一种脱油岩屑用于沥青混凝土道路面层的应用方法
技术领域
本发明涉及石油开采过程中产生的污染物油基岩屑进行资源化利用技术领域，更具体地说涉及一种脱油岩屑用于沥青混凝土面层的应用方法。
背景技术
页岩油气开发过程中，钻机垂直向下到达页岩层后，可沿着页岩层水平穿行长达一两千米，以拓展采气面。在水平穿行过程中，井壁容易坍塌，需要使用一种特殊的钻井液—油基泥浆，因此就会产生油基泥浆、油、水和地下岩屑（页岩）等的混合物—油基岩屑。
中国油页岩资源十分丰富，随着油页岩资源的大力开采，会产生大量的油基岩屑。据统计，2014年8月，仅中石油川庆钻探公司在威远和长宁作业区就产生了1690m3待处理的油基岩屑，2014年产生约12000m3油基岩屑，2015年产生约19370m3油基岩屑。这些油基岩屑的含油率高达15%-25%，远远超出排放标准，危害性巨大，若不妥善处理，将对生态环境造成严重危害。随着页岩油气资源的大规模开采，油基岩屑量也在增加，油基的处理物为一种有害废物，工业生产中如果不进行处理而直接排出油基岩屑，将导致严重的环境污染，更会产生一系列的生态破坏问题。
随着我国页岩气开发力度逐年加大，油基岩屑的安全高效处理己成为制约石油企业环保生产的重要阻力之一，妥善的解决油基岩屑的资源化处理问题成为当务之急。目前国内探索的油基岩屑处理方法主要有焚烧法、微生物降解法、热解析、萃取法等。在西南地区运用较多的是热解法。采用热解法能够回收岩屑中的柴油、白油等油类物质，降低残渣的含油率，但同时也存在一定的劣势，即热解析技术设备投资大，需对脱附油进行除臭处理，因钻井液中使用了加重剂，采用《土壤环境质量标准》(GB%2015618-1995)评价，在油基岩屑中锌、钡、镍、铅、镉等五种元素存在超标现象，尤其是钡和铅，超标明显，因此限制了西南地区油基岩屑处理后无害化废渣的利用途径。
国家知识产权局于2019年6月7日，公开了一件公开号为CN109853312A，名称为“一种处理后的油基岩屑用于无机稳定道路基层的应用方法”的发明专利，该发明专利公开了一种处理后的油基岩屑用于无机稳定道路基层的应用方法，其特征在于步骤如下：（1）、采用废油基泥浆岩屑资源回收技术LRET和热解析技术处理油基岩屑，处理后的各项环境指标检测合格后，待用；（2）、在基层施工前，对底基层进行检查，清除浮石和杂物；（3）、以质量比计，混合料按照碎石掺量为52%，砂掺量为12%，水泥掺量为3~5%，油基岩屑掺量为31~33%进行拌和；（4）、将混合料在底基层上分层填筑、分层压实，最终形成道路基层。本方法既能无害化、资源化处理油基岩屑，又能作为道路基层的掺合料，满足道路基层的强度要求，可以有效减少道路建设中所需的水泥用量，降低施工成本。
上述现有技术中采用油基岩屑替代矿粉，既能无害化、资源化处理油基岩屑，又能作为道路基层的掺合料，减少道路建设中所需的水泥用量，降低施工成本。为了进一步提高油基岩屑的资源化利用率，可以考虑将其应用到沥青混凝土道路面层中。但由于脱油岩屑本身含有少量石油类物质，强度较低，力学性能较差，将其直接应用到沥青混凝土面层的沥青混合料中时，会影响沥青混合料的力学性能，从而影响到工程质量。因此开展脱油岩屑无害化、资源化处理技术研究，将其运用在道路面层掺和料中，形成一套技术可行、经济合理的将脱油岩屑应用于道路面层的技术方案和施工工艺，进一步促进脱油岩屑的资源化应用，促进油气勘探开发主营业务与环境保护协调发展，对整个石油行业的发展和公路建设行业具有非常重要的意义。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种脱油岩屑用于沥青混凝土道路面层的应用方法，本发明以脱油岩屑的无害化处理和资源化利用为目的，将脱油岩屑掺入沥青混合料中，提供一种既能满足钻前公路的路用性能要求，又能解决环境污染问题，实现源头治理、就地利用的将脱油岩屑用于沥青混凝土道路面层的应用方法。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种脱油岩屑用于沥青混凝土道路面层的应用方法，具体如下：
