FCC废催化剂-沥青混合料施工工艺研究*

舒 诚，邰真军，曹 涛，吴楚枫，孔令云

(1.中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361000； 2.仁寿县交通运输局，四川 仁寿 620599； 3.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

0 引言

目前，直接投入法和沥青预混法是对沥青混合料改性的2种主要方法[1]。直接投入法是在拌合时直接投入改性剂的方法，属于生产改性沥青混合料的加工工艺[2]。而沥青预混法是先制作改性沥青，再通过改性沥青生产沥青混合料。在施工中一般也将直接投入法称为“干法”，将沥青预混法称为“湿法”。

使用湿法制备改性沥青通常需预先将沥青加热到较高温度，再通过设备进行搅拌和剪切[3]。这类方法对配套设备要求较高，需较大前期投资[4]；整个生产过程处于高温状态，不够安全环保；且在储存、运输过程中，易产生改性沥青离析等问题。而干法加工一般是将改性剂制备成乳液、粉末或颗粒等形式，在施工中将改性剂直接加入到拌合锅，这类方法节省了改性沥青生产设备投资，且施工成本低、施工工艺简便，因此广泛受到施工单位青睐，多种改性剂如抗车辙剂等均采用干法施工。

流化催化裂化(FCC)催化剂作为轻质油加工工艺中最重要的原料，其年使用量占整个石油炼制工业中催化剂总用量的86%以上[5]。目前，全球FCC废催化剂的年产量约为35万t[6]。研究表明，废催化剂普遍需经过预处理后才能进行填埋，且在地面长期堆放会对地下水产生污染[7]。FCC废催化剂的填埋场所需进行特殊处理并定期对周边水质进行检测[8-9]。

现有诸多研究表明，FCC废催化剂可用于沥青混合料中以提高其性能。但在高温反应条件下，FCC废催化剂的化学组成和相组成会产生一定变化[10]。因此，对FCC废催化剂-沥青混合料采用湿法工艺，可能会导致离析、性能不稳定等问题。

本文通过研究FCC废催化剂-沥青胶浆体系的离析以确定合适的FCC废催化剂-沥青混合料施工工艺，并通过比较不同用量的FCC废催化剂对混合料基本性能的影响，确定FCC废催化剂的最佳用量，最终通过铺筑试验段对FCC废催化剂-沥青混合料进行检验。

1 原材料及混合料配合比

1.1 原材料

沥青采用中远海运国际贸易有限公司生产的70号基质沥青，其主要性能指标如表1所示[11]。

表1 沥青技术指标

矿粉采用重庆市北碚区天府白云石有限公司生产的石灰石矿粉，其主要性能指标如表2所示[12]。

表2 矿粉技术指标

细集料采用重庆洪臣建材有限公司生产的0～4mm机制砂，粗集料采用重庆洪臣建材有限公司生产的碎石。其主要性能指标分别如表3，4所示[12]。

表3 细集料技术指标

表4 粗集料技术指标

FCC废催化剂为HC型FCC废催化剂，呈白色粉末状，主要成分为La2O3，CeO2，NiO，Fe2O3，Al2O3，SiO2等，其技术指标检测结果为：粒度(D[v，0.5])为38.1，亲水系数为0.538，比表面积为84。

1.2 配合比设计

采用AC-20沥青混合料，级配如表5所示。

表5 AC-20沥青混合料合成级配

混合料的矿粉掺配比例为3%，油石比为4.4%，采用最终确定的配合比成型马歇尔试件并进行性能检测，结果如下：毛体积相对密度为2.426，理论最大相对密度为2.533，空隙率为4.2%，稳定度为12.75kN，流值为3.27mm。

2 施工工艺

为了验证FCC废催化剂-沥青胶浆体系的离析情况，设计了如下试验。

将160～170℃ TLA改性沥青倒入高3.5cm、直径5.5cm试模内待其冷却，随后对试件的上、中、下分别进行取样。测定其FCC废催化剂含量，发现顶部、中部、底部的含量分别为12.1%，13.50%，14.8%，说明FCC废催化剂-沥青胶浆在160～170℃时会产生一定沉降。

通过设计粉胶比与样品中实际粉胶比试验进一步论证沥青胶浆体系中二者差异，试验结果如图1所示。

图1 设计粉胶比与样品中实际粉胶比对比

通过设计粉胶比与实际粉胶比对比，可看出沥青胶浆体系中二者之间差异较大，在进行沥青胶浆试验研究过程中应尽量避免矿粉沉降对试验结果的影响。

对5%掺量的FCC废催化剂-沥青混合体系进行不同温度下频率扫描试验，利用频率扫描结果进行数据处理得到混合体系的Han曲线和van Gurp-Palmen曲线，如图2，3所示。

图2 混合体系Han曲线

图3 混合体系van Gurp-Palmen曲线

由图2，3可看出，当温度>65℃时，FCC废催化剂与基质沥青会发生相互分离现象。沥青混合料施工温度远高于65℃，此时采用湿法施工可能会导致生产过程中产生明显离析。

在实际施工中，要避免FCC废催化剂离析导致沥青混合料不稳定，因此，应采用干法工艺施工。

3 FCC废催化剂用量

本文将FCC废催化剂按替代一定比例的矿粉加入到混合料，通过比较不同用量的FCC废催化剂对混合料基本性能的影响来确定FCC废催化剂的最佳用量。试验结果如图4～6所示。

图4 FCC废催化剂-改性沥青混合料冻融劈裂强度比与其用量关系

图5 FCC废催化剂-改性沥青混合料动稳定度与其用量关系

图6 FCC废催化剂-改性沥青混合料车辙深度与其用量关系

由图4～6可知，沥青混合料的冻融劈裂强度比和动稳定度均在FCC废催化剂替代量为20%时达到最佳效果，30%替代量时的车辙深度优于20%替代量，但二者差距较小。综合来看，用FCC废催化剂替代20%矿粉时，混合料性能最佳。

采用前面所述工艺及配合比进行试验路铺筑，在铺筑前，从新拌合的混合料中取料进行试验，得到沥青混合料的动稳定度为4 800次/mm，冻融劈裂强度比为95.69%，均能满足规范要求。这说明采用FCC废催化剂替代20%矿粉方式进行干法工艺施工，可改善沥青混合料的高温稳定性和水稳定性，减少矿粉用量，同时解决FCC废催化剂这种危废材料的回收处理问题。

4 结语

1)FCC废催化剂-沥青胶浆在160～170℃时会产生一定沉降，沥青胶浆体系中设计粉胶比与实际粉胶比之间可能存在较大差异。

2)温度>65℃时，FCC废催化剂与基质沥青会发生相互分离现象，即产生离析。为避免FCC废催化剂的不均匀沉降影响沥青混合料性能稳定，应采用干法施工。

3)用FCC废催化剂替代20%矿粉，并采用干法生产，可有效改善沥青混合料的高温稳定性和水稳定性，减少矿粉用量，同时解决FCC废催化剂这种危废材料的回收处理问题。