油页岩粉末替代矿粉的沥青混合料水稳定性

孟　孝，王显利，时成林

(1.北华大学汽车与建筑工程学院，吉林 吉林　132013；2.吉林省交通科学研究所，吉林 长春　130012)



油页岩粉末替代矿粉的沥青混合料水稳定性

孟孝1，王显利1，时成林2

(1.北华大学汽车与建筑工程学院，吉林 吉林132013；2.吉林省交通科学研究所，吉林 长春130012)

摘要：沥青混合料中的矿粉可以起到填充和增加沥青与集料黏结力的作用，油页岩灰渣是工业废料，若能用于土木工程材料中则可以实现利废的目的.以油页岩电厂灰粉末为原料，按50%，75%，100% 3种掺配比部分或全部替代矿粉，通过沥青混合料水稳定性试验，研究油页岩灰渣用于沥青混合料的可行性.结果表明：按3种掺配比配制的沥青混合料水稳定性指标均为合格，其中按50%掺配时的水稳定性要优于75%和100%两个掺配比.

关键词：油页岩粉末；沥青混合料；水稳定性

【引用格式】孟孝，王显利，时成林.油页岩粉末替代矿粉的沥青混合料水稳定性[J].北华大学学报(自然科学版)，2016，17(2)：250-254.

油页岩是一种天然形成的，渗透性低、纹理细密的黑色或棕色片状固体，其有机物含量较高，含油率一般高于3.5%[1].近期的勘察数据显示，我国油页岩储量位居世界第4位，吉林省的油页岩储量和开采量更是高居全国第1位[2].在油页岩早期开发阶段，对灰渣的处理都是将其直接堆置在附近，环境污染严重，危害居民健康[3].吉林省油页岩产地比较集中，已列入储量表的7处矿床主要分布在农安、桦甸、汪清罗子沟3地[4].油页岩开采后最重要的一项用途是燃烧发电，随着油页岩开采量的逐年增大，热电厂燃烧产生的残留废渣量也随之攀升.研究发现，将高温燃烧过的油页岩灰渣磨细可以作为一种非常规的无机材料来代替矿粉添加到沥青混合料中，对于提高沥青与集料的黏结力和混合料的路用性能具有重要作用.本文将电厂灰磨细筛选出粒径小于0.075 mm的粉末，以不同掺配比替代矿粉，对油页岩灰渣沥青混合料水稳定性进行研究.

1试验材料

沥青：选用辽宁盘锦北方沥青股份有限公司生产的90#沥青，技术指标见表1.

表1　沥青单质技术指标

油页岩(电厂灰)：选用吉林省汪清县罗子沟镇的油页岩灰渣，化学成分见表2.

表2　电厂灰化学成分

集料：产自吉林省白山市抚松县荒沟门碎石厂，各项技术指标检测结果见表3和表4.由《公路工程集料试验规程》(JTGE42—2005)[5]要求可知，该材料为合格石料.

表3　粗集料技术指标

表4　细集料技术指标

2试验方法

1)分别取各级配材料与沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052—2000)[6]进行试验前加热.

2)以体积为衡量标准，分别以50%，75%和100%油页岩粉末掺配比代替矿粉.

3)利用马歇尔击实仪制备标准马歇尔试件(φ101.6 mm×63.5 mm)，确定不同掺配比的最佳油石比.

4)制备水稳定性试验试件并编号(每组8个试件，前4个统一规定为标准件，后4个为试验件).

5)浸水残留试件在击实试验12 h后脱模，测量试件尺寸(63.5 mm±1.3 mm)与密度(表干法)后，将标准马歇尔试件放入恒温水域(60 ℃)35 min，取出即可测量残留稳定度；浸水试件放入恒温水域(60 ℃)48 h后，利用马歇尔稳定度仪测定稳定度与流值.

6)冻融劈裂试件与浸水试件前期处理相同.将标准件放于室温，冻融试验试件进行真空饱水，在真空度为97.3 kPa的条件下保持15 min后恢复常压，在水中置放0.5 h，再将试件放入塑料袋中加入10 mL水.放入低温箱16 h(-18 ℃±2 ℃)，取出后撤去塑料袋立即放入恒温水域24 h(60 ℃±0.5 ℃)，保温24 h后将标准件与冻融件一起放于25 ℃±0.5 ℃的恒温水槽中静置2 h，每个试件距离15 mm，最后利用马歇尔稳定度仪测定劈裂强度.

7)根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[7]确定新型沥青混合料是否合格，对比50%，75%和100%油页岩粉末的各项指标.

3水稳定性试验结果

3.1浸水残留试验稳定度与流值

本次试验用马歇尔试件的基本指标见表5，试验结果见表6～8.结果表明：在基础数据符合要求的情况下，经试验检测可知：50%，75%和100% 3种掺配比的沥青混合料稳定度和流值皆符合规范要求.

表5　在各项指标要求下的稳定度与流值范围

表6　掺配50%油页岩粉末的沥青混合料水稳定度和流值

表7　掺配75%油页岩粉末的沥青混合料水稳定度和流值

表8　掺配100%油页岩粉末的沥青混合料水稳定度和流值

试件的浸水残留稳定度

式中：MS0为试件的浸水残留稳定度(%)；MS1为试件浸水48h后的稳定度(kN)：MS为试件的稳定度(kN).根据要求，普通沥青混合料在半干区的浸水马歇尔试验残留稳定度应不小于75%，通过两组试件稳定度的均值比进行计算.3种掺配比试件残留稳定度对比见图1.由图1可知：随着油页岩粉末掺配比的增大，试件残留稳定度不断下降且趋势明显，由此可见掺配比对沥青混合料稳定度的影响较大.

