 材料无法大规模应用的关键制约因素。因此，路用 煤沥青改性的研究过程中应兼顾性能改善、环保品 质提升以及产品价格低廉三个方面，将开发环境友 好、性能优良、价格低廉的环保型高性能路用煤沥青 材料应作为今后研究的重点。
