毕业设计外文翻译--煤焦油在道路工程中的应用中环境的保护和它的几种选择.doc

兰州交通大学毕业设计（翻译）煤焦油在道路工程中的应用中环境的保护和它的几种选择XIAO Y, VAN DE VEN M F C , MOLENAAR A A A,W U S P(1代尔夫特理工大学土木工程学院，P.O.BOX 5048, 2600 GA Delft ,荷兰；2.教育部重点硅酸盐 材料实验室，武汉大学的专利，wuhan430070， China)摘要： 煤焦油是通过对煤破坏蒸馏焦化过程所得到的一种产品，由于很好的粘性和合适的阻力特性，常常广泛应用与道路工程中，尤其是在治理加油站和机场路面病害得到了很好的应用。然而煤焦油含有很高的PAHs成份，这是一种有毒物质。在1985年国际癌症研究机构表明煤焦油是一种致癌物质。研究表明煤焦油封闭剂在水中会产生大量的PAH。由于对环境的保护，CTS被禁止使用在许多欧美发达国家。恰恰相反，煤焦油仍在中国的道路工程使用甚至大量使用。这篇论文主要讲的是煤焦油在道路工程上使用的过程中对环境的考虑。基于这个出发点，一些取代煤焦油的选择将会被描述。这些方法包括纳米粘土或者环氧树脂改善沥青乳液和在水的环境下树脂对环境好于CTS,甚至在有些方面的应用好于CTS.关键词： 煤焦油 路表面的治理 粘附性能 周期 芳香烃 改良的沥青乳液CLC号： U 416 文件代码： A 文章鉴定号：1671-4431（2010）17-001-071 引言 当前在路面表面处理所用的粘合剂基本有两种煤焦油和沥青乳液。在一些地方，像加油站和飞机场，煤焦油路面的粘性和化学性要好于沥青乳液路面。煤焦油路面比石油和无机酸有更好的化学性和保湿型。 由于有这些优良的性能，CTS被很多年广泛应用于道路工程用来治理路面。然而，煤焦油是一种有成千上万PAH所组成的复杂的碳氢化合物。这些PAH是有毒的，对人来说是一种致癌物质。因为这种对环境的不好性能，煤焦油在很多发达国家禁止使用，像在荷兰。在荷兰，二十年来含有焦油的产品是不允许被使用的，但是对于蚂蚁和孩子们来说在跑道上有个好的空气环境是一种短暂的奢望范知名，2005。但在2010年后煤焦油就不被用于铺设飞机场的道路了。相比这些国家对于焦油的禁止，在中国煤焦油仍旧被广泛的应用于道路工程。中国的煤焦油工厂指出煤焦油的消耗量有增长趋势CCTIR,2008 。根据新的技术，像纳米技术和双组分技术，其他材料可以被发展使用用于路面治理，而且表现出的性能很好。改性乳化沥青在南非，澳大利亚等很多国家被成功的应用，它可以在很低的温度下使用。添加剂有聚合物(SBS,SBR,和EVA),粘土（伊利石，高岭石，蒙脱石），它们可以提高乳化沥青的性能在一些特定道路的使用中TRB-EC102,2006; XIAO,2010。随着水性双组分技术的发展，涂料制造可以生产高性能的底漆，而且可以获得的比溶剂型底漆相同甚至更好的性能。此外，水性树脂涂料常常不含或者含有少量的的其他溶剂，这表明着水性双组件系统是对环境有利的。环氧改性沥青原始目的是壳牌石油公司在二十世纪五十年代为了解决材料中燃料的暴露的问题所做的设计汤姆，2006。此后这个问题得到圆满的解决，环氧改性沥青有着会很好的高温强度和稳定性，优良的耐久性，卓越的附着力和抗剪切能力。在文献中，短略的综述了CTS在路面处理应用过程中的特性和对环境影响。之后几种可供选择的方法将被讨论。例如纳米粘土改性乳化沥青，环氧改性沥青，水性polyuret羽根或者环氧树脂。这些选择有很好的性能和对环境积极的影响。2 煤焦油基封闭剂的使用和优点煤焦油基产品在很多工业中应用，例如在路面工程中，建筑行业和医疗领域。在路面工程中CTS是最大应用之一。煤焦油在路面处理可以被用来作为粘合剂和填料，和做一种环氧树脂涂料的改性剂。在公元八世纪巴格达大街第一次铺设了含有焦油的路面。焦油是大量可见的，或者就是所谓的柏油路。第一条柏油碎石路建成于1848年，位于英格兰诺丁汉郡，路的表面含有大量的油。在美国华盛顿，一些含有大量油的公路有着长达三十年的服务历程。煤焦油是一种有着复杂的化学组成化学物。它的分子结构完全不同与来自与沥青的煤焦油的分子结构。有些成分被认为是PAHs.一些化学物质由于不能与气和油相容，被保留在分子结构中，这样就在沥青表面提供了一个外壳保护，防止石油产品和化学物质的对沥青的影响2005.8。CTS有着比沥青基的路面跟好的化学性能，对水分超低的渗透性和对紫外线辐射很高的抗性。这些特性使得它适用于停车场，停车场有着有着很高油浓度和汽油泄漏是很普遍的。像加油站，汽车站，飞机场都有着诸如此类的问题。起初在一些道路的铺设中。CTS被认为可以延长沥青路面的寿命以减少维修。它们被重点使用在飞机场的停机坪，滑行道，跑道上。联邦航空管理局咨询通告150 / 5370-10a标准指出指定建设机场包括要求路面封口，在跑道上应该至少含有35%煤焦油路面。作出这一规定原因是GTS对于喷气燃料有更好的性能比沥青基封闭剂。奥斯汀， 2005 3 环境问题一般来讲，煤焦油是许多有机化合物所组成的混合物，如苯，甲苯，苯酚，萘，无烟煤，及其他。风险评估煤焦油主要是多环芳烃，尤其是苯并（一）芘，PAHS是煤焦油产品毒性最相关的组成部分谢尔，2008 。3.1多环芳香族碳氢化合物多环芳香族碳氢化合物也被称为多环芳烃化合物，多环芳烃。在稠环结构中多环芳烃是由100多种由碳和氢组成的化学物质构成。表1显示的几种典型多环芳烃化学结构件。多环芳烃是剧毒和有害于人类健康和生态系统良好运作奥斯汀，2005。煤焦油中的多环芳烃含量随炭化温度升高。 表一 PAHS的几种化学结构3.2 环境风险在1985年，国际癌症研究机构指出，煤焦油沥青对人类来说是致癌物质国际癌症研究机构，1985。