FCC廢催化劑-瀝青混合料施工工藝研究*

舒 誠(chéng)，邰真軍，曹 濤，吳楚楓，孔令云

(1.中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000； 2.仁壽縣交通運(yùn)輸局，四川 仁壽 620599； 3.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引言

目前，直接投入法和瀝青預(yù)混法是對(duì)瀝青混合料改性的2種主要方法[1]。直接投入法是在拌合時(shí)直接投入改性劑的方法，屬于生產(chǎn)改性瀝青混合料的加工工藝[2]。而瀝青預(yù)混法是先制作改性瀝青，再通過(guò)改性瀝青生產(chǎn)瀝青混合料。在施工中一般也將直接投入法稱為“干法”，將瀝青預(yù)混法稱為“濕法”。

使用濕法制備改性瀝青通常需預(yù)先將瀝青加熱到較高溫度，再通過(guò)設(shè)備進(jìn)行攪拌和剪切[3]。這類方法對(duì)配套設(shè)備要求較高，需較大前期投資[4]；整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程處于高溫狀態(tài)，不夠安全環(huán)保；且在儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程中，易產(chǎn)生改性瀝青離析等問(wèn)題。而干法加工一般是將改性劑制備成乳液、粉末或顆粒等形式，在施工中將改性劑直接加入到拌合鍋，這類方法節(jié)省了改性瀝青生產(chǎn)設(shè)備投資，且施工成本低、施工工藝簡(jiǎn)便，因此廣泛受到施工單位青睞，多種改性劑如抗車轍劑等均采用干法施工。

流化催化裂化(FCC)催化劑作為輕質(zhì)油加工工藝中最重要的原料，其年使用量占整個(gè)石油煉制工業(yè)中催化劑總用量的86%以上[5]。目前，全球FCC廢催化劑的年產(chǎn)量約為35萬(wàn)t[6]。研究表明，廢催化劑普遍需經(jīng)過(guò)預(yù)處理后才能進(jìn)行填埋，且在地面長(zhǎng)期堆放會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生污染[7]。FCC廢催化劑的填埋場(chǎng)所需進(jìn)行特殊處理并定期對(duì)周邊水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)[8-9]。

現(xiàn)有諸多研究表明，F(xiàn)CC廢催化劑可用于瀝青混合料中以提高其性能。但在高溫反應(yīng)條件下，F(xiàn)CC廢催化劑的化學(xué)組成和相組成會(huì)產(chǎn)生一定變化[10]。因此，對(duì)FCC廢催化劑-瀝青混合料采用濕法工藝，可能會(huì)導(dǎo)致離析、性能不穩(wěn)定等問(wèn)題。

本文通過(guò)研究FCC廢催化劑-瀝青膠漿體系的離析以確定合適的FCC廢催化劑-瀝青混合料施工工藝，并通過(guò)比較不同用量的FCC廢催化劑對(duì)混合料基本性能的影響，確定FCC廢催化劑的最佳用量，最終通過(guò)鋪筑試驗(yàn)段對(duì)FCC廢催化劑-瀝青混合料進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 原材料及混合料配合比

1.1 原材料

瀝青采用中遠(yuǎn)海運(yùn)國(guó)際貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的70號(hào)基質(zhì)瀝青，其主要性能指標(biāo)如表1所示[11]。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

礦粉采用重慶市北碚區(qū)天府白云石有限公司生產(chǎn)的石灰石礦粉，其主要性能指標(biāo)如表2所示[12]。

表2 礦粉技術(shù)指標(biāo)

細(xì)集料采用重慶洪臣建材有限公司生產(chǎn)的0～4mm機(jī)制砂，粗集料采用重慶洪臣建材有限公司生產(chǎn)的碎石。其主要性能指標(biāo)分別如表3，4所示[12]。

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

表4 粗集料技術(shù)指標(biāo)

FCC廢催化劑為HC型FCC廢催化劑，呈白色粉末狀，主要成分為L(zhǎng)a2O3，CeO2，NiO，F(xiàn)e2O3，Al2O3，SiO2等，其技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果為：粒度(D[v，0.5])為38.1，親水系數(shù)為0.538，比表面積為84。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

