油頁巖廢渣瀝青混合料的性能研究

甘華寧

(1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術(shù)與筑路材料工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

隨著油頁巖開采量的持續(xù)推進(jìn)，開采過程中產(chǎn)生的油頁巖廢渣量也在快速增加?，F(xiàn)階段，油頁巖廢渣的主要用途是作為肥料、建筑材料等，然而結(jié)合實際情況來看，這些利用方式的附加值相對較低，所以市場需求相對較小，大多數(shù)的油頁巖廢渣都會被廢棄堆置。但油頁巖廢渣中含有大量的有毒有害物質(zhì)，其在堆置過程中將會對周邊土地和水源造成污染，在嚴(yán)重影響土壤肥力的同時，也將會危害人體健康。相對于其他行業(yè)來說，道路工程行業(yè)每年都會消耗大量的材料資源，若是能夠?qū)⒂晚搸r廢渣有效應(yīng)用到道路工程中，那么不僅可以實現(xiàn)廢物利用以及環(huán)境保護(hù)，還能夠降低道路工程對于資源的需求，達(dá)到一舉多得的效果。因此，對道路工程中油頁巖廢渣瀝青混合料進(jìn)行研究分析有一定的實踐價值。

1 油頁巖廢渣的特性

1.1 油頁巖廢渣簡介

油頁巖在通過低溫干餾法提煉出頁巖油后將會產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，該副產(chǎn)物就是油頁巖廢渣。本研究中所采用的油頁巖廢渣均為某發(fā)電廠燃燒發(fā)電后所產(chǎn)生的油頁巖廢渣，其整體性狀中片狀顆粒含量較多。油頁巖廢渣各項物理指標(biāo)如表1所示；主要成分組成如表2所示。

表1 油頁巖廢渣物理指標(biāo)表

表2 油頁巖廢渣主要成分組成表

1.2 集料

本研究所采用的集料主要分為粗集料和細(xì)集料兩大類，所有集料均來自于同一石材廠。具體集料物理指標(biāo)如表3所示。

表3 粗集料和細(xì)集料物理指標(biāo)表

1.3 瀝青

本研究中采用的瀝青均為70#基質(zhì)瀝青，此瀝青的基本物理指標(biāo)如表4所示。

表4 瀝青物理指標(biāo)表

1.4 硅烷偶聯(lián)劑

因為油頁巖廢渣屬于酸性材料，其與瀝青之間的實際結(jié)合性相對較弱，所以為保障最終試驗中瀝青混合料的綜合性能，需要在混合料中加入硅烷偶聯(lián)劑來作為瀝青改性材料。本研究中所采用的硅烷偶聯(lián)劑為γ-氨丙基三乙氧基硅烷。硅烷偶聯(lián)劑的各項物理指標(biāo)如表5所示。

表5 硅烷偶聯(lián)劑物理指標(biāo)表

1.5 油頁巖廢渣瀝青混合料配合比設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)有研究成果，本研究中油頁巖廢渣瀝青混合料級配情況如表6所示。此外，在研究中，所有粒徑<4.75 mm的細(xì)骨料將會由油頁巖廢渣進(jìn)行替代。

表6 油頁巖廢渣瀝青混合料級配表

2 試驗結(jié)果及對比分析

2.1 材料處理

在進(jìn)行具體試驗前，需要通過硅烷偶聯(lián)劑對集料表面進(jìn)行預(yù)處理。本研究中所采用的預(yù)處理方法主要分為水解和固化兩種方法，具體內(nèi)容如下：

2.1.1 水解處理

在對集料進(jìn)行改性處理前，需要先將硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行水解。具體來說就是將硅烷偶聯(lián)劑與一定比例的水和乙醇進(jìn)行混合，進(jìn)而生成相應(yīng)的混合溶液，將混合溶液靜置一段時間后，再通過混合溶液對集料表面進(jìn)行預(yù)處理。通過這種方法處理后，硅烷偶聯(lián)劑水解溶液將會在集料表面生成氫鍵，之后經(jīng)過脫水反應(yīng)后形成共價鍵，同時會在集料表面形成一層薄膜對集料表面進(jìn)行覆蓋。結(jié)合當(dāng)前研究成果發(fā)現(xiàn)，硅烷偶聯(lián)劑的水解程度將會直接影響到集料表面的改性效果，所以在綜合研究中確定硅烷偶聯(lián)劑、乙醇和水三者的比例分布為50∶5∶45[1]，具體水解時間控制在20 min左右。

2.1.2 固化處理

在通過硅烷偶聯(lián)劑對集料進(jìn)行預(yù)處理后，還應(yīng)對集料進(jìn)行固化處理。具體方法為：通過干燥加熱的方式對已經(jīng)完成預(yù)處理的集料進(jìn)行脫水處理，進(jìn)而促使硅烷偶聯(lián)劑水解溶液所形成的氫鍵經(jīng)過脫水反應(yīng)轉(zhuǎn)化為共價鍵，以此來緊密貼附在集料表面，達(dá)成固化效果。通常情況下，固化處理過程中所采用的溫度和時間均會對固化效果造成影響。在經(jīng)過綜合研究分析后，最終試驗的固化溫度確定為160 ℃，固化時長確定為2～3 h。