在2008年，三家科学委员会（SCCP,消费者产品科学委员会；SCHER,健康和环境风险科学委员会；SCENIHR,新健康风险评估科学委员会）指出煤焦油最大风险特征就是癌症的风险。直接接触煤焦油的职业风险有皮肤癌的发生和其他组织，如肺，膀胱，肾脏，消化道。根据国际癌症研究机构研究表明产品包括百分5个以上的原油煤焦油是1类致癌物，有足够的证据致癌人类。因此，很多国家正在消除他的使用。 在2003年, 来自于奥斯特市（美国）的科学家确定了整体的一个重要的PAHs来源。美国奥斯特地质调查局在城市进行了进一步的研究证实了这一发现，得出结论认为煤焦油密封剂对奥斯特市大部分水的PAHs污染负有大量责任。煤焦油沥青封口被视为城市水污染源。这些持久的物质，其危害程度是它们可以立于食物链中对于人类。根据这些调查奥斯特市成为美国第一个禁止在路面铺设中使用CTS的城市奥斯特，2005，马勒，2005。需要注意的是，在德国，制造商自愿同意禁止的煤焦油产品.在荷兰，2010年之后不符合荷兰环境标准的煤焦油产品不被允许使用与机场。4 可能的选择根据这些环境问题，替代品的需要。这些办法应该至少有同等或更好的性能比CTS。同时它们应该是对环境友好型的。在这一部分，可能使用改性乳化沥青改性沥青，环氧树脂，水性树脂的讨论。4.1 改性乳化沥青 沥青乳剂是异构系统，它是由二个或二个以上的液相组成，一个连续液（水）相或者至少一种半液相（沥青）分散在以前的细液中所组成 TRB-EC102,2006。乳化沥青的标准通常被认为是在水中油型包含从40%到75%的沥青，0。1% - 2。5%乳化剂，25%至60%的水加上一些次要成分。沥青水滴直径范围是从0.1至20微米。4.1.1 改性沥青乳液的性能与普通沥青相比，乳化沥青不需要在应用前加热到很高的温度。储存温度和在环境温度下应用沥青可以避免在加热和干燥的过程中能量的散失甘乃迪，1997。这使得沥青乳液更经济和对环境友好，相比于煤焦油产品。在特定的应用中，添加剂用于提高沥青乳液的性能。在南非和澳大利亚，聚合物（聚合物，橡胶和伊娃），粘土（伊利石，高岭石和蒙脱石）和环氧改性沥青/乳化沥青被成功的应用TRB-EC102,2006;XIAO,2010。 在应用乳化沥青的过程中，水必须在沥青蒸发阶段被分开。这种分离是叫断裂。完成水分蒸发以后，理清颗粒凝聚在一起共同发展机械性能。这种能力的发展是固化。4.1.2 纳米粘土改性乳化沥青 最受欢迎和广泛使用的纳米粘土是有机改性蒙脱石粘土以2 : 1层结构的蒙脱土，皂石，等 Ammala，2007 。所有这些层状硅酸盐具有相同的晶体结构，一般厚度为1纳米，长度约为501000纳米。在纳米粘土改性沥青乳液中，三个可能粒子分散如图1所示 XIAO,2010 。未改性乳化沥青路面表面上固化后，燃料，水和紫外线辐射能直接影响了粘结剂。这些可以降低使用的性能，成为脱落和老龄化的成因。当将纳米粘土改性乳化沥青进行表面处理时，有四个步骤可分为断裂和固化。首先，纳米粘土改性乳化沥青主要由水，沥青和粘土层组成。其次，是固化阶段，水蒸发的过程。然后，沥青水滴粘附粘土颗粒，导致集群，而形成粘合剂。在最后，粘结剂形成在纳米粘土层内。 分散在粘土表面的颗粒，可以减少由于燃料，水分，空气，等所产生的损伤。在一定程度上，带来更好的化学和抗老化性能。4.2 环氧树脂改性沥青环氧树脂改性沥青粘结剂是一个两相化学系统中的连续相，这种连续相是一个酸固化环氧树脂和间断阶段，是一个特殊的沥青混合，混合执行不同与一个传统的一种沥青混合物。4.2.1 环氧树脂改性沥青的性能 环氧树脂改性沥青用于治理路面一段时间，取得了比未改性沥青更好的性能。1967，它被用来加强三藩湾的一英里长的圣马特奥归路桥的表面。40多年后，桥面报告是在良好的。特殊结构的环氧树脂改性沥青使其性能不同于传统的沥青。它在低温下不会变得脆弱和高温下不融化。环氧改性沥青是一个灵活的材料，可以应用在薄膜的表面层。当在道路上使用时，它凝聚不够迅速，使早期交通之前完全固化，从而使道路在2小时内重开 Xiao, 2010。 环氧改性沥青的报道是非常耐用，以及灵活。环氧树脂改性沥青表面获得更好的防滑性和产生噪声小于沥青基封口。环氧改性沥青具有极高的温度稳定性和强度，优异的抗车辙性能，优异的附着力，耐磨损表面和足够的燃料性能埃利奥特，2008；XIAO,2010 。4.2.2 双组分环氧改性沥青双组分环氧树脂改性沥青是一种冷的应用混合料。它是由二部分反应材料的基础上组成的。一个是一种混合的沥青，沥青兼容环氧添加剂。另一种是混合硬化剂。这些双组分混合后，在沥青基中会有一个快速反应导致环氧树脂生成。Esha Seal 2C的拉伸强度，它是一种双组分环氧改性沥青，从icopal公司，使用直接拉伸试验了进行评价。图3显示不同的固化时间和温度后的抗拉强度。结果表明，固化的环氧树脂改性沥青乳液取决于固化温度。拉伸强度随固化时间/温度增长而增长。完全固化后的沥青抗拉强度大于没有固化的沥青，这意味着当环氧改性沥青应用与表面层中时，可以重新开放道路交通可以非常快。4.3 水性树脂水性树脂使用水作为主要挥发性液体成分。它总是显示良好的附着力和耐燃性，亲水性和化学性。新技术在水运系统提供了独特的技术解决方案，以获得良好的性能，如良好的附着力和耐酸碱混凝土。随着水性双组分涂料制造技术的发展，厂商可以生产高性能涂料无溶剂达到相同或更好的性能。在这里，水性聚氨酯和环氧树脂将被讨论。4.3.1 水性聚氨酯树脂聚氨酯是一种聚合物，一个链条的有机单位加入了聚氨酯/氨基甲酸酯链接组成的。聚氨酯树脂形成的反应是异氰酸酯与含活泼氢的化合物之间发生的，如图.4显示。当双组分混合羟基（羟基）在树脂与 异氰酸酯组（氮碳氧）在固化剂和一个三维分子结构中反应所产生的产物魏斯，1997 。因为只有一个异氰酸酯基团可以反应一个羟基，它可能以不同的比率羟基与不同的异氰酸酯基团基反应来改变系统的特性。