3.2冻融劈裂试验破坏力

劈裂抗拉强度与冻融劈裂抗拉强度比依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》提供的方法进行计算，试验值及计算结果见表9.

表9劈裂强度与冻融劈裂抗拉强度比计算结果

Tab.9Calculation results of cleavage strength and freeze-thaw splitting tensile strength ratio

《公路沥青路面施工技术规范》中要求普通沥青混合料在半干区的冻融劈裂试验残留强度比应不小于70%.由表9可知：3种掺配比的沥青混合料强度比分别为80.35%，77.65%和79.11%，均符合规范要求.虽然75%掺配比的混合料劈裂强度比有所下降，但从整体上看3种掺配比下强度比没有十分明显的波动，均在80%左右.由此可知：3种掺配比对沥青混合料在劈裂强度比上没有过于明显的影响.

4分析与讨论

由本次试验可以看出：在水稳定性方面，用油页岩代替矿粉添加到沥青混合料中是可行的，油页岩粉末同样可以产生矿粉所带来的作用.矿粉中的碱性组分含量高，可增强沥青与矿粉之间的化学吸附作用，使沥青本身的黏结力增大，同时也就增强了沥青混合料的黏结力，提高了沥青混合料的水稳定性[8].图2为3种不同掺配比水稳定性能对比.

由图2可知：在水稳定性满足规程要求的前提下，油页岩粉末(电厂灰)可代替沥青混合料中的矿粉，3种不同掺配比均达到了《公路沥青路面施工技术规范》中非高速公路和一级公路使用沥青混合料所要求的最低标准；沥青混合料稳定度随着掺配比的增加呈下降趋势，并且稳定度的差值较大；在冻融劈裂试验中，75%掺配比的强度比最低，50%和100%掺配比的数值十分接近，3个强度比相差不大，说明油页岩粉末不同掺配比对沥青混合料劈裂强度比的影响较小.众所周知，在沥青混合料的水稳定性中，稳定度与劈裂强度比是表征混合料水稳定性能差异的重要指标.综合两方面因素可知：3种掺配比混合料中，50%掺配比的沥青混合料水稳定性优于75%和100%掺配比，更适合应用于实际施工中.

5结论

1)随着油页岩粉末掺配比的提高，沥青混合料的稳定度不断降低，表明在油页岩粉末掺配比加大时，其对混合料的稳定度会有很大影响.

2)通过3种掺配比试件冻融劈裂强度比可知：在掺配比变化时强度比虽然发生变化，但变化幅度较小，不同掺配比对混合料的冻融劈裂强度比的影响不明显.

3)掺配比为50%时沥青混合料的稳定度与冻融劈裂强度比最佳.

油页岩粉末是一种提炼后产生的废渣，现今废渣产量大、占地面积大，在一定程度上影响了社会环境与经济发展.由于油页岩废渣产地比较集中，依据实际情况，如果在油页岩废渣产量较大地区或周边地区应用其废渣粉末投入到公路工程沥青路面中，不但可以提高经济效益，还能够改善周边环境.

参考文献：

[1] 张凤泉，李文强，关旭，等.油页岩灰渣在道路工程中的应用研究[J].吉林建筑工程学院学报，2012，29(2)：31-34.

[2] 史光绪.油页岩灰渣粉沥青胶浆性能研究[D].长春：吉林大学，2015.

[3] 陈洁渝，严春杰，李子冲，等.油页岩渣的综合利用[J].矿产保护与利用，2006(6)：41-45.

[4] X M Jiang，X X Han，Z G Cui.New technology for the comprehensive utilization of Chinese oil shale resources[J].Energy，2007，32：772-777.

[5] 中华人民共和国交通部.公路工程集料试验规程：JTG E42—2005.北京：人民交通出版社，2005.

[6] 中华人民共和国交通部.公路工程沥青及沥青混合料试验规程：JTJ052—2000.北京：人民交通出版社，2000.

[7] 中华人民共和国交通部.公路沥青路面施工技术规范：JTG F40—2004.北京：人民交通出版社，2004.

[8] 张霞，张艳华.矿粉对沥青混合料质量的影响[J].公路交通科技，2006(11)：95-97.

【责任编辑：郭伟】

Water Stability of Oil Shale Powder Instead of Ore Powder Asphalt Mixture

Meng Xiao1，Wang Xianli1，Shi Chenglin2

(1.AutomotiveandArchitecturalEngineeringCollegeofBeihuaUniversity，Jilin132013，China；2.JilinInstituteofTransportationScience，Changchun130012，China)

Abstract：Mineral powder in bituminous mixture has the influence of filling and increasing the bond force of bitumen and aggregates.As we all know，oil shale ash is industrial waste，however，it will realize the purpose of utilizing industrial waste if we use oil shale ash in civil engineering material.Taking shale coal ash powder as raw material， 3 kinds of mixing ratio by 50%，75%，100% instead of part or all of the alternative mineral powder，the feasibility of oil shale ash used in asphalt mixture is studied through the asphalt mixture water stability test.Results show that the asphalt mixture water stability index with three kinds of mixing ratios are qualified，the water stability according to 50% blending is better than other mixing ratios of 75% and 100%.

Key words：oil shale ashes；bituminous mixture；water stability

中图分类号：U414

文献标志码：A

作者简介：孟孝(1990-)，男，硕士研究生，主要从事园林土建工程与技术研究，E-mail：136521865@qq.com；通信作者：王显利(1972-)，男，博士，教授，硕士生导师，主要从事新型土木工程材料研究，E-mail：645389453@qq.com.

基金项目：鹤大示范工程项目(2014-4-1-6).

收稿日期：2015-12-21

文章编号：1009-4822(2016)02-0250-05

DOI：10.11713/j.issn.1009-4822.2016.02.024