抑煙復合改性瀝青的性能研究

孫吉書，穆欣悅，宋瑩，潘峰

(1.河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401；2.中鐵十四局集團有限公司，山東 泰安 271000；3.天津高速公路集團有限公司，天津 300384)

在我國的現有道路中，瀝青路面占比達80%以上，然而在攤鋪過程中瀝青產生大量瀝青煙氣，污染環境，且瀝青煙氣具有致癌作用，危害施工人員的身體健康[1-5]。因此，許多學者開始研究抑煙瀝青。陳錫軍[6]發現Evotherm可顯著降低瀝青煙氣排放；鮑金奇[7]認為SBS和納米二氧化鈦(TiO2)具有協同作用，能減少瀝青煙氣排放；楊宇等[8]發現MH能夠減少有毒煙氣的釋放；Demirel 等[9]認為硼酸鋅(ZB)可降低瀝青煙密度，有抑煙效果。目前關于抑煙瀝青的研究主要為抑煙劑的單摻，但抑煙效果較差[10]。本文將外加劑進行復配，對外加劑復配后的基本物理性能、抑煙效果及抑煙機理進行研究。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

1.1.1 基質瀝青 LT70#是由河北倫特石油化工有限公司生產，測試 LT70#基質瀝青的基本性能實驗結果見表1，結果滿足 JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規程》[11]技術要求。

表1 LT70#瀝青技術指標Table 1 LT70# Asphalt specification

1.1.2 Evotherm Evotherm是一種溫拌劑，由美國杜邦有限責任公司生產。通過表面活性劑來改變瀝青分子間的極性，降低黏度。宋金生[12]通過研究不同溫拌劑對瀝青技術性能影響建議Evotherm摻量為0.6%。

表2 Evotherm劑主要技術指標Table 2 The main technical indicators of Evotherm warm mix

1.1.3 外加劑 初選4種外加劑，分別是SBS、氫氧化鎂(MH)、硼酸鋅(ZB)和納米二氧化鈦(TiO2)。SBS(LG-512)，由韓國LG公司生產，MH、ZB均由山東省臨沂市恒碩化工有限公司提供，納米TiO2由河北省邢臺市清河縣科特新材料科技有限公司提供。SBS受熱后會與瀝青中的部分組分形成交聯，抑制瀝青的分解[13]；MH在受熱時會吸收大量的熱，降低瀝青表面溫度，減小煙氣的產生[14]；ZB可阻止瀝青的熱分解和可燃性氣體的釋放[15]； 納米TiO2對于瀝青煙氣有降解效果[16]。

1.1.4 實驗儀器 FJ300-SH數顯高速分散均質機；HCT-3熱分析系統；SYD-2806E全自動瀝青軟化點試驗器；SY-1.5B 型恒溫數顯瀝青延伸度儀；SYD-2801E瀝青針入度測試儀；Brookfield DV-Ⅱ+pro型旋轉黏度計；MCR102流變儀；TENSOR27傅里葉變換紅外光譜儀。

1.2 實驗方案

本實驗以LT70#為基質瀝青，以SBS、MH、ZB、納米TiO2和Evotherm作為外加劑，SBS的摻量為0，2%，4%，6%，MH的摻量為0，5%，10%，15%，ZB的摻量為0，2%，3%，納米TiO2的摻量為0，0.5%，1%，1.5%，Evotherm的摻量為 0.6%，通過熱重實驗結果確定其最佳摻量，制備3種抑煙瀝青，從基本物理實驗和熱重實驗結果中優選出一種抑煙效果最好的復合改性瀝青。

1.3 制備方法

將LT70#加熱至160 ℃，稱取300 g質量的瀝青放入容器中，根據設計選用的外加劑摻量，采用內摻法分別稱取SBS、MH、ZB、納米TiO2和Evotherm，在LT70#中緩慢多次加入，并利用數顯高速分散均質機以3 500 r/min 的速度攪拌40 min，保證外加劑均勻分散地溶解于瀝青中。

2 結果與討論

2.1 最佳配比確定

2.1.1 單摻外加劑抑煙效果測定 熱重實驗在 50～800 ℃下對單摻和復配瀝青的質量剩余率進行記錄繪制為熱重曲線(以瀝青質量剩余率表征瀝青的抑煙效果)。

由表3可知，SBS的最佳摻量為4%，納米TiO2的最佳摻量為0.5%，MH的最佳摻量為5%，ZB的最佳摻量為3%，其抑煙效果最好。

表3 單摻外加劑熱重實驗測試結果Table 3 Single-doped admixture thermogravimetric experimental test results