基本上，水性聚氨酯可以被描述为反应或不反应的聚合物，它含有聚氨酯和尿素组这中尿素组在水中稳定的内部或外部的乳化剂。这些不同的亲水性的修改，允许生产的稳定的水性聚氨酯颗粒平均尺寸为10纳米和200纳米。水性聚氨酯树脂是一种水性脂肪族聚氨酯乳液。水性聚氨酯是对环境友好的。它们提供了一个艰难的，持久和高度灵活的粘合剂。聚氨酯涂层的优势是抗拉强度高，优良的粘附性能和化学/机械性。水性聚氨酯性能可以提高通过添加改性剂，如有机粘土层基姆，2003，Xiao,2010 。Addagrip1000树脂是一种双组分聚氨酯树脂的addagrip表面处理，是一家英国有限公司所设计的。它可用于密封保护沥青表面冻害造成的侵蚀，粘性的损失和航空燃油的泄漏在路面治理领域过去的二十年，在军事和民用机场阻止路面的进一步恶化，增加了混凝土路面的使用寿命，被估计有10的 15年。表2显示了addagrip 1000树脂表面处理之前和之后样品的特性。被用来使用的块的大小有10cm10cm10cm。在树脂表面上喷涂之前，样品表面在热压缩空气系统中被加热和干燥addagrip 公司。用这种聚氨酯树脂进行表面处理，水和燃料性能明显提高。4.3.2 水性环氧树脂环氧树脂是一种共聚物。它是由两种不同的化学品组成，树脂和硬化剂。最常见的环氧树脂是由环氧氯丙烷和双酚反应生成的，见图5魏斯，1997 。 水性环氧树脂，具有优良的粘接性能，是另一个可能的选择。水性环氧树脂是一种稳定的树脂材料，这种材料是由分散环氧树脂构成的颗粒或液滴入分散介质以水为连续相所制备的。水性环氧树脂的应用不仅方便，而且不会对环境造成污染，对人体没有危害。如果加入适量的固化/固化剂，可以达到强度高，耐高温，耐化学腐蚀，抗疲劳，抗衰老能力高等优点XIAO，2010;魏斯，1997 。5 结论CTS被广泛用于路面表面治理因其优良的粘附特性和良好的耐燃性。然而，因为它的PAHs含量的高，被视为人类致癌物质，在一些发达国家是不允许被用的。为了消除污染环境的重大威胁，我们应该停止使用CTS。相反，改性乳化沥青改性沥青，环氧树脂，水性聚氨酯和水性环氧树脂可以达到同等或更好的性能比CTS。它们都有良好的附着力，化学性质和抗老化性。环氧改性沥青具有极高的温度稳定性和强度，水性树脂应用方便，可以很容易地调整变化化学成分的比率。而且，最重要的是，这些替代品是环保的。鸣谢 奖学金由中国奖学金委员会承认。作者感谢icopal公司在材料和技术上的支持。参考书目1 AddagripLtd.www .adda grip .co.uk2 Ammala A, Hill A J.Poly( M-Xylene Adipamide)-Kaolinite and Poly( M-Xylene Adipamide)-Montmorillonite Nanocomposites J . Journal of Applied Polymer Science, 2007(104):1377- 1381.3 Austin. http: / /www .ci. austin. tx . us/ watershed/ coaltar- ban. htm. Austin Bans Use of Coal Tar Sealants-first in Nation,2005.4 CCTIR.China Coal Tar Industry Report 2006-2010.R,2008.5 Elliott R. 2008. Epoxy Asphalt: Concept and Properties. Workshop of TRB 2008.6 IARC. Polynuclear Aromatic 4 Bitumens , Coal Tars and Der ived Products,Shale Oils and Soots. IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risk of Chemicals to Humans,Vol. 35. Lyon, France:International Agency for Research on Cancer,1985.7 Kennedy J. Alter native Materials and Techniques for Road Pavement ConstructionR . London: DOE Energy Efficiency Office,1997.8 Kim B K, Seo J W, Jeong H M. Morphology and Properties of Waterborne Polyurethane/ clay Nanocomposite J. European9 SCHER. Scientific Committee on Health and Environmental Risks. Coal tar pitch, high temperature Human Health Part. CAS No: 65996- 93- 2. EINECS No: 266- 028-2.10 Thom N H. Asphalt Cracking: A Nottingham Perspective J.Engenaria Civil/ Civil Engineering, 2006(26) : 75- 84.11 TRB-EC102. Asphalt Emulsion Technology. Transportation Research BoardS, 2006.12 Van Leest A J, Gaar keuken G. The F O D. Resistance of Sur face Layers on Airfields in the Netherlands; in Situ and Laboratory Testing R . 