FCC廢催化劑-瀝青混合料施工工藝研究*

舒 誠，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.仁壽縣交通運輸局，四川 仁壽 620599； 3.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

0 引言

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

使用濕法制備改性瀝青通常需預先將瀝青加熱到較高溫度，再通過設備進行攪拌和剪切[3]。這類方法對配套設備要求較高，需較大前期投資[4]；整個生產過程處于高溫狀態，不夠安全環保；且在儲存、運輸過程中，易產生改性瀝青離析等問題。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，這類方法節省了改性瀝青生產設備投資，且施工成本低、施工工藝簡便，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)催化劑作為輕質油加工工藝中最重要的原料，其年使用量占整個石油煉制工業中催化劑總用量的86%以上[5]。目前，全球FCC廢催化劑的年產量約為35萬t[6]。研究表明，廢催化劑普遍需經過預處理后才能進行填埋，且在地面長期堆放會對地下水產生污染[7]。FCC廢催化劑的填埋場所需進行特殊處理并定期對周邊水質進行檢測[8-9]。

現有諸多研究表明，FCC廢催化劑可用于瀝青混合料中以提高其性能。但在高溫反應條件下，FCC廢催化劑的化學組成和相組成會產生一定變化[10]。因此，對FCC廢催化劑-瀝青混合料采用濕法工藝，可能會導致離析、性能不穩定等問題。

本文通過研究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，并通過比較不同用量的FCC廢催化劑對混合料基本性能的影響，確定FCC廢催化劑的最佳用量，最終通過鋪筑試驗段對FCC廢催化劑-瀝青混合料進行檢驗。

1 原材料及混合料配合比

1.1 原材料

瀝青采用中遠海運國際貿易有限公司生產的70號基質瀝青，其主要性能指標如表1所示[11]。

表1 瀝青技術指標

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

表2 礦粉技術指標

細集料采用重慶洪臣建材有限公司生產的0～4mm機制砂，粗集料采用重慶洪臣建材有限公司生產的碎石。其主要性能指標分別如表3，4所示[12]。

表3 細集料技術指標

表4 粗集料技術指標

FCC廢催化劑為HC型FCC廢催化劑，呈白色粉末狀，主要成分為La2O3，CeO2，NiO，Fe2O3，Al2O3，SiO2等，其技術指標檢測結果為：粒度(D[v，0.5])為38.1，親水系數為0.538，比表面積為84。

1.2 配合比設計

采用AC-20瀝青混合料，級配如表5所示。

表5 AC-20瀝青混合料合成級配

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行性能檢測，結果如下：毛體積相對密度為2.426，理論最大相對密度為2.533，空隙率為4.2%，穩定度為12.75kN，流值為3.27mm。

2 施工工藝

為了驗證FCC廢催化劑-瀝青膠漿體系的離析情況，設計了如下試驗。

將160～170℃ TLA改性瀝青倒入高3.5cm、直徑5.5cm試模內待其冷卻，隨后對試件的上、中、下分別進行取樣。測定其FCC廢催化劑含量，發現頂部、中部、底部的含量分別為12.1%，13.50%，14.8%，說明FCC廢催化劑-瀝青膠漿在160～170℃時會產生一定沉降。

通過設計粉膠比與樣品中實際粉膠比試驗進一步論證瀝青膠漿體系中二者差異，試驗結果如圖1所示。

圖1 設計粉膠比與樣品中實際粉膠比對比

通過設計粉膠比與實際粉膠比對比，可看出瀝青膠漿體系中二者之間差異較大，在進行瀝青膠漿試驗研究過程中應盡量避免礦粉沉降對試驗結果的影響。

對5%摻量的FCC廢催化劑-瀝青混合體系進行不同溫度下頻率掃描試驗，利用頻率掃描結果進行數據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，當溫度>65℃時，FCC廢催化劑與基質瀝青會發生相互分離現象。瀝青混合料施工溫度遠高于65℃，此時采用濕法施工可能會導致生產過程中產生明顯離析。

在實際施工中，要避免FCC廢催化劑離析導致瀝青混合料不穩定，因此，應采用干法工藝施工。

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，通過比較不同用量的FCC廢催化劑對混合料基本性能的影響來確定FCC廢催化劑的最佳用量。試驗結果如圖4～6所示。

圖4 FCC廢催化劑-改性瀝青混合料凍融劈裂強度比與其用量關系

圖5 FCC廢催化劑-改性瀝青混合料動穩定度與其用量關系

圖6 FCC廢催化劑-改性瀝青混合料車轍深度與其用量關系

由圖4～6可知，瀝青混合料的凍融劈裂強度比和動穩定度均在FCC廢催化劑替代量為20%時達到最佳效果，30%替代量時的車轍深度優于20%替代量，但二者差距較小。綜合來看，用FCC廢催化劑替代20%礦粉時，混合料性能最佳。

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

4 結語

1)FCC廢催化劑-瀝青膠漿在160～170℃時會產生一定沉降，瀝青膠漿體系中設計粉膠比與實際粉膠比之間可能存在較大差異。

2)溫度>65℃時，FCC廢催化劑與基質瀝青會發生相互分離現象，即產生離析。為避免FCC廢催化劑的不均勻沉降影響瀝青混合料性能穩定，應采用干法施工。

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