采用AC-20瀝青混合料，級(jí)配如表5所示。

表5 AC-20瀝青混合料合成級(jí)配

混合料的礦粉摻配比例為3%，油石比為4.4%，采用最終確定的配合比成型馬歇爾試件并進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果如下：毛體積相對(duì)密度為2.426，理論最大相對(duì)密度為2.533，空隙率為4.2%，穩(wěn)定度為12.75kN，流值為3.27mm。

2 施工工藝

為了驗(yàn)證FCC廢催化劑-瀝青膠漿體系的離析情況，設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)。

將160～170℃ TLA改性瀝青倒入高3.5cm、直徑5.5cm試模內(nèi)待其冷卻，隨后對(duì)試件的上、中、下分別進(jìn)行取樣。測(cè)定其FCC廢催化劑含量，發(fā)現(xiàn)頂部、中部、底部的含量分別為12.1%，13.50%，14.8%，說(shuō)明FCC廢催化劑-瀝青膠漿在160～170℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定沉降。

通過(guò)設(shè)計(jì)粉膠比與樣品中實(shí)際粉膠比試驗(yàn)進(jìn)一步論證瀝青膠漿體系中二者差異，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)粉膠比與樣品中實(shí)際粉膠比對(duì)比

通過(guò)設(shè)計(jì)粉膠比與實(shí)際粉膠比對(duì)比，可看出瀝青膠漿體系中二者之間差異較大，在進(jìn)行瀝青膠漿試驗(yàn)研究過(guò)程中應(yīng)盡量避免礦粉沉降對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

對(duì)5%摻量的FCC廢催化劑-瀝青混合體系進(jìn)行不同溫度下頻率掃描試驗(yàn)，利用頻率掃描結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到混合體系的Han曲線和van Gurp-Palmen曲線，如圖2，3所示。

圖2 混合體系Han曲線

圖3 混合體系van Gurp-Palmen曲線

由圖2，3可看出，當(dāng)溫度>65℃時(shí)，F(xiàn)CC廢催化劑與基質(zhì)瀝青會(huì)發(fā)生相互分離現(xiàn)象。瀝青混合料施工溫度遠(yuǎn)高于65℃，此時(shí)采用濕法施工可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生明顯離析。

在實(shí)際施工中，要避免FCC廢催化劑離析導(dǎo)致瀝青混合料不穩(wěn)定，因此，應(yīng)采用干法工藝施工。

3 FCC廢催化劑用量

本文將FCC廢催化劑按替代一定比例的礦粉加入到混合料，通過(guò)比較不同用量的FCC廢催化劑對(duì)混合料基本性能的影響來(lái)確定FCC廢催化劑的最佳用量。試驗(yàn)結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 FCC廢催化劑-改性瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比與其用量關(guān)系

圖5 FCC廢催化劑-改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度與其用量關(guān)系

圖6 FCC廢催化劑-改性瀝青混合料車轍深度與其用量關(guān)系

由圖4～6可知，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比和動(dòng)穩(wěn)定度均在FCC廢催化劑替代量為20%時(shí)達(dá)到最佳效果，30%替代量時(shí)的車轍深度優(yōu)于20%替代量，但二者差距較小。綜合來(lái)看，用FCC廢催化劑替代20%礦粉時(shí)，混合料性能最佳。

采用前面所述工藝及配合比進(jìn)行試驗(yàn)路鋪筑，在鋪筑前，從新拌合的混合料中取料進(jìn)行試驗(yàn)，得到瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為4 800次/mm，凍融劈裂強(qiáng)度比為95.69%，均能滿足規(guī)范要求。這說(shuō)明采用FCC廢催化劑替代20%礦粉方式進(jìn)行干法工藝施工，可改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，減少礦粉用量，同時(shí)解決FCC廢催化劑這種危廢材料的回收處理問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

1)FCC廢催化劑-瀝青膠漿在160～170℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定沉降，瀝青膠漿體系中設(shè)計(jì)粉膠比與實(shí)際粉膠比之間可能存在較大差異。

2)溫度>65℃時(shí)，F(xiàn)CC廢催化劑與基質(zhì)瀝青會(huì)發(fā)生相互分離現(xiàn)象，即產(chǎn)生離析。為避免FCC廢催化劑的不均勻沉降影響瀝青混合料性能穩(wěn)定，應(yīng)采用干法施工。

3)用FCC廢催化劑替代20%礦粉，并采用干法生產(chǎn)，可有效改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，減少礦粉用量，同時(shí)解決FCC廢催化劑這種危廢材料的回收處理問(wèn)題。