Ⅰ、材料配比，根据面层材料的配比确定材料的用量，所述面层材料的配比具体为，以质量比计：
上面层材料按照5mm以下碎石掺量为30%-35%，5-10mm碎石掺量为25%-34%，10-15mm碎石掺量为26%-32%，水泥掺量为2%-5%，脱油岩屑掺量为2%-6%，沥青掺量为4%-5%，进行配比；
中面层材料按照5mm以下碎石掺量为20%-25%，5-10mm碎石掺量为10%-15%，10-15mm碎石掺量为26%-37%，15-18mm碎石掺量为20%-25%，水泥掺量为2%-5%，脱油岩屑掺量为2%-6%，沥青掺量为4%-5%，进行配比；
下面层材料按照5mm以下碎石掺量为20%-25%，5-10mm碎石掺量为8%-18%，10-15mm碎石掺量为26%-37%，15-20mm碎石掺量为20%-25%，水泥掺量为2%-5%，脱油岩屑掺量为2%-6%，沥青掺量为4%-5%，进行配比；
Ⅱ、施工方法，包括以下步骤：
步骤A、根据面层来确定沥青混合料配比，计算材料的用量并进行备料；
步骤B、将步骤A中的碎石集料按沥青混合料的生产要求正常烘干，碎石集料加热温度为185℃-200℃；
步骤C、将烘干后的集料与水泥、脱油岩屑和沥青正常湿拌35-45s，形成沥青混合料，沥青混合料的拌和温度为175℃-190℃；出料温度为170℃-175℃。
更进一步地，上面层中的沥青掺量为5%。
更进一步地，中面层中的沥青掺量为4.7%。
更进一步地，下面层中的沥青掺量为4%。
所述上面层的厚度为4cm，中面层的厚度为5cm，下面层的厚度为6cm。
所述沥青混合料的摊铺温度为140℃-150℃，摊铺系数为1.25，摊铺速度为3-4m/min。
所述沥青混合料摊铺整平，并对不规则的表面修整后，对其进行均匀的压实，所述压实分为三个阶段进行，分别为初压、复压和终压；
所述初压在沥青混合料130℃-140℃温度下进行，采用双钢轮振动压路机碾压；
所述复压紧接在初压后进行，采用中心的轮胎压路机，碾压遍数为4-6遍至稳定无显著轮迹为止；
所述终压紧接在复压后进行，复压在沥青混合料的温度不低于70℃下进行，采用钢轮压路机碾压不少于两遍，至无明显轮迹为止。
与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
1、本发明中，脱油岩屑在沥青混凝土道路面层中的应用可以有效减少道路建设中所需的矿粉用量，降低施工成本。
2、与填埋法、微生物降解法、热解法等传统处理方法相比，将脱油岩屑应用于沥青混凝土道路面层中可以绿色、高效、资源化处理脱油岩屑，有效的解决脱油岩屑的无害化处理问题，对页岩油气的开发工程具有重大的现实意义。
3、对于将脱油岩屑应用于建筑、水泥生产、MTC水泥浆技术、配置三元型煤等方式而言，将脱油岩屑应用到沥青混凝土道路面层中不仅操作流程简单，并且就近使用，减少运输，经济合理，具有更高的推广价值和实用价值。
4、与现有技术中将脱油岩屑应用与道路基层中而言，本发明的脱油岩屑替代矿粉，减少道路建设中所需的矿粉用量。本发明中，以水泥作为外加剂改性掺脱油岩屑的沥青混凝土混合料，水泥采用道路施工常规水泥，其在沥青拌和温度175℃-190℃的作用下，可以起到对脱油岩屑的改性作用，提高沥青混凝土混合料的力学性能。
5、由于脱油岩屑本身含有少量石油类物质，强度较低，力学性能较差，将其直接应用到沥青混凝土面层的沥青混合料中时，会影响沥青混合料的水稳定性，而本发明在其中添加一定量的水泥，使得水泥在沥青拌和温度下对脱油岩屑进行改性，避免因掺入脱油岩屑而降低沥青混合料的水稳定性，确保掺脱油岩屑的沥青混合料用于道路路面层时满足路用性能要求。
