摻加電氣石粉瀝青的抑煙效果及其瀝青混合料產(chǎn)煙預(yù)估模型

李 萍,陳修樂,王 盟,念騰飛,丁 攀

(1. 蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;2. 甘肅省蘭州公路事業(yè)發(fā)展中心,甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

瀝青作為瀝青混合料的主要原材料之一,在高溫施工過程中會(huì)釋放大量煙氣,瀝青煙不僅會(huì)造成環(huán)境污染,還對(duì)周圍工作人員健康造成威脅[1]。長期接觸瀝青煙氣會(huì)導(dǎo)致多種不適,甚至瀝青煙氣會(huì)產(chǎn)生遺傳毒性作用,對(duì)人體心血管系統(tǒng)也有較大影響,誘發(fā)瘀癥和導(dǎo)致基因突變、癌變[2]。從源頭上解決瀝青煙大量排放問題是現(xiàn)研究的有效方法,研究表明電氣石粉加入瀝青中[3-4],能夠有效抑制瀝青煙的釋放。

電氣石具有穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電化學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于多領(lǐng)域[5]。在道路工程領(lǐng)域中,許新權(quán)等[6]采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)及低溫彎曲梁試驗(yàn)(BBR)評(píng)價(jià)改性瀝青的高低溫性能,結(jié)果表明,當(dāng)電氣石粉摻量為16%時(shí),高溫穩(wěn)定性比原樣瀝青提高24%,低溫抗裂性提高了19%;王朝輝等[7-8]發(fā)現(xiàn)電氣石粉加入瀝青中,不影響其壓、熱電性能,且其在拌和瀝青及其混合料的過程中,具有顯著的減排效果,并對(duì)瀝青混合料的路用性能具有較好的提升作用;喬志等[9]分析了電氣石復(fù)合材料對(duì)瀝青煙的吸附效果,結(jié)果表明其具有較好的吸附性;X.ZHANG等[10]探究了電氣石粉在環(huán)境改善方面的影響,結(jié)果表明,瀝青中添加電氣石粉后,VOC排放量減少至50%。

基于上述分析,現(xiàn)有研究主要集中于分析電氣石粉對(duì)瀝青及混合料性能的影響,針對(duì)瀝青煙輕及試驗(yàn)精度易受影響等特性進(jìn)行瀝青煙生成富集裝置的設(shè)計(jì)的研究較少,且已有研究選取的電氣石粉粒徑及摻量范圍較小;尤其是缺少路面攤鋪過程中對(duì)瀝青混合料產(chǎn)煙量的預(yù)測。鑒于此,筆者選取5種粒徑及5種摻量的電氣石粉,采用自研裝置對(duì)其加入瀝青后的抑煙效果進(jìn)行評(píng)價(jià),并建立了基于集料比表面積理論-面積折減法的瀝青混合料產(chǎn)煙率模型,對(duì)AC-13、OGFC-13、SMA-13級(jí)配混合料進(jìn)行產(chǎn)煙試驗(yàn),為預(yù)測攤鋪瀝青混合料過程中的瀝青產(chǎn)煙提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 瀝 青

本試驗(yàn)選用韓國SK-90為基質(zhì)瀝青,根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》,對(duì)其基本性能指標(biāo)進(jìn)行測試,結(jié)果見表1,其中各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范。

表1 SK-90瀝青基本性能

1.1.2 礦粉及集料

本試驗(yàn)選用的粗細(xì)集料均為甘肅省定西市臨洮料場所生產(chǎn)的玄武巖,礦粉為玄武巖礦粉,參考JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)礦粉進(jìn)行密度、親水系數(shù)、含水率等技術(shù)性能進(jìn)行檢測,結(jié)果見表2,對(duì)粗、細(xì)集料的密度、吸水率、壓碎值等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測,試驗(yàn)結(jié)果見表3,其中各指標(biāo)性能均符合規(guī)范要求。

表2 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表3 集料技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 電氣石粉

本試驗(yàn)采用產(chǎn)自新疆阿勒泰的電氣石粉,最大粒徑(簡稱粒徑)分別為44.0、15.0、10.0、6.5、2.6 μm。其中電氣石粉為黑色粉末且不溶于水,耐弱酸及弱堿,其化學(xué)組成見表4。

