抑煙環保型瀝青性能試驗分析

孫吉書，王亞萍，王鵬飛，楊春風

(1.河北工業大學土木與交通學院，天津 300401；2.中鐵十四局集團第二工程有限公司，泰安 271000)

0 引 言

傳統的瀝青混合料在高溫(120～180 ℃)拌和、攤鋪和壓實的過程中，會釋放大量的有害煙氣[1-5]，這些成分不僅會使施工人員產生不適，降低施工效率，而且對環境構成很大威脅[6-7]。一旦在封閉的隧道環境中發生火災，瀝青作為可燃材料，會導致火勢增大且在此過程中會產生大量的煙霧和有毒氣體，逃生困難，且易導致人員傷亡[8]。為此，國內外許多學者相繼開展了抑煙瀝青技術的研究工作。趙可[9]建議降低瀝青混合料的施工溫度來減少瀝青煙氣的產生量，通過降黏技術降低施工溫度可明顯降低瀝青煙氣量。Thives等[10]通過試驗發現，在較低溫度下拌和的瀝青不僅可以有效減少燃料的消耗，節約資源，同時能夠減少有害氣體的產生。Sasobit通過降低瀝青的黏度以降低瀝青拌和所需的溫度，能顯著提高瀝青混合料的施工和易性，減少瀝青煙氣的排放，減少環境污染，在瀝青的拌和過程中被廣泛應用。宋金生[11]對加入Sasobit的瀝青混合料與傳統熱拌瀝青混合料的施工現場有害氣體排放量進行對比得到，摻入Sasobit的瀝青混合料在攤鋪過程中瀝青煙氣的排放量降低了53.1%。郭殿軍[12]通過在瀝青中加入不同摻量的Sasobit后對其高溫性能和低溫性能進行評價得到，Sasobit會提升瀝青的高溫性能，但會對低溫性能造成影響。除了通過降低瀝青施工拌和溫度來減少瀝青煙氣的產生，還可以通過在瀝青中添加抑煙劑來抑制瀝青輕組分的揮發，從而減輕瀝青煙氣對大氣的污染。張紅章等[13]通過對3種不同類型的納米CaCO3在不同溫度、不同摻配比例下的瀝青煙氣的減少量進行研究得到，納米CaCO3具有較好的抑煙能力，當其摻量為瀝青質量的4.5%時，能使瀝青煙氣減少率達到10%左右。楊仲尼等[14]試驗發現，納米CaCO3能提高瀝青的高溫抗車轍性能，對低溫性能影響不大，可改善瀝青的彈性恢復性能，降低不可恢復變形。

目前實現瀝青抑煙的技術手段比較單一，僅通過在瀝青中添加抑煙劑限制已產生的瀝青煙氣揮發到大氣中，或采取降低拌和溫度的手段從源頭上減少瀝青煙氣的產生。本文為實現抑煙效果最大化，將溫拌劑和抑煙劑進行復配，既從根本上減少了瀝青煙氣產生的總量，又對瀝青煙氣的揮發起到限制作用。依據現有的研究成果，選用Sasobit和納米CaCO3作為添加劑，通過系統的試驗，分析其對70#基質瀝青的抑煙效果和性能的影響規律，并確定最佳摻量，為抑煙環保瀝青的開發提供理論依據。

1 實 驗

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

采用河北倫特石油化工有限公司生產的70#瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規程》(JTG E20—2011)測試基質瀝青的基本性能，其基本技術指標如表1所示。

表1 70#瀝青技術指標Table 1 Technical specifications of 70# asphalt

1.1.2 Sasobit

Sasobit是由德國Sasol-Wax公司研發的外觀為白色球狀的小顆粒。Sasobit是一種合成蠟，尺寸為2～3 mm，在較高的溫度條件下變為液體溶解在瀝青中起到潤滑作用，來降低瀝青的黏度使瀝青混合料在較低的溫度下也能獲得良好的施工和易性，從而降低瀝青混合料的拌和溫度和壓實溫度。Sasobit溫拌劑的技術性能如表2所示。