6、与现有技术相比，本发明中，采用脱油岩屑替代矿粉，还可以对沥青混合料进行有效的保温，避免沥青混合料失温较快。沥青混合料的出厂温度是有一定要求的，其摊铺温度也是有一定要求的，因此，在运输过程中就要确保沥青混合料的失温在可控范围内，现有技术采用矿粉拌和而成的沥青混合料，是尽量提高沥青混合料的出厂温度，以确保运输过程中的失温在可控范围内，而本发明采用脱油岩屑替代矿粉拌和而成的沥青混合料，改变了沥青混合料的比热容，延长了其失温时间。
材料配比说明
所述沥青混合料配合比经大量室内试验和现场试验研究得来，试验及改进过程如下：
（1）依据规范对矿料进行级配设计，开展配合比马歇尔试验和路用性能试验，确定沥青混凝土混合料的配合比方案如表1~表3，能满足规范的体积指标和力学要求，同时达到路用性能要求。
表1%20道路上面层沥青混凝土初始配合比
表2 道路中面层沥青混凝土初始配合比
表3 道路下面层沥青混凝土初始配合比
（2）通过分析矿粉作用机理，可知脱油岩屑因比表面积较大且呈现碱性，故可替代矿粉形成沥青胶浆。通过研究脱油岩屑全部替代矿粉后，沥青混凝土混合料的体积指标和力学参数满足规范要求，得到掺脱油岩屑的沥青混凝土的初步配合比方案。
表4 道路上面层掺脱油岩屑沥青混凝土初始配合比
表5 道路中面层掺脱油岩屑沥青混凝土初始配合比
表6 道路下面层掺脱油岩屑沥青混凝土初始配合比
（3）对不同掺量脱油岩屑替代矿粉的沥青混凝土混合料进行路用性能研究，得出在用脱油岩屑替代矿粉应用到沥青路面实际工程中，可满足规范对沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性的技术要求，但须通过外加剂进行改性研究，提高混合料的水稳定性。
（4）以水泥作为外加剂改性掺脱油岩屑的沥青混凝土混合料，研究水泥剂量对沥青混凝土混合料的水稳定性的影响，确定水泥的最佳剂量为2～5%，进而开展配合比的优化设计，确定水泥改性后的掺脱油岩屑沥青混合料的最终配合比（见表7~表9），同时进行路用性能试验及环境影响分析——通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验、弯曲试验分析得出掺脱油岩屑的沥青混合料的水稳定性、高温稳定性及低温抗裂性均符合规范的标准；短期强化浸出试验和在模拟各种环境条件下的长期浸出毒性试验的浸出液总石油烃浓度均低于国家标准5mg/L。故本发明满足路用性能要求，同时达到国家环保规定。
表7 道路上面层掺脱油岩屑沥青混凝土最终配合比设计方案
表8 道路中面层掺脱油岩屑沥青混凝土最终配合比设计方案
表9 道路下面层掺脱油岩屑沥青混凝土最终配合比设计方案
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的技术方案作出进一步详细地阐述。
实施例1
一种脱油岩屑用于沥青混凝土道路面层的应用方法，具体如下：
Ⅰ、材料配比，根据面层材料的配比确定材料的用量，所述面层材料的配比具体为，以质量比计：
上面层材料按照5mm以下碎石掺量为30%-35%，5-10mm碎石掺量为25%-34%，10-15mm碎石掺量为26%-32%，水泥掺量为2%-5%，脱油岩屑掺量为2%-6%，沥青掺量为4%，进行配比；
中面层材料按照5mm以下碎石掺量为20%-25%，5-10mm碎石掺量为10%-15%，10-15mm碎石掺量为26%-37%，15-18mm碎石掺量为20%-25%，水泥掺量为2%-5%，脱油岩屑掺量为2%-6%，沥青掺量为4.7%，进行配比；
下面层材料按照5mm以下碎石掺量为20%-25%，5-10mm碎石掺量为8%-18%，10-15mm碎石掺量为26%-37%，15-20mm碎石掺量为20%-25%，水泥掺量为2%-5%，脱油岩屑掺量为2%-6%，沥青掺量为5%，进行配比；
Ⅱ、施工方法，包括以下步骤：
步骤A、根据面层来确定沥青混合料配比，计算材料的用量并进行备料；
步骤B、将步骤A中的碎石集料按沥青混合料的生产要求正常烘干，碎石集料加热温度为185℃-200℃；