2005 European Airport Pavement Workshop, 2005.13 Van Metre P C, Mahler B J. Trends in Hydrophobic Organic Contaminants in Urban and Reference Lake Sediments Across the United States, 1970- 2001J. Environmental Science and Technology,2005, 39( 15) : 5567- 5574.14 Weiss K D. Paint and Coatings: A Mature Industry in Transition J.Progress in Polymer Science, 1997, 22(2):203- 245.15 Xiao Y. Literature Review on Possible Alternatives to Tar for Antiskid Layers . Delft University o f Technology, Road and Railway Engineering SectionR . Report No.7-10-185-1,the Nether lands.( 1. Faculty of Civil Engineering & Geosciences, Delft University of Technology , P. O. Box 5048,2600 GA Delft, t he Nether lands; 2. Key Laboratory of Silicate Materials Science and Engineering of the Ministry of Education, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)Abstract: Coal tar, a by- product from the destructive distillation of coal in co king oven, is widely used in road engineering for its excellent adhesion and fuel resistance properties, especially for pavement surface treatments in gas stations and airports.However, coal tar has a high Poly cyclic Aromatic Hydro carbons ( or PAHs) content, which makes it toxic. I n 1985, the International Agency for Research on Cancer ( IARC) has proved that coal tar is carcinogenic to humans. Research showed that Coal Tar- based Sealers ( CTS) contribute to the majority of PAHs pollution in the water environment. Because of this environmental concern, CT S are not allowed in many dev eloped countries in the USA and Europe. In contrast, coal tar is still used for road engineering in China and is even used increasingly .This paper gives a literature review on the general information and research about environmental concern of using coal tar in road engineering. Based on the review , some possible alternatives to replace coal tar are described. These alternatives include nanoclay/ epoxy modified bitumen/ bitumen emulsion and waterborne polyuret hane/ epoxy resin, which are environmental friendly. They have the potential to perform as w ell as CTS, and even better in some special applications.Key words: coal tar; pavement surface treatment; adhesion property; poly cyclic aromatic hydrocarbons; modified bitumen emulsionCLC number: U 416 Document code: A Article ID: 1671- 4431( 2010) 17- 0001- 07Received