表2 Sasobit的技術性能Table 2 Technical performance of Sasobit

1.1.3 抑煙劑

選用納米CaCO3作為抑煙劑，納米CaCO3呈白色粉末狀，粒度介于0.01～0.10 μm之間，是具有量子效應、小尺寸效應、表面效應、吸附作用等特性的納米粉體材料。納米CaCO3加入瀝青之后，其巨大的表面吸附能對瀝青輕質組分有強烈的吸附作用，減少了瀝青受熱過程中散發出的輕組分，使瀝青煙氣產生量降低。納米CaCO3抑煙劑的技術性能如表3所示。

表3 納米CaCO3的技術性能Table 3 Technical performance of nano-CaCO3

1.2 試驗方法

1.2.1 材料摻量設計

Sasobit是通過降黏的方式，可在一定范圍內降低施工溫度，減少瀝青煙氣的產生；納米CaCO3是通過吸附的方式，對瀝青輕質組分產生強烈的吸附作用，減少瀝青受熱過程中散發出的輕組分，使瀝青煙氣產生量降低。樂金朝[15]、張怡[16]等在瀝青中添加2%～4%(質量分數)的Sasobit，Sasobit在降低瀝青高溫黏度，減少資源消耗的同時，有效減少了瀝青煙氣的排放。孫仕偉[17]、張紅章[18]等在瀝青中添加4%～6%(質量分數)的納米CaCO3，結果表明，添加劑摻量與抑煙效果呈正相關，隨著納米CaCO3摻量的增加，瀝青產煙量減少。為了找出2種添加劑共同作用下對瀝青的抑煙效果，試驗選取Sasobit的摻量分別為瀝青質量的0%、2%、3%、4%(質量分數，下同)，納米CaCO3的摻量分別為瀝青質量的0%、4%、5%、6%(質量分數，下同)。2種添加劑摻量的設計方案如表4所示。

表4 材料摻量設計方案Table 4 Material content design scheme

1.2.2 瀝青煙氣的測試方法

目前國內外尚沒有制定關于瀝青路面施工過程中產生瀝青煙氣的評價標準。為了找出瀝青煙氣排放量的測試方法和檢測指標，分別采用了烘箱加熱法、電磁爐加熱法、紫外分光光度法3種方法測試了單位瀝青的產煙量，試驗結果表明：烘箱加熱法測試得到的試驗結果離散性很大，主要是烘箱內加熱不均勻以及人為操作的影響；電磁爐加熱法由人工控溫，工作時間長，結果受人為因素影響較大；紫外分光光度法僅能表征某一個特定波長下的吸光值，試驗結果只能代表瀝青煙氣中某一成分的濃度值，存在局限性。瀝青煙氣的收集不僅要控制加熱溫度還要控制加熱時間，且瀝青揮發量很小，瀝青煙氣收集難度大，本文通過參考國家環保局標準《固定污染源排氣中瀝青煙的測定 重量法》(HJ/T 45—1999)自制瀝青煙氣收集裝置，對單位質量瀝青的產煙量進行測定。煙氣收集裝置圖如圖1所示。

圖1 煙氣收集裝置圖Fig.1 Smoke receipt device diagram

煙氣收集裝置的工作原理是：電磁爐對盛有瀝青的三頸燒瓶進行加熱，溫度傳感器控制加熱溫度，攪拌器用來攪拌瀝青使其均勻受熱來提高試驗的精確性；產生的瀝青煙氣通過氣孔排放到裝有固態干冰的冷卻裝置中，從瀝青容器中排出的高溫瀝青煙氣進入冷卻裝置內會迅速液化，被錐形瓶中的聚丙烯纖維棉吸附。由于試驗精度要求較高，因此本文采用精度為0.1 mg的電子天平進行稱重。通過比較裝有聚丙烯纖維棉的錐形瓶在吸附瀝青煙氣前后的質量差來確定瀝青煙氣的質量。