步骤C、将烘干后的集料与水泥、脱油岩屑和沥青正常湿拌35-45s，形成沥青混合料，沥青混合料的拌和温度为175℃-190℃；出料温度为170℃-175℃。
更进一步地，上面层中5mm以下碎石、5-10mm碎石掺量、10-15mm碎石掺量、、水泥掺量和脱油岩屑掺量的比值为33:31:28:2:6，最佳沥青用量为5.0%。
更进一步地，中面层掺中为0~5mm砂、5~10mm碎石、10~15mm碎石、15~18mm碎石、水泥、脱油岩屑的质量比为22:15:35:20:2:6，最佳沥青用量为4.7%。
更进一步地，下面层中0~5mm碎石、5~10mm碎石、10~15mm碎石、15~20mm碎石、水泥、脱油岩屑的质量比为22:15:30:25:2:6，最佳沥青用量为4%。
所述沥青混合料的摊铺温度为140℃-150℃，摊铺系数为1.25，摊铺速度为3-4m/min。
所述沥青混合料摊铺整平，并对不规则的表面修整后，对其进行均匀的压实，所述压实分为三个阶段进行，分别为初压、复压和终压；所述初压在沥青混合料130℃-140℃温度下进行，采用双钢轮振动压路机碾压；所述复压紧接在初压后进行，采用中心的轮胎压路机，碾压遍数为4-6遍至稳定无显著轮迹为止；所述终压紧接在复压后进行，复压在沥青混合料的温度不低于70℃下进行，采用钢轮压路机碾压不少于两遍，至无明显轮迹为止。
现场试验：选取威远页岩气开发区块施工项目现场作为试验场地，铺筑试验路段进行现场试验，测定相关的物理力学参数。试验段规模为193m×4.5m，即试验段面积为868.5m2。
路面结构从上到下依次为：
面层：采用4cm沥青混凝土AC-13上面层、5cm沥青混凝土AC-16中面层和6cm沥青混凝土AC-20下面层（掺入油基岩屑）；
基层：采用20cm水泥稳定碎石；
底基层：采用18cm级配砂砾石。
结合现场实际和当地材料的特点，钻前公路沥青路面上面层掺脱油岩屑沥青混凝土AC-13混合料的配合比为0~5mm砂、5~10mm碎石、10~15mm碎石、水泥、脱油岩屑的质量比为33:31:28:2:6，最佳沥青用量为5.0%。
钻前公路沥青路面中面层掺脱油岩屑沥青混凝土AC-16混合料的配合比为0~5mm砂、5~10mm碎石、10~15mm碎石、15~18mm碎石、水泥、脱油岩屑的质量比为22:15:35:20:2:6，最佳沥青用量为4.7%。
钻前公路沥青路面下面层掺脱油岩屑沥青混凝土AC-20混合料的配合比设计0~5mm砂、5~10mm碎石、10~15mm碎石、15~20mm碎石、水泥、脱油岩屑的质量比为22:15:30:25:2:6，最佳沥青用量为4%。
根据面层各层材料的配比确定材料用量，对材料进行现场拌合、摊铺、压实等施工工序修建道路面层。在现场检测中，路用性能方面，用压实度来衡量现场压实的质量，弯沉值反映路面承载能力的强弱。本试验通过灌砂法来检测压实度，用贝克曼梁法测定路面弯沉值。环境影响方面，测定重金属浸出毒性和总石油烃浸出毒性，对环境可能造成的影响进行分析和评估。本试验通过现场取样进行经过短期强化浸出试验和在模拟各种环境条件下的长期浸出毒性试验。
现场试验检测结果
①沥青面层回弹弯沉试验
采用贝克曼梁测定回弹弯沉的方法，沥青面层回弹弯沉试验结果见表10，经检测，沥青面层回弹弯沉代表值为28.2×10-2mm，小于设计弯沉30×10-2mm，满足设计要求。
表10 贝克曼梁测沥青面层回弹弯沉试验结果
②沥青面层压实度试验
采用钻芯法测定压实度的方法，沥青面层的压实度试验结果见表11，经检测，沥青面层各层的压实度均大于设计要求93%，符合设计要求。
表11 钻芯法测沥青面层压实度试验结果
③总石油烃浸出毒性分析
掺加油基岩屑的沥青面层现场样品经过浸出实验，实验结果见表12，经检测，浸出液的总石油烃及COD均低于国标限值，不属于具有浸出毒性的危险废物。
表12 沥青面层的总石油烃及COD浸出浓度（mg/L）
