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.南寧市筑路技術與筑路材料工程技術研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

隨著油頁巖開采量的持續推進，開采過程中產生的油頁巖廢渣量也在快速增加。現階段，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，其在堆置過程中將會對周邊土地和水源造成污染，在嚴重影響土壤肥力的同時，也將會危害人體健康。相對于其他行業來說，道路工程行業每年都會消耗大量的材料資源，若是能夠將油頁巖廢渣有效應用到道路工程中，那么不僅可以實現廢物利用以及環境保護，還能夠降低道路工程對于資源的需求，達到一舉多得的效果。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生大量的副產物，該副產物就是油頁巖廢渣。本研究中所采用的油頁巖廢渣均為某發電廠燃燒發電后所產生的油頁巖廢渣，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。具體集料物理指標如表3所示。

表3 粗集料和細集料物理指標表

1.3 瀝青

本研究中采用的瀝青均為70#基質瀝青，此瀝青的基本物理指標如表4所示。

表4 瀝青物理指標表

1.4 硅烷偶聯劑

因為油頁巖廢渣屬于酸性材料，其與瀝青之間的實際結合性相對較弱，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劑來作為瀝青改性材料。本研究中所采用的硅烷偶聯劑為γ-氨丙基三乙氧基硅烷。硅烷偶聯劑的各項物理指標如表5所示。

表5 硅烷偶聯劑物理指標表

1.5 油頁巖廢渣瀝青混合料配合比設計

結合現有研究成果，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的細骨料將會由油頁巖廢渣進行替代。

表6 油頁巖廢渣瀝青混合料級配表

2 試驗結果及對比分析

2.1 材料處理

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

2.1.1 水解處理

在對集料進行改性處理前，需要先將硅烷偶聯劑進行水解。具體來說就是將硅烷偶聯劑與一定比例的水和乙醇進行混合，進而生成相應的混合溶液，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行預處理。通過這種方法處理后，硅烷偶聯劑水解溶液將會在集料表面生成氫鍵，之后經過脫水反應后形成共價鍵，同時會在集料表面形成一層薄膜對集料表面進行覆蓋。結合當前研究成果發現，硅烷偶聯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

在通過硅烷偶聯劑對集料進行預處理后，還應對集料進行固化處理。具體方法為：通過干燥加熱的方式對已經完成預處理的集料進行脫水處理，進而促使硅烷偶聯劑水解溶液所形成的氫鍵經過脫水反應轉化為共價鍵，以此來緊密貼附在集料表面，達成固化效果。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。

在對集料進行改性處理過程中，除了需要考慮以上兩點內容以外，硅烷偶聯劑的使用量也將會直接影響到集料改性效果。通過研究發現，酸性集料表面均勻覆蓋約為集料總質量2%的水解溶液時，其改性效果最為優秀。因此，在研究過程中，硅烷偶聯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量的2%左右。

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

2.2 試驗結果

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境下的穩定性，進而確定油頁巖瀝青混合料的動穩定度，以此來判斷油頁巖瀝青混合料的整體性能[3]。車轍試驗的相關流程及標準均按照國家相關規范標準進行。具體對比試驗結果如圖1所示。

圖1 車轍試驗結果對比柱狀圖

目前，國家規范標準中對于道路工程瀝青混合料的動穩定次數要求>2 400次/mm[4]。結合圖1可知，基質瀝青、SBS改性瀝青以及油頁巖廢渣瀝青混合料均已經達到國家規范標準中對于道路工程瀝青混合料的動穩定性能要求，并且油頁巖廢渣瀝青混合料的動穩定性能要優于基質瀝青，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秀，并且在高溫環境下仍然具有較強的穩定性，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境下的穩定性能，同車轍試驗一樣，低溫劈裂試驗也會根據國家規范標準進行[5]。具體試驗結果如圖2所示。

圖2 低溫劈裂試驗結果對比柱狀圖

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境下的劈裂強度低于SBS改性瀝青，但卻優于基質瀝青，相對來說性能較為優越，有著較好的低溫穩定性。

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定性能，進而確定油頁巖瀝青混合料在水侵害環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規范進行。具體試驗結果如圖3所示。

圖3 浸水馬歇爾試驗結果對比柱狀圖

如圖3所示，在三種瀝青中，基質瀝青的殘留穩定性最低，僅有78.6%，而國家相關規范標準則要求瀝青混合料的殘留穩定性>80%，也就是說基質瀝青不符合相關要求；油頁巖廢渣瀝青混合料的殘留穩定性為83.5%，超過國家相關規范標準，符合要求；SBS改性瀝青的殘留穩定性則為83.7%，也同樣符合相關標準要求。油頁巖廢渣瀝青混合料的水穩定性能雖然超過基質瀝青，但卻低于SBS改性瀝青，表明油頁巖廢渣瀝青混合料的水穩定性略遜于SBS改性瀝青。

3 結語

通過本文的試驗研究，得出以下幾點結論：

(1)油頁巖廢渣瀝青混合料的車轍抵抗性能較為優秀，并且在高溫環境下仍然具有較強的穩定性，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境下的劈裂強度低于SBS改性瀝青，但卻優于基質瀝青；

(3)油頁巖廢渣瀝青混合料水穩定性能雖然超過基質瀝青，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行實際應用。