2 抑煙瀝青的抑煙規律及其配比試驗

為了找出2種添加劑共同作用下對瀝青的抑煙效果，本文進行了單摻和復配2種抑煙效果的對比試驗，找出2種添加劑的抑煙規律及最佳的添加配比，從而得到最佳抑煙效果。表5和表6分別為單摻和復配對70#基質瀝青的抑煙效果試驗結果，圖2為不同添加劑摻量時的抑煙效果。楊錫武等[19]通過試驗得出，當加熱溫度為180 ℃，加熱時間為4 h時，瀝青產煙量最大，因此本文選擇在加熱溫度為180 ℃，加熱時間為4 h的條件下，探討添加劑對瀝青抑煙效果的影響。

表6 復配Sasobit、納米CaCO3對70#基質瀝青抑煙效果測試結果Table 6 Test results of smoke suppression effect of compound Sasobit and nano-CaCO3 on 70# matrix asphalt

由表5可知，單摻2種添加劑均對瀝青煙氣有一定的抑制效果，且2種添加劑與瀝青混溶加熱過程中無特殊現象產生。當Sasobit摻量小于3%時，納米CaCO3摻量小于5%時，瀝青煙氣減少率提升較快。

由表6、圖2可知：

(1)隨著Sasobit和納米CaCO3摻量的增加，瀝青產煙量減少，復配后的產煙量明顯低于單摻時的產煙量，說明復配添加Sasobit和納米CaCO3的效果比單摻時好，對抑煙效果具有疊加效應。

(2)當Sasobit的摻量為4%，納米CaCO3的摻量為6%時，瀝青的煙氣減少率達到最大，抑煙率達到12.49%。

(3)合理的添加劑添加比例不僅要使抑煙量達到最大化，還要考慮添加劑的加入是否會對瀝青的性能造成影響，并且也需要對經濟性進行分析。從表6可知，隨著Sasobit和納米CaCO3摻配比例的增加，瀝青煙氣減少率逐漸趨于穩定。從抑煙效果和經濟效益兩個方面綜合考慮，建議Sasobit的摻量為2%～3%，納米CaCO3的摻量為5%～6%。

3 抑煙瀝青性能研究

3.1 常規性能

依據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)，采用針入度、軟化點、延度對瀝青的常規性能進行評價。表7為添加不同比例Sasobit和納米CaCO3后瀝青的三大指標測試結果。

由表7可知：

表7 添加不同比例Sasobit和納米CaCO3后瀝青的三大指標測試結果Table 7 Test results of three indicators of asphalts with different ratios of Sasobit and nano-CaCO3

(1)在瀝青中單摻納米CaCO3，隨著摻量的增加，瀝青的針入度逐漸降低，這說明納米CaCO3能提高瀝青的稠度，且隨著納米CaCO3摻量的增加其稠度隨之增大。納米CaCO3對軟化點的影響較小，延度隨納米CaCO3摻量的增加先減小后增大，總體來說，加入納米CaCO3后，相比于70#基質瀝青延度有所降低，這說明納米CaCO3摻量的增加會降低瀝青的低溫性能，但降低程度較小。

(2)在瀝青中單摻Sasobit，隨著摻量的增加，瀝青針入度減小，抗變形能力有所增強。軟化點隨著摻量的增加而增大，這是由于Sasobit在瀝青中會形成網狀晶格結構，能夠增強瀝青的穩定性，從而提高瀝青的高溫穩定性。延度隨著摻量的增加而降低，這是由于Sasobit是一種合成蠟，加入到瀝青中會使瀝青變脆，從而使瀝青的低溫延伸性能降低。

(3)納米CaCO3和Sasobit復配摻入到瀝青中，可以提高瀝青的軟化點，使高溫穩定性明顯提升，降低瀝青的針入度，增加瀝青的稠度，不會對瀝青的性能造成不利的影響。考慮到納米CaCO3和Sasobit復配在抑煙性能和瀝青性能方面都達到較好的效果，同時考慮經濟效益，建議納米CaCO3的摻量為5%，Sasobit的摻量為3%，此時的抑煙率可以達到12%。