在對集料進(jìn)行改性處理過程中，除了需要考慮以上兩點內(nèi)容以外，硅烷偶聯(lián)劑的使用量也將會直接影響到集料改性效果。通過研究發(fā)現(xiàn)，酸性集料表面均勻覆蓋約為集料總質(zhì)量2%的水解溶液時，其改性效果最為優(yōu)秀。因此，在研究過程中，硅烷偶聯(lián)劑的使用量將會確定為2%[2]。具體改性流程如下：

(1)將硅烷偶聯(lián)劑加入到水和乙醇混合溶液中，并將溶液攪拌均勻。硅烷偶聯(lián)劑、乙醇和水三者的比例分布為50∶5∶45。攪拌完成后，將混合溶液在常溫環(huán)境下靜置20 min，促使溶液得到充分水解。

(2)使用噴壺將水解后的硅烷偶聯(lián)劑水解溶液均勻噴灑到集料表面，并在噴灑過程中不斷翻動集料，確保均勻性，具體噴灑量需要控制在集料總質(zhì)量的2%左右。

(3)將已經(jīng)完成預(yù)處理的集料放入到烘箱中進(jìn)行加熱固化，具體固化時間應(yīng)控制在2～3 h左右。

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 車轍試驗

車轍試驗主要用于評估油頁巖瀝青混合料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性，進(jìn)而確定油頁巖瀝青混合料的動穩(wěn)定度，以此來判斷油頁巖瀝青混合料的整體性能[3]。車轍試驗的相關(guān)流程及標(biāo)準(zhǔn)均按照國家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。具體對比試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 車轍試驗結(jié)果對比柱狀圖

目前，國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中對于道路工程瀝青混合料的動穩(wěn)定次數(shù)要求>2 400次/mm[4]。結(jié)合圖1可知，基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青以及油頁巖廢渣瀝青混合料均已經(jīng)達(dá)到國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中對于道路工程瀝青混合料的動穩(wěn)定性能要求，并且油頁巖廢渣瀝青混合料的動穩(wěn)定性能要優(yōu)于基質(zhì)瀝青，略遜于SBS改性瀝青。由此可知，油頁巖廢渣瀝青混合料的車轍抵抗性能較為優(yōu)秀，并且在高溫環(huán)境下仍然具有較強的穩(wěn)定性，不過相比較SBS改性瀝青仍然略顯遜色。

2.2.2 低溫劈裂試驗

低溫劈裂試驗可以用于評估油頁巖瀝青混合料在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性能，同車轍試驗一樣，低溫劈裂試驗也會根據(jù)國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[5]。具體試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 低溫劈裂試驗結(jié)果對比柱狀圖

由圖2可知，在三種瀝青中，SBS改性瀝青的低溫劈裂強度最高，約為4.61 MPa，其次為油頁巖廢渣瀝青混合料，其低溫劈裂強度約為4.48 MPa，低溫劈裂性能最低的為基質(zhì)瀝青，約為3.75 MPa。由此可見，雖然油頁巖廢渣瀝青混合料在低溫環(huán)境下的劈裂強度低于SBS改性瀝青，但卻優(yōu)于基質(zhì)瀝青，相對來說性能較為優(yōu)越，有著較好的低溫穩(wěn)定性。

2.2.3 浸水馬歇爾試驗

浸水馬歇爾試驗主要用于評估油頁巖瀝青混合料水穩(wěn)定性能，進(jìn)而確定油頁巖瀝青混合料在水侵害環(huán)境下的剝落抵抗性能[6]。同樣，浸水馬歇爾試驗也需要按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。具體試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 浸水馬歇爾試驗結(jié)果對比柱狀圖

如圖3所示，在三種瀝青中，基質(zhì)瀝青的殘留穩(wěn)定性最低，僅有78.6%，而國家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)則要求瀝青混合料的殘留穩(wěn)定性>80%，也就是說基質(zhì)瀝青不符合相關(guān)要求；油頁巖廢渣瀝青混合料的殘留穩(wěn)定性為83.5%，超過國家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，符合要求；SBS改性瀝青的殘留穩(wěn)定性則為83.7%，也同樣符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。油頁巖廢渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性能雖然超過基質(zhì)瀝青，但卻低于SBS改性瀝青，表明油頁巖廢渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性略遜于SBS改性瀝青。

3 結(jié)語

通過本文的試驗研究，得出以下幾點結(jié)論：

(1)油頁巖廢渣瀝青混合料的車轍抵抗性能較為優(yōu)秀，并且在高溫環(huán)境下仍然具有較強的穩(wěn)定性，不過相比較SBS改性瀝青仍然略顯遜色；

(2)油頁巖廢渣瀝青混合料低溫環(huán)境下的劈裂強度低于SBS改性瀝青，但卻優(yōu)于基質(zhì)瀝青；

(3)油頁巖廢渣瀝青混合料水穩(wěn)定性能雖然超過基質(zhì)瀝青，但卻低于SBS改性瀝青。

綜合上述研究成果可知，油頁巖廢渣瀝青混合料綜合性能處于基質(zhì)瀝青性能和SBS改性瀝青性能之間，可以作為油頁巖廢渣的一種再利用方式進(jìn)行實際應(yīng)用。