表4 電氣石粉化學(xué)組成

1.2 電氣石瀝青的制備

電氣石粉作為一種外摻劑,將其加入到基質(zhì)瀝青中,可靠性的制備工藝對(duì)瀝青性能起關(guān)鍵作用,經(jīng)過預(yù)制備試驗(yàn)并擇優(yōu)選擇,具體制備流程如下:將基質(zhì)瀝青預(yù)熱至140 ℃,置于電熱爐上并向其中添加不同粒徑及摻量的電氣石粉(摻量分別為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的10%、12%、14%、16%、18%),此過程不停攪拌使其預(yù)混;待溫度升至160 ℃后,將其移至可控溫電熱爐上,使用高速剪切儀進(jìn)行攪拌,該過程溫度恒定為160 ℃。高速剪切儀的初始轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 000 r/min,5 min后升至4 500 r/min持續(xù)35～40 min,待電氣石粉與基質(zhì)瀝青達(dá)到混溶狀態(tài),再將轉(zhuǎn)速降至1 000 r/min持續(xù)10 min,此過程利于氣泡的排出。

1.3 試驗(yàn)方法

為研究不同粒徑及摻量電氣石粉對(duì)瀝青常規(guī)性能的影響,按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、延度及黏度的測試。瀝青及瀝青混合料產(chǎn)煙試驗(yàn)是主要試驗(yàn)。

1.3.1 瀝青產(chǎn)煙試驗(yàn)

采用自制瀝青煙生成富集裝置對(duì)已制的電氣石瀝青進(jìn)行抑煙效果評(píng)價(jià),該裝置按照?qǐng)D1連接方式進(jìn)行組裝,試驗(yàn)所采用的濾管試驗(yàn)前后均需置于60 ℃烘箱內(nèi)30 min,以消除水分因素對(duì)試驗(yàn)造成的影響。本試驗(yàn)稱重均使用精度為0.1 mg的電子天平,涉及濾管操作的各步驟均帶一次性試驗(yàn)手套完成。

圖1 瀝青煙生成富集裝置Fig. 1 Asphalt fume production and enrichment device

瀝青煙主要由可被致密纖維過濾材料富集的重組分與可被有機(jī)溶液吸收的輕組分構(gòu)成,而較大危害性的多環(huán)芳烴類有機(jī)物重組分占瀝青煙總質(zhì)量的99%以上,因此,通過定量研究瀝青煙氣重組分即可描述出瀝青煙產(chǎn)量的變化規(guī)律。此外,為確保瀝青煙氣的有效富集,對(duì)瀝青煙富集效率的濾膜層數(shù)、濾速和濾管數(shù)量等因素進(jìn)行大量預(yù)試驗(yàn),得出3層聚丙烯纖維在最佳濾速條件下對(duì)0.1～10 μm顆粒狀物質(zhì)吸附效率可達(dá)80%～90%,且靠近富集口的U1濾管收集量占收集總量的99%以上,故可以忽略收集過程中流向后側(cè)玻璃管的組分損失量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

選取100 g瀝青樣品進(jìn)行試驗(yàn),基于課題組已得出的成果[11],已對(duì)溫度為140、145、150、155、160、165、170 ℃,氣流速度為2、4、6、8、10 L/min,暴露面積為57.7、85.6、132.7、201.1 cm2,加熱時(shí)間為30、60、90、120、150 min時(shí),進(jìn)行瀝青產(chǎn)煙試驗(yàn),其中,選用不同底面積的錐形瓶用以模擬不同暴露面積下的瀝青產(chǎn)煙環(huán)境,將錐形瓶的底面積作為暴露面積。結(jié)果表明溫度為165 ℃、氣流速度為6 L/min、暴露面積為201.1 cm2、加熱時(shí)間為120 min時(shí)較為合理。

1.3.2 瀝青混合料產(chǎn)煙試驗(yàn)

本試驗(yàn)使用瀝青混合料攪拌鍋改裝而成的瀝青混合料煙氣生成富集裝置,富集裝置仍采用圖1所用濾膜系統(tǒng)。根據(jù)瀝青混合料現(xiàn)場攤鋪溫度范圍為140～170 ℃,試驗(yàn)溫度分別選取為140、150、160、170 ℃,試驗(yàn)時(shí)間為30 min。試驗(yàn)前將粗細(xì)集料水洗干凈,并烘干后備用,此外,為避免細(xì)粒徑集料、礦粉攪拌過程揚(yáng)塵現(xiàn)象對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,在瀝青混合料整體拌和前將粒徑小于0.15 mm的集料、礦粉加入盛有瀝青的容器中,充分?jǐn)嚢柚谱鞒蔀r青膠漿,以備后續(xù)試驗(yàn)使用。每個(gè)溫度條件進(jìn)行3組平行試驗(yàn),煙氣質(zhì)量取平均值。