3.2 高溫性能

為分析添加劑對70#基質瀝青高溫流變性能的影響，在最佳摻量下分別對70#基質瀝青、Sasobit改性瀝青、納米CaCO3改性瀝青以及納米CaCO3+Sasobit改性瀝青進行針入度、軟化點測試，并在不同溫度下進行動態剪切流變試驗(dynamic shear rheological test, DSR)，以車轍因子(車轍因子小于1失效)、針入度和軟化點指標來評價4種瀝青的高溫穩定性，結果如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知：

圖3 4種瀝青的針入度和軟化點Fig.3 Penetration and softening points of four kinds of asphalt

圖4 4種瀝青在不同溫度下的車轍因子Fig.4 Rut factors of four kinds of asphalt at different temperatures

(1)在相同溫度下，Sasobit和納米CaCO3的加入會使瀝青車轍因子增加，這說明Sasobit和納米CaCO3能夠提高70#基質瀝青的抗高溫變形能力，且Sasobit提升抗高溫變形的能力優于納米CaCO3，這是由于Sasobit在瀝青中會形成網狀晶格結構，使瀝青不易產生變形。但是，Sasobit也明顯增強了瀝青高溫性能的敏感程度，溫度由58 ℃上升到64 ℃時，其車轍因子下降49.3%。

(2)納米CaCO3+Sasobit改性瀝青相比于Sasobit改性瀝青的車轍因子有所降低，這說明納米CaCO3和Sasobit會產生拮抗作用，納米CaCO3對Sasobit改性瀝青的高溫性能產生不利影響，但影響較小，在70 ℃條件下的車轍因子表現得較為突出。加入納米CaCO3后，瀝青針入度上升9.7%，軟化點降低38.0%，70 ℃下的車轍因子下降20.7%。

3.3 低溫性能

為分析添加劑對70#基質瀝青低溫流變性能的影響，在最佳摻量下分別對70#基質瀝青、Sasobit改性瀝青、納米CaCO3改性瀝青以及納米CaCO3+Sasobit改性瀝青進行彎曲梁流變試驗(bending beam rheological test, BBR)，來評價4種瀝青的低溫性能，結果如圖5、圖6所示。

圖5 4種瀝青不同溫度下的蠕變勁度模量Fig.5 Creep stiffness modulus of four kinds of asphalt at different temperatures

圖6 4種瀝青不同溫度下的蠕變速率Fig.6 Creep rates of four kinds of asphalt at different temperatures

勁度模量S為一定溫度和時間作用下應力與應變的比值，其值越大，表示瀝青脆性特征越明顯，低溫條件下越容易開裂。蠕變速率m表示蠕變-時間曲線上某一點切線的斜率，其值越大，表示溫度下降時瀝青的應力松弛能力越好，降低了低溫開裂的可能性。

由圖5、圖6可知：

(1)Sasobit和納米CaCO3都會對70#基質瀝青低溫性能產生不利影響，會提高其S值，降低m值。這說明Sasobit和納米CaCO3的加入會使70#基質瀝青硬度增加，脆性增加，使其低溫抗開裂性能降低。

(2)Sasobit對瀝青低溫性能的負面影響明顯高于納米CaCO3，這是由于Sasobit是一種合成蠟，加入到瀝青中會使瀝青的脆性增加，試驗結果與延度試驗結果一致。

3.4 降黏性能

由于Sasobit的溫拌機理為降黏，因此通過黏度試驗來評價其溫拌效果，本文在95 ℃、115 ℃、135 ℃、155 ℃、175 ℃五個不同水平溫度下進行了70#基質瀝青、Sasobit改性瀝青、納米CaCO3改性瀝青以及納米CaCO3+Sasobit改性瀝青4種瀝青的布氏旋轉黏度試驗，結果如圖7所示。

