油基巖屑熱脫附殘渣在瀝青混凝土路面工程中的應用研究

摘要：文章為了考察油基巖屑熱脫附殘渣作為瀝青混合料的各項路用性能，采用西南某頁巖氣平臺油基巖屑熱脫附處理后的殘渣替代一定比例的填料，分別摻入到AC-20C、AC-13C、SMA-13三種常用的改性瀝青混合料中，并基于馬歇爾穩定度試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、車轍試驗和低溫小梁彎曲試驗對不同摻量的油基巖屑改性瀝青混合料的路用性能進行研究。研究結果表明：用油基巖屑熱脫附殘渣替代瀝青混合料部分填料后，在一定范圍內可以有效提高改性瀝青混合料馬歇爾穩定度、高溫抗車轍性能及水穩定性能，但對改性瀝青混合料低溫抗開裂性能有一定的不利影響；由于其具備較高的替代填料性價比，可以實現資源化利用，具有良好的應用前景。

關鍵詞：油基巖屑殘渣；資源化利用；瀝青路面；路用性能

中圖分類號：U416.217A220733

0 引言

油基巖屑是頁巖氣鉆井開發過程中產生的含油固體廢物［1］。劉宇程等［2］對油基巖屑熱脫附處理技術進行了相關的研究，并提出了對熱脫附工藝參數進行優化。目前國內外對油基巖屑的處理還沒有實現廢棄物的資源化利用［3］。隨著我國頁巖氣開采力度加大，產生的油基巖屑也日益增多，即便是經熱脫附處理后，也只是回收了其中的礦物油，但脫油后殘渣的資源化利用途徑有限［4］，還需要進一步深入研究。

本研究將熱脫附處理后的油基巖屑替代礦粉摻入不同種類的瀝青混合料中，使之既能滿足不同種類瀝青混合料的各項技術指標和路用性能要求，又能直接用于瀝青路面工程，使其資源化利用成為可能。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

1.1.1 熱脫附處理后的油基巖屑

試驗采用的油基巖屑產自于西南某頁巖氣井鉆井平臺。油基巖屑經熱脫附處理后的殘渣呈深褐色固體狀，其篩分結果如表1所示，各粒級篩余殘樣如圖1所示。經熱脫附處理后的油基巖屑主要是由鉆井產生的巖粉組成，其自身級配分布范圍較廣，且含有一定比例的碎石。

1.1.2 瀝青

試驗用瀝青為中石油燃料油有限責任公司生產的SBS（I-D）聚合物改性瀝青，其技術指標如下頁表2所示，相關技術指標按照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）（以下簡稱《規范》）中高速公路的相關要求判定。

1.1.3 集料

AC-20C瀝青混合料、AC-13C瀝青混合料試驗采用的集料為仁壽某碎石場生產的石灰巖碎石，SMA-13瀝青混合料試驗采用的集料為仁壽某碎石場生產的玄武巖碎石，填料是由四川省雅安市某建材廠生產的石灰巖礦粉。礦粉是由石灰巖磨制而成，相關技術指標按照《規范》中高速公路的相關要求判定（見下頁表3～4）。

1.2 試驗設備

試驗采用SYD-F02-20型自動混合料拌和機、RXD-2006A型低溫試驗箱、SYD-0703-3型車轍試樣成型機、MDJ-ⅡA馬歇爾電動擊實儀、SYD-0711A型瀝青混合料理論最大相對密度試驗器、SYD-0730A型多功能全自動瀝青壓力試驗儀、SYD-0719C-2型自動車轍試驗儀、WAW-1000型微機控制電液伺服萬能試驗機、AR1500ex型動態剪切流變儀等設備。

1.3 試驗方案

研究采用AC-20C、AC-13C、SMA-13三種不同種類的改性瀝青混合料；油基巖屑作為一種礦粉替代材料，按0、20%、40%、60%、80%、100%比例逐步替代礦粉［5］。AC-20C、AC-13C、SMA-13三種改性瀝青混合料級配通過率分別如表5所示。其混合料拌和、試樣處理、試驗樣品制備均依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）的相關規定執行。AC-20C、AC-13C、SMA-13瀝青混合料統一采用油石比分別為4.3%、5.0%、6.0%，其混合料性能經驗證均滿足《規范》的相關規定。

以不同油基石屑替代礦粉比例分別成型馬歇爾試件時，油基巖屑隨礦粉一起加入，摻入溫度和摻入時間與礦粉一致，試件成型并達到規定的養生時間后，分別進行馬歇爾穩定度試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、動穩定度試驗和低溫彎曲試驗，驗證摻入不同摻量的油基巖屑改性瀝青混合料的各項路用性能指標，并對試驗結果數據進行分析。