1.4 松散狀態(tài)下瀝青混合料產(chǎn)煙率模型

暴露面積和加熱溫度為影響瀝青混合料產(chǎn)煙量的關(guān)鍵因素,溫度由瀝青混合料實(shí)際發(fā)煙溫度確定,暴露面積與瀝青混合料比表面積關(guān)系密切。

1.4.1 瀝青混合料比表面積計(jì)算方法

JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了密級(jí)配及OGFC瀝青混合料計(jì)算集料比表面積的方法。

1) 密級(jí)配瀝青混合料

美國瀝青協(xié)會(huì)(asphalt institute,AI)引用維姆法進(jìn)行比表面積計(jì)算。假設(shè)所有集料均為松散狀態(tài)下的等粒徑球形顆粒,集料經(jīng)驗(yàn)表面積系數(shù)見表5。

表5 密級(jí)配瀝青混合料中通過各篩孔材料的表面積系數(shù)

JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》引用了該方法,密級(jí)配混合料集料比表面積S為:

S=∑(Pi×Fi)×0.01

(1)

式中:S為集料的比表面積,m2/kg;Pi為對(duì)應(yīng)篩孔粒徑通過百分率,%;Fi為對(duì)應(yīng)粒徑的表面積系數(shù),m2/kg,其中粒徑大于4.750 mm的集料表面積系數(shù)均歸為0.41 m2/kg,且以最大粒徑通過率為準(zhǔn),僅計(jì)算一次,其它粒徑Fi數(shù)值見表5。

2) OGFC瀝青混合料

OGFC瀝青混合料集料比表面積S的計(jì)算公式為:

S=[2+∑(Pi×Fi)]×0.204 8

(2)

式中:各參數(shù)含義與式(1)相同,其中粒徑大于4.750 mm的集料表面積系數(shù)均歸為2.00 m2/kg,且以最大粒徑通過率為準(zhǔn),僅計(jì)算一次,其它粒徑Fi數(shù)值見表6。

表6 OGFC瀝青混合料中通過各篩孔材料的表面積系數(shù)

1.4.2 集料比表面積與暴露面積關(guān)系

集料比表面積計(jì)算理論認(rèn)為,瀝青混合料中集料均為離散不接觸的球形顆粒見圖2;拌和均勻的松散瀝青混合料中,礦粉浸潤于瀝青中形成膠漿[12],細(xì)集料在瀝青黏附作用下與粗集料連接,此時(shí)瀝青混合料中暴露面積計(jì)算模型見圖3。

圖3 松散瀝青混合料暴露面積計(jì)算模型Fig. 3 Calculation model of exposed area of loose asphalt mixture

對(duì)比圖2和圖3可知,松散狀態(tài)下單位質(zhì)量瀝青混合料,其暴露面積小于其集料比表面積,將該現(xiàn)象定義為面積折減,引入暴露面積折減系數(shù)αc,表示相同質(zhì)量的瀝青混合料的暴露面積與其集料比表面積的比值,則松散狀態(tài)下單位質(zhì)量瀝青混合料暴露面積的表達(dá)式為:

Se=αc×S

(3)

式中:Se為單位質(zhì)量瀝青混合料的暴露面積,m2/kg;αc為暴露面積折減系數(shù),且0<αc<1。

1.4.3 松散狀態(tài)瀝青混合料產(chǎn)煙率模型建立

對(duì)于攤鋪過程中處于松散狀態(tài)下的瀝青混合料,將其集料比表面積及產(chǎn)煙溫度代入課題組已得出的瀝青產(chǎn)煙率預(yù)測模型[13],見式(4),即得瀝青混合料中單位質(zhì)量瀝青產(chǎn)煙率的表達(dá)式,見式(5):

(4)

(5)

式中:z為單位質(zhì)量瀝青產(chǎn)煙率,m2·K6/(min·kg);x為瀝青產(chǎn)煙溫度,K;y為單位質(zhì)量瀝青暴露面積,m2/kg;t為產(chǎn)煙時(shí)間,min;a,n分別為常數(shù),其中1.6