圖7 4種瀝青在不同溫度下的黏度Fig.7 Viscosities of four kinds of asphalt at different temperatures

由圖7可知：

(1)隨著溫度的升高，4種瀝青的黏度逐漸降低。當溫度高于115 ℃時，Sasobit改性瀝青的黏度下降速率明顯高于其他3種瀝青，這是由于Sasobit熔點為115 ℃左右，當溫度低于其熔點時具有增黏作用，抗變形能力增強，溫度高于115 ℃具有降黏作用，使瀝青混合料在攤鋪、拌和過程中和易性得到提高。

(2)Sasobit對基質瀝青有良好的溫拌效果，納米CaCO3對其影響不大。以70#基質瀝青混合料在拌和溫度170 ℃時對應的黏度作為適宜拌和黏度，以此為基準，可得到溫拌瀝青以及溫拌抑煙瀝青的等黏溫度分別為150 ℃和155 ℃，能有效降低瀝青混合料拌和溫度20 ℃左右。

3.5 儲存穩定性能

改性劑與基質瀝青的相容性決定了改性瀝青的儲存穩定性。現行規范采用軟化點來測定改性瀝青的離析性，以評價改性劑與基質瀝青的相容性。在最佳摻量下分別將70#基質瀝青、Sasobit改性瀝青、納米CaCO3改性瀝青以及納米CaCO3+Sasobit改性瀝青置于盛樣管，放入(163±5) ℃的烘箱中，靜放(48±1) h。加熱結束后，取出放入冰箱冷柜中，保持鋁管在豎直狀態下不小于4 h。將固化的瀝青試樣截成3段，取頂部和底部各1/3瀝青試樣進行軟化點測試，進行2次試驗，取平均值，并計算頂部和底部軟化點的差值，結果如表8所示。

表8 4種瀝青儲存穩定性試驗結果Table 8 Storage stability test results of four kinds of asphalt

由表8可知，以軟化點差值作為評判指標，Sasobit和納米CaCO3加入到瀝青中，使瀝青的軟化點差值均有所增加，其中，Sasobit的影響相對較小，納米CaCO3的影響相對較大，但4種瀝青的儲存穩定性均滿足軟化點差值小于2.5 ℃的規范要求，即Sasobit和納米CaCO3與70#基質瀝青的相容性較好，具有良好的儲存穩定性。

4 結 論

(1)單摻Sasobit、納米CaCO3對70#基質瀝青都有較好的抑煙效果，2種添加劑摻量都與抑煙效果呈正相關，當Sasobit摻量小于3%，納米CaCO3摻量小于5%時,瀝青煙氣減少率提高較快，當Sasobit摻量大于3%，納米CaCO3摻量大于5%時,煙氣減少率提高相對較慢。

(2)將Sasobit和納米CaCO3復配后，兩者會產生協同作用，復配后的改性瀝青抑煙效果較單摻時明顯增加，當Sasobit摻量為4%，CaCO3摻量為6%時，瀝青煙氣減少率達到12.49%。但為了使納米CaCO3和Sasobit復配在抑煙性能、瀝青性能方面都達到較好的效果，同時考慮經濟性，建議納米CaCO3的摻量為5%，Sasobit的摻量為3%，此時的抑煙率可以達到12%。

(3)單摻Sasobit能改善70#基質瀝青的高溫性能且對70#基質瀝青有明顯的溫拌效果，可使拌和溫度降低20 ℃左右，但是使其低溫性能變差；單摻納米CaCO3對70#基質瀝青的高溫性能影響不大，但是對其低溫性能有不利影響；兩者對70#基質瀝青的儲存穩定性均無影響。

(4)復配Sasobit和納米CaCO3能明顯改善70#基質瀝青的高溫穩定性，但會降低70#基質瀝青的低溫性能，且Sasobit比納米CaCO3的影響大，復配對70#基質瀝青的儲存穩定性無影響，能與基質瀝青形成均勻、穩定的共混體系。