2.1.2 復配外加劑抑煙效果測定 SBS具有良好的高溫性能和低溫性能[17]，由表3可知，SBS還具有抑煙作用。因此，以SBS作為一種抑煙劑和改善劑分別與MH、ZB、納米TiO2進行復配，測試結果見表4、圖1～圖3。

表4 復配外加劑熱重實驗測試結果Table 4 Compound admixture thermogravimetric experimental test results

圖1 ZB熱重分析圖Fig.1 ZB thermogravimetric analysis plot

圖2 納米TiO2熱重分析圖Fig.2 Nano TiO2 thermogravimetric analysis plot

圖3 MH熱重分析圖Fig.3 MH thermogravimetric analysis plot

由圖1～圖3可知：①LT70#在800 ℃時的質量剩余率為12.25%，LT70#在270 ℃開始分解，此時，瀝青大分子主鏈中主要發生一些弱鍵的斷裂，同時伴有低分子烴類的物理揮發；在 410 ℃質量急劇下降，說明LT70#在 410 ℃發生斷裂和裂環反應，開始快速分解。②SBS在 800 ℃時瀝青的質量剩余率為 14.94%，比LT70#提高2.69%，由于SBS在高溫時形成三維網狀結構覆蓋在瀝青表面，減少瀝青中輕組分的揮發，達到抑煙的效果。③SBS+納米TiO2+Evotherm在800 ℃時瀝青的質量剩余率為 16.26%，在290 ℃左右開始緩慢分解，納米TiO2含有的Ti—O鍵，與瀝青中存在的水很可能由于極化產生羥基，與SBS 的嵌段共聚結構接近時，吸附瀝青中的輕組分。④SBS+MH+Evotherm在800 ℃時瀝青的質量剩余率為25.12%，MH受熱后發生分解反應，分解過程中吸收熱量，可以延緩SBS和瀝青的燃燒，減少瀝青煙氣的釋放，在瀝青表面生成的 MgO 為保護層，抑制煙氣產生。⑤SBS+ZB+Evotherm在800 ℃時瀝青的質量剩余率為25.58%，當受熱時，ZB吸收熱量形成不揮發的玻璃狀液體與SBS和瀝青相容，將其包覆形成隔溫層，防止瀝青裂解生成的煙氣。

綜上，三種復配后的改性瀝青的降解過程發生了較為明顯的變化，熱重曲線均較LT70#瀝青向高溫方向偏移，再結合表3、表4可知，復配比單摻的抑煙效果好，在三種復配改性瀝青的圖中發現SBS+ZB+Evotherm復合改性瀝青的抑煙效果最好，質量剩余率比基質瀝青的提高了13.33%，比另外兩種復配瀝青的提高了9.32%和0.46%。

2.2 基本物理性能實驗

2.2.1 瀝青三大指標測定 對單摻及復配抑煙測定結果通過瀝青三大指標實驗進一步分析其基本物理性能，測試結果見圖4。

由圖4可知：①外加劑單摻時：SBS的加入提高了瀝青的軟化點和延度，但針入度有所下降，表明SBS的加入可以改善瀝青的高低溫穩定性，但會使瀝青硬度變大。納米 TiO2的加入使瀝青的延度、針入度和軟化點均下降，表明納米TiO2會對瀝青的高溫性能和低溫性能有一定損害。ZB和MH的加入使瀝青的延度和針入度下降，軟化點有所提高，表明ZB和MH對瀝青的低溫性能有一定損害，但高溫性能有所改善。Evotherm的加入使瀝青的軟化點上升，延度下降，針入度有所下降，表明Evotherm能夠提高瀝青的高溫性能，但對瀝青的低溫性能和稠度有一定損害。

②外加劑復配時：由圖4a、4b可知，三種抑煙復合改性瀝青的三大指標較SBS改性瀝青、基質瀝青都有所降低或提高。對于軟化點，SBS+ZB+Evotherm>SBS+MH+Evotherm>SBS+納米TiO2+Evotherm>SBS>LT70#；對于延度，SBS>LT70#>SBS+ZB+Evotherm>SBS+納米TiO2+Evotherm>SBS+MH+Evotherm。結果表明，SBS+ZB+Evotherm這種復配組合的高溫性能和低溫性能均優于另外兩種復合改性瀝青，SBS和ZB有一定的協同作用。該實驗結果與熱重實驗的最佳抑煙組合相同。