④重金属浸出毒性分析
掺加油基岩屑的沥青面层现场样品经过浸出实验，实验结果见表13，经检测，浸出液的总石油烃及COD均低于国标限值，不属于具有浸出毒性的危险废物。
表13 沥青面层的重金属浸出浓度
结论：将脱油岩屑掺入路面混合料中，用于沥青混凝土道路面层中，经现场试验检测，能满足沥青混凝土道路的路用性能要求，同时符合国家的环保标准。
实施例3
采用厂拌的方式，沥青混凝土路面上面层掺脱油岩屑沥青混凝土AC-13混合料的配合比为0~5mm砂、5~10mm碎石、10~15mm碎石、水泥、脱油岩屑的质量比为34:30:28:2:6，最佳沥青用量为5.0%；路面中面层掺脱油岩屑沥青混凝土AC-16混合料的配合比为0~5mm砂、5~10mm碎石、10~15mm碎石、15~18mm碎石、水泥、脱油岩屑的质量比为24:17:35:20:2:6，最佳沥青用量为4.7%；路面下面层掺脱油岩屑沥青混凝土AC-20混合料的配合比设计0~5mm砂、5~10mm碎石、10~15mm碎石、15~20mm碎石、水泥、脱油岩屑的质量比为24:17:30:25:2:6，最佳沥青用量为4%。
根据面层各层材料的配比确定材料用量，对材料进行拌合、运输、摊铺、压实等施工工序修建道路面层。
（1）混合料拌合
集料按沥青混合料的生产要求正常烘干，集料加热温度185℃-200℃；将烘干后的集料与水泥、脱油岩屑和沥青正常湿拌35-45s；沥青混合料拌和温度175℃-190℃；出料温度为170℃-175℃。沥青温度稳定，有足够的流动性，确保沥青混合料拌合均匀，出厂温度符合要求。混合料充分拌和直至所有集料颗粒完全均匀地被沥青裹覆，拌和站拌出的沥青混合料均匀一致，无结块成团或严重离析现象。
（2）沥青混合料的运输
采用大型自卸汽车运送沥青混合料到摊铺现场，以减少摊铺机前经常短时换车卸料的情况。运输自卸车的数量较拌和能力和摊铺速度有所富余，可保证拌和机制的沥青混合料及时运送到摊铺现场，摊铺机连续均匀不间断地进行铺筑。
表14运输过程中的失温对比表
（3）沥青混合料的摊铺
采用履带式摊铺机，每台摊铺机配备两套长度不小于16m的平衡梁和两套自动滑橇。摊铺机在开始采料之前，在料斗内涂刷少量防止沾料用的柴油。摊铺机预热熨平板后，运料车慢速倒车至摊铺机前，不得撞击摊铺机。卸料过程中，运料车挂空档，靠摊铺机推动前进。摊铺时，沥青混合料必须缓慢、均匀、连续不间断地摊铺。不得随意变换速度或中途停顿。摊铺机螺旋送料器中的混合料的高度保持不低于送料器高度的2/3。并保证在摊铺机全宽度断面上不发生离析。混合料摊铺温度为140℃-150℃，摊铺系数为1.25，摊铺速度为3-4m/min。
（4）混合料的压实
一旦沥青混合料摊铺整平，并对不规则的表面修整后，立即对其进行全面均匀的压实。分三个阶段进行，即初压、复压和终压。
①初压
初压紧跟在摊铺机后碾压，采用双钢轮振动压路机碾压。初压在130～140℃温度下进行，并不得产生推移、裂缝。压路机应从外侧向中心碾压。边缘先空出宽30～40cm，待压完第一遍后，将压路机大部分重量位于已压实过的混合料面上再压边缘，以减少向外推移。
②复压
复压紧接在初压后进行，采用重型的轮胎压路机。碾压遍数为4～6遍至稳定无显著轮迹为止。相邻碾压带重叠1/3~1/2的碾压轮宽度。
③终压
终压紧接在复压后进行，沥青混合料不得低于70℃，采用钢轮压路机碾压不少于2遍，至无明显轮迹为止，路面压实成型的温度符合规范要求。
碾压从外侧开始并在纵向平行于道路中线进行，双轮压路机每次重叠30cm，逐步向内侧碾压过去，然后进行常规碾压，在有超高的弯道上，碾压采用纵向行程平行于中线重叠的办法，由低边向高边进行。碾压时压路机匀速行驶，不得在新铺混合料上或未碾压成型并未冷却的路段上停留，转弯或急刹车。
为防止压路机碾压过程中沥青混合料沾轮现象发生，可向碾压轮喷洒雾水、混有极少量洗涤剂的水或其他认可的材料，把碾轮适当保湿。