瀝青路面攤鋪以瀝青混合料為主體,為將瀝青產(chǎn)煙率預(yù)測函數(shù)應(yīng)用于實(shí)踐,需將產(chǎn)煙率以瀝青混合料質(zhì)量為基準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)化關(guān)系為:

Mc×kc=Ma×k

(6)

式中:Mc為產(chǎn)煙混合料質(zhì)量,kg;kc為單位質(zhì)量瀝青混合料產(chǎn)煙率,m2·K6/(min·kg);Ma為產(chǎn)煙混合料中所含瀝青質(zhì)量,kg。

瀝青混合料質(zhì)量和其所含瀝青質(zhì)量關(guān)系可通過油石比Pa進(jìn)行關(guān)聯(lián),關(guān)系式為:

(7)

聯(lián)立式(5)～式(7),可得單位質(zhì)量瀝青混合料產(chǎn)煙率為:

(8)

將式(3)帶入式(8)進(jìn)一步得到松散狀態(tài)下瀝青混合料產(chǎn)煙率預(yù)測模型為:

(9)

2 結(jié)果與討論

2.1 電氣石粉對(duì)瀝青常規(guī)性能影響分析

加入電氣石粉后瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度及黏度的測試結(jié)果,如表7。

表7 電氣石瀝青的基本技術(shù)性能指標(biāo)

由表7可知,在針入度方面,相同粒徑條件下,針入度隨著電氣石粉摻量的增加逐漸降低;相同摻量條件下,針入度隨著粒徑的減小,呈遞減趨勢(shì)。

軟化點(diǎn)隨著電氣石粉摻量的增加及粒徑的減小而升高,但這種升高趨勢(shì)并不明顯,這表明電氣石粉對(duì)瀝青的高溫性能具有提高作用,但提高能力有限。

10 ℃延度結(jié)果表明,電氣石粉對(duì)瀝青延度的影響規(guī)律顯著。相同粒徑條件下,隨著其摻量的增加,瀝青的延度呈先增后減的趨勢(shì),表明在一定摻量范圍內(nèi)電氣石粉對(duì)瀝青的延展性有較好的改善作用。相同摻量的條件下,隨著電氣石粉粒徑的減小,瀝青的延度呈先增大后減小的趨勢(shì),其中當(dāng)電氣石粉粒徑為10 μm時(shí),延度值達(dá)到最大。

對(duì)于黏度方面,相同粒徑的條件下,瀝青的黏度隨著電氣石粉摻量的增加而逐漸變大。相同摻量的條件下,瀝青黏度隨著電氣石粉粒徑的減小而增大。

綜上所述,參照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中技術(shù)要求,以70#瀝青的技術(shù)指標(biāo)為基準(zhǔn)參考,可以確定粒徑為2.6～15 μm的電氣石粉在摻量10%～18%區(qū)間內(nèi)(除摻量為10%的1 μm的電氣石粉外),加入瀝青中性能均滿足現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.2 電氣石粉的抑煙效果

通過自制瀝青煙生成富集裝置對(duì)SK-90瀝青及加入電氣石粉后的瀝青進(jìn)行產(chǎn)煙試驗(yàn),每種瀝青皆進(jìn)行3組平行試驗(yàn),取平均值為瀝青產(chǎn)煙量。由瀝青產(chǎn)煙量測試結(jié)果通過式(10)～式(12)聯(lián)立計(jì)算,得到不同電氣石粉加入瀝青后的抑煙率(圖4)。

圖4 電氣石粉的抑煙率Fig. 4 Fume suppression rate of tourmaline powder

(10)

Δmi=m2i-m1i

(11)

(12)

由圖4可知,相同電氣石粉摻量條件下,隨著粒徑減小,抑煙率逐漸增大;相同粒徑條件下,隨著其摻量的增加,瀝青煙的抑煙率亦逐漸增大。其中,粒徑為15 μm及10 μm的電氣石粉在摻量超過16%以后,摻量的變化率對(duì)抑煙率影響顯著,而其它粒徑電氣石粉的抑煙率隨其摻量增加平穩(wěn)增長。