圖4 單摻與復配三大指標實驗結果Fig.4 Test results of the three major indicators of singledoping and compounding

2.2.2 Brookfield旋轉黏度 通過Brookfield旋轉黏度計，測試溫度選擇115，135，155，175 ℃，測定最佳配比下的不同復合改性瀝青的旋轉黏度，測試結果見圖5。

由圖5可知，隨著溫度升高，摻入Evotherm瀝青的布式旋轉黏度小于基質瀝青，這表明Evotherm摻入瀝青時會降低基質瀝青的黏度，增大其高溫流動性，改善瀝青的施工和易性；三種復合改性瀝青的布式黏度隨溫度增加均呈現下降趨勢，135 ℃時，三種復合瀝青、SBS改性瀝青、基質瀝青的布式黏度由大到小排序為SBS>SBS+ZB+Evotherm>LT70#>SBS+MH+Evotherm>SBS+納米TiO2+Evotherm，實驗結果表明，SBS+ZB+Evotherm復合改性瀝青的布式旋轉黏度高于另外兩種復合改性瀝青，可大幅提高瀝青與混合料之間的黏聚力。該實驗結果與熱重實驗的最佳抑煙組合相同。

圖5 不同溫度下復合改性瀝青黏度測試結果Fig.5 Composite modified asphalt viscosity test resultsat different temperatures

2.3 動態剪切流變實驗

通過動態剪切流變實驗，可以計算出瀝青的復數剪切模量(G*)和相位角(σ)。G*/sinσ為抗車撤因子，此系數越大，表明瀝青抵抗車轍產生的能力越強。測試結果見圖6。

圖6 不同溫度下單摻與復配的車轍因子Fig.6 The rutting factor of the single doping andcompounding at different temperatures

由圖6可知：①在同一溫度下，復合改性瀝青的抗車轍因子G*/sinσ比單摻的外加劑改性瀝青提高3倍左右，表明復配外加劑后瀝青中的彈性成分得到增加，提高瀝青的高溫抗車轍能力。在58，64，70 ℃時，三種抑煙復合改性瀝青抗車轍因子由小到大排列為：SBS+MH+Evotherm

2.4 抑煙劑抑煙機理

對LT70#、外加劑以及最佳配比下的復合改性瀝青進行紅外光譜測試及分析，結果見圖7～圖10。

圖7 外加劑與SBS的紅外光譜圖Fig.7 Infrared spectra of the admixture and SBS

圖8 ZB單摻與復配的紅外光譜圖Fig.8 Infrared spectra of ZB single-dopedand compounded

圖9 納米TiO2單摻與復配的紅外光譜圖Fig.9 Infrared spectrogram of nano TiO2single-doped and compounded

圖10 MH單摻與復配紅外光譜圖Fig.10 MH single-doped and compoundinfrared spectroscopy

3 結論

本研究通過在瀝青中摻加 Evotherm、SBS、ZB、MH、納米TiO2，開發出一種抑煙復合改性瀝青，通過上述研究得出以下主要結論。

(1)Evotherm、SBS、ZB、MH、納米TiO2在單摻及復配時，均能起到抑煙作用，復配時抑煙效果最佳，且最佳組合為LT70#+4%SBS+3%ZB+0.6%Evotherm，通過熱重實驗結果可知，其瀝青質量剩余率比基質瀝青的提高了13.33%，比另外兩種復配瀝青的提高了9.32%和0.46%。

(2)LT70#+4%SBS+3%ZB+0.6%Evotherm在瀝青三大指標實驗中，針入度比基質瀝青的降低了20.4×0.1 mm，比另外兩種復配瀝青的提高了9.8%和5.3%；軟化點比基質瀝青的提高了26 ℃，比另外兩種復配瀝青的提高了1.5 ℃和0.8 ℃；15 ℃時的延度較基質瀝青降低了6.4 cm，比另外兩種復配瀝青的提高了10.3 cm和17.5 cm。

(3)LT70#+4%SBS+3%ZB+0.6%Evotherm在動態剪切流變實驗結果中，70 ℃時的車轍因子比另外兩種復配瀝青的提高了19.5%和20.5%，表現出良好的高溫抗車轍能力。

(4)LT70#+4%SBS+3%ZB+0.6%Evotherm復合改性瀝青受熱后，ZB會形成B2O3和ZnO減少瀝青煙氣，SBS會與瀝青發生作用形成立體網狀結構，限制了瀝青輕組分的揮發。ZB、SBS和Evotherm的共同作用，使瀝青煙氣減少。