2 試驗結果分析

2.1 馬歇爾試驗結果

三種不同種類的改性瀝青混合料馬歇爾穩定度試驗結果如圖2所示。由圖2可以看出，隨著油基巖屑替代礦粉的比例逐步增加，AC-20C、AC-13C、SMA-13三種類型的改性瀝青混合料的穩定度分別在油基巖屑替代礦粉的比例為60%、40%、20%時達到峰值，之后穩定度便開始降低，說明隨著油基巖屑代礦粉的比例增加，其混合料的整體強度一定范圍內有所升高，在到達一定峰值后開始降低。

2.2 殘留穩定度

為了檢驗瀝青混合料的抗水損害能力，選用浸水馬歇爾試驗結果殘留穩定度來評價瀝青混合料的水穩定性，三種不同種類的瀝青混合料殘留穩定度如圖3所示。可以看出，隨著油基巖屑替代礦粉的比例逐步增加，AC-20C、AC-13C、SMA-13三種類型的改性瀝青混合料的殘留穩定度分別在60%、40%、40%時達到峰值，之后殘留穩定度便開始逐步降低，說明隨著油基巖屑替代礦粉的比例增加，其混合料殘留抗水損害能力在一定范圍內有所增強。

2.3 凍融劈裂試驗結果與分析

采用凍融劈裂試驗來評價混合料在凍融條件下的抗水損害性能，試驗結果如表6所示，相關技術指標按照《規范》中氣候分區潮濕區的相關要求判定。由表6可知，隨著油基巖屑替代礦粉的比例逐步增加，AC-20C、AC-13C、SMA-13三種類型的改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比分別在60%、40%、40%時達到峰值，之后凍融劈裂強度比便開始降低。說明隨著油基巖屑替代礦粉的比例增加，其混合料凍融條件下的抗水損害性能在一定范圍內有所升高，而后開始降低。

2.4 車轍試驗結果與分析

車轍試驗是通過動穩定度指標來評價瀝青混合料在高溫條件下抵抗變形的能力。將制備好的試件在60 ℃的條件下進行車轍試驗，三種不同種類的瀝青混合料車轍試驗結果如表7所示，相關技術指標按照《規范》中氣候分區夏熱區2-1的相關要求判定。由表7可知，隨著油基巖屑替代礦粉的比例逐步增加，AC-20C、AC-13C、SMA-13三種類型的改性瀝青混合料的動穩定度比分別在40%、60%、40%時達到峰值，之后開始降低。說明隨著油基巖屑代礦粉的比例增加，其混合料高溫抗車轍性能在一定范圍內有所升高。

2.5 低溫彎曲試驗結果與分析

采用-10 ℃的小梁彎曲[JP+2]試驗來評價三種油基巖屑瀝青混合料低溫抗開裂性能。三種不同種類的瀝青混合料低溫彎曲試驗結果如圖4所示，隨著油基巖屑替代礦粉的比例逐步增加，AC-20C、AC-13C、SMA-13三種類型的改性瀝青混合料的低溫彎曲破壞應變逐步降低，說明摻入油基巖屑代礦粉對瀝青混合料低溫抗開裂性能有不利影響。值得注意的是，對于SMA-13瀝青混合料，用油基巖屑100%替代礦粉后，瀝青混合料的低溫彎曲破壞應變依舊能滿足相關規范的要求（gt;2 500），說明這種不利影響范圍有限，并未對混合料的低溫抗開裂性能造成較大的影響。

3 結語

（1）熱脫附處理后的油基巖屑主要由少量碎石和巖粉組成，具有一定的級配，可用于瀝青混合料中替代部分填料。

（2）采用油基巖屑替代瀝青混合料部分填料，在一定范圍內可有效改善改性瀝青混合料馬歇爾穩定度、高溫抗車轍性能以及水穩定性能。隨著油基巖屑替代礦粉摻量的增加，混合料的穩定度、高溫抗車轍性能以及水穩定性能呈現出先增加后降低的趨勢。

（3）采用油基巖屑替代瀝青混合料部分填料，對改性瀝青混合料低溫抗開裂性能會產生不利影響。隨著油基巖屑替代礦粉摻量的增加，混合料的低溫彎曲應變逐漸降低，然而對于SMA-13混合料，當油基巖屑替代比例達到100%后，其低溫彎曲應變仍滿足規范要求。

參考文獻

［1］劉宇程，徐俊忠，陳 鳳，等.粉煤灰復合固化劑處理含油污泥實驗研究［J］.環境工程，2014，32（5）：73-76.

［2］劉宇程，王茂仁，李永剛，等.油基巖屑熱脫附處理工藝參數優化［J］.環境工程學報，2020，14（6）：1 639-1 648.

［3］方 濤.油基巖屑在瀝青混凝土路面中的應用研究［D］.綿陽：西南科技大學，2019.

［4］饒 維，劉文士，黃 慶，等.四川頁巖氣開發壓裂返排液和油基巖屑處理處置探析［J］.環境影響評價，2019，41（1）：15-19.

［5］陳居涌.脫硫灰瀝青混凝土水穩定性能研究［D］.武漢：武漢理工大學，2015.

收稿日期：2023-10-16

作者簡介：李鑫隆（1979—），高級工程師，主要從事試驗檢測工作。