date: 2010- 05- 07.Biography : Xiao Y( 1986- ) , Ph D Candidate. E-mail: yue. xiao1 introductionTwo basic types of binders are currently used in the pavement surface treatment market: coal tar-based and bitumen-based. At some places like g as stat ions and airports, coal tar-based surface sealers performed much better than bitumen-based sealers with regards to adhesion properties and chemical resistance. Coal tar-based have better resistance to petroleum oils and inorganic acids, and have better moisture resistance Austin, 2005 .Because of these out standing properties, CTS are widely used in road engineering for pavement surfacetreatment for many years. However, coal tar is a complex hydrocarbon mixture consisting of hundred of PAHSCHER, 2008 . These PAHs are toxic and considered human carcinogens. Because of it s environmental unfriendly properties, coal tar is not allowed in most of the developed counties like the Netherlands. In the Netherlands,use of tar containing product s is not allowed since 20 years, with one temporary except ion for antiskid runways in airfields van Leest , 2005 . But after 2010, it w ill not be allowed for airport pavement application anymore. Compared to these bans, coal tar is still used for road engineering in China. China Coal Tar Industry Report mentioned that the coal tar consumption w ill be on the upward t rend CCTIR, 2008 .Based on new technologies like nano technology and two-component technology, other materials are developed for pavement surface treatment and they perform w ell. Modified bitumen emulsions, which can be applied at low temperatures, were successfully used in South Africa, Australia and many other countries. Additives such as polymers ( SBS, SBR and EVA ) , clays ( illite, kaolinite and montmorillonite ) are known to improve the properties of bitumen emulsions in special road applications TRB-EC102, 2006; Xiao, 2010 . With the waterborne two-component technology, coating manufacturers can produce high-performance sealers and achieve the same or better properties than solvent-based sealers. Furthermore, waterborne resins for coating s usually do not contain or just contain a small amounts of other solvent s, indicating that waterborne two component systems are environmental friendly. Epoxy modified bitumen w as originally developed in the late 1950s by Shell Oil Company as a material designed to withstand fuel exposure Thom, 2006 . After full curing , epoxy modified bitumen mixture has high temperature stability and strength, excellent fatigue, superior adhesion and rutting resistance.In this paper, a short literature review is given on the use and properties of CTS for pavement surface treatment and its environmental concern. After that several possible alternatives are discussed, such as nanoclay modified bitumen emulsion, epoxy modified bitumen, waterborne polyurethane/ epoxy resin. These alternatives may have good properties and are environmental friendly.2 Use and Advantages of Coal Tar Based SealersCoal tar-based products are used in many industries, for example pavement engineering, the building industry and medical treatment s. In pavement engineering , one of the largest applications is CTS.Coal tar can be used as a binder and filler in surface treatment formulations, and as a modifier for epoxyresin surface coating s. T he streets of Baghdad w ere the first to be paved with tar from the 8th century AD. Tar was a vital component of the first sealed, or tarmac roads. The first tar macadam road with a tar-bound surface was placed in 1848 out side Nottingham, England. In Washington D. C. some of the tar-bound surface courses have a service life of about 30 years.Coal tar is a very complex mixture of chemicals. It s molecular structure is quite different from bitumen.Some of the constituents are described as PAHs. Being stable in molecular structure, these chemicals are incompatible with oil and gas, and provide a barrier coat to protect asphalt surfaces against the destructive effects of petroleum based products and chemicals Aust in, 2005 . CTS have a better chemical resistance than bitumen based, extremely low permeability to moisture and a high resistance to ultraviolet radiation. These properties make it ideally suited for parking areas w here concentrations of oil and gasoline leaks are prevalent, like gas stations, truck and bus terminals and airport s. CTS are used to extend the life and reduce maintenance cost associated with asphalt pavements, primarily in asphalt road pavement. They are typically used at airports for aprons, taxiways and runways. The Federal Aviation Administration Advisory Circular 150/ 5370-10A Standards for Specifying Construction of Airports include a requirement for pavement sealers that they should contain at least 35% coal tar in runway asphalt pavement.The reason for this requirement is that CTS have a much