電氣石粉摻量越大及粒徑越小,其對(duì)抑制瀝青煙氣的釋放具有愈佳效果,原因在于電氣石粉具有吸附性[14],當(dāng)瀝青在受熱過程中可以有效抑制瀝青煙氣的釋放。綜合性能及試驗(yàn)材料消耗量的合理性,摻量為14%的10 μm電氣石粉加入瀝青中具有較好的技術(shù)性能及抑煙效果。

3 松散狀態(tài)瀝青混合料產(chǎn)煙預(yù)測

筆者針對(duì)瀝青混合料典型組成結(jié)構(gòu)形態(tài)的密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)、密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)分別選取AC-13、OGFC-13、SMA-13級(jí)配類型進(jìn)行瀝青混合料產(chǎn)煙量試驗(yàn),其相對(duì)應(yīng)的級(jí)配如表8。

表8 各級(jí)配礦料組成

通過瀝青混合料拌鍋改造裝置,基于前文得出的具有較好性能及抑煙效果的14%的10 μm電氣石瀝青,并對(duì)混合料質(zhì)量等比例換算為1 kg,進(jìn)行3種級(jí)配瀝青混合料產(chǎn)煙試驗(yàn),每種級(jí)配進(jìn)行3組試驗(yàn),將試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果代入松散狀態(tài)下瀝青混合料產(chǎn)煙率預(yù)測模型式(9)中進(jìn)行擬合,結(jié)果見圖5。

圖5 瀝青混合料產(chǎn)煙回歸分析Fig. 5 Regression analysis of fume production of asphalt mixture

為進(jìn)一步將預(yù)測模型與實(shí)際工況進(jìn)行對(duì)照,首先忽略面積折減的影響,假設(shè)暴露面積折減系數(shù)αc為1,常數(shù)a取值為1.7,聯(lián)立式(1)、式(2)、式(9)計(jì)算得3種級(jí)配瀝青混合料產(chǎn)煙率計(jì)算值,然后將計(jì)算值與實(shí)測值擬合曲線進(jìn)行對(duì)比見圖5,其中油石比取值由表8得到。

由圖5(a)可知,對(duì)于AC-13結(jié)構(gòu),當(dāng)暴露面積折減系數(shù)取αc=0.858時(shí),瀝青混合料實(shí)測產(chǎn)煙率擬合曲線與計(jì)算值數(shù)據(jù)點(diǎn)相關(guān)性最高,其中,擬合優(yōu)度R2達(dá)到了0.969 31;由圖5(b)、圖5(c)可知,對(duì)于OGFC-13及SMA-13,當(dāng)αc分別為0.855及0.976時(shí),其與分別對(duì)應(yīng)的計(jì)算值相關(guān)性最高。將3種級(jí)配類型對(duì)應(yīng)的αc分別代入式(9),且分別聯(lián)立式(1)及式(2),可得密級(jí)配瀝青混合料的產(chǎn)煙率模型為:

(13)

OGFC瀝青混合料的產(chǎn)煙率模型為:

(14)

式中:αc取值為0.855～0.976。

由修正后的瀝青混合料產(chǎn)煙率模型式(13)、式(14)計(jì)算,得到瀝青混合料產(chǎn)煙率修正計(jì)算值見表9。

表9 瀝青混合料產(chǎn)煙率修正計(jì)算值

由表9可知,AC-13、OGFC-13、SMA-13瀝青混合料產(chǎn)煙率的修正計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測值的平均相對(duì)誤差分別為2.05%、3.62%、4.66%皆小于5%,進(jìn)一步說明了該預(yù)測模型的有效性。

4 結(jié) 論

1)電氣石粉粒徑及摻量對(duì)針入度、延度影響顯著,隨著電氣石粉摻量增大及粒徑減小,瀝青的針入度逐漸降低,延度呈先增后減的趨勢(shì),軟化點(diǎn)及黏度呈增大趨勢(shì),但其增長率較小。

2)摻入電氣石粉的瀝青具有較好的抑煙效果,其中10 μm的電氣石粉,摻量為14%時(shí)瀝青的技術(shù)性能及抑煙效果最好。

3)筆者基于集料比表面積理論-面積折減法預(yù)測松散狀態(tài)下3種級(jí)配類型瀝青混合料產(chǎn)煙率,并與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證分析表明SMA-13級(jí)配類型混合料的產(chǎn)煙率最小,在后續(xù)研究中尚需根據(jù)其它理論驗(yàn)證該預(yù)測模型的有效性。