綠色多功能改性瀝青的微觀機理與環(huán)境效益研究

【中圖分類號】：TU475.2 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）02-78-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.02.017

ResearchontheMicro-mechanismandEnvironmental Benefitsof Multifunctional Modified Asphalt

LI Hongliang，SHENKe

（Tianjin Municipal Engineering Designamp;Research InstituteCo.Ltd.，Tianjin3OO392，China）

【Abstract】：Aimingattheenvironmental problemsof asphalt materials intheconstructionofhighways，this paperinvestigates the microscopic characterization of the multifunctional asphalt modifier WAEMand its action mechanism in emission reduction，temperature reduction，air purification and flame retardancy.The microstructure and chemical stability of WAEM modified asphalt were analyzed by scanning electron microscopy （SEM）， Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR）and diferential scanning calorimetry（DSC）.Theresults showed that WAEM-modified asphalt reducethe harmful gas emissions during the mixing process；the modifier can reduce the pavement temperature by nearly5 ，and reduce the nitrous oxide gas emissions by 80% ， and has a 25% combustion time reduction effect.

【Key words】：multifunctional modified asphalt；highway；energy saving and emission reduction

綠色公路是綠色交通體系中的重要組成部分，是實現(xiàn)國家節(jié)能減排發(fā)展目標的重要手段[1]。路面結(jié)構(gòu)采用的瀝青材料一般存在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中污染空氣、運營過程造成環(huán)境溫度升高、發(fā)生事故后易燃并產(chǎn)生有害氣體等問題。因此，研發(fā)合理的改性瀝青材料，盡量減少上述問題的產(chǎn)生，是綠色公路建設(shè)中的重要目標之一[2]。本文根據(jù)減少環(huán)境污染、降低運營過程中路面及環(huán)境溫度、排水性強、阻燃等需求，考慮原料成本、生產(chǎn)成本及使用壽命等因素研發(fā)一種綠色多功能瀝青改性劑——WAEM。

1微觀結(jié)構(gòu)

1.1 SEM分析

對摻加325目WAEM-1、325目WAEM-2和5000ionsWAEM-2三種不同類型的WAEM改性瀝青，進行掃描電鏡試驗以觀察對比其微觀表面的形狀和結(jié)構(gòu)。見圖1-圖4。

圖中凸起的顆粒即為WAEM，可以看出WAEM顆粒能夠均勻地分散吸附在瀝青中，沒有出現(xiàn)明顯的結(jié)團現(xiàn)象，并且每個顆粒都被瀝青介質(zhì)包裹。

1.2FTIR分析

主要對WAEM、基質(zhì)瀝青及3種摻量的WAEM改性瀝青進行分析。采用韓國 基質(zhì)瀝青，5000ionsWAEM-2改性瀝青的3種摻量分別為 8% 、 14% 和20% 。與純WAEM和基質(zhì)瀝青相比，WAEM改性瀝青并未出現(xiàn)新的官能團振動譜帶，表明WAEM與瀝青并未形成新的共價鍵。見圖5。

1.3DSC分析

瀝青在不同溫度下吸（放）熱峰的大小，根據(jù)吸（放）熱峰的大小、位置可反映出瀝青在相態(tài)變化時能量吸收與加熱溫度的關(guān)系。分析4種瀝青的DSC曲線可以明顯的發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青隨著溫度的變化dQ/dt呈現(xiàn)曲折的變化趨勢，而3種WAEM改性瀝青的dQdt曲線隨著溫度的變化，呈現(xiàn)平緩的過度趨勢，這也說明WAEM可以改善瀝青的溫度敏感性。見圖6。

2相關(guān)機理

2.1拌和瀝青混凝土階段降溫及吸附機理

改性瀝青混凝土拌和過程中，產(chǎn)生較高的溫度及和大量的粉塵，此時因材料整體溫度及拌和作用，結(jié)合該材料自身物理特性，在該過程中會產(chǎn)生較多的電荷，該電荷具有較強的團聚和吸附能力，會大量吸附拌和過程中產(chǎn)生的微小粉塵顆粒。在后續(xù)路面施工過程中，材料溫度會有一定下降，造成WAEM改性劑內(nèi)部在壓力和電荷的引導下，自身結(jié)構(gòu)發(fā)生極化，吸附和熱效應(yīng)會進一步得到增強。

2.2降低路面溫度機理

WAEM改性瀝青混凝土施工完成后，上述過程中電荷的聚集會造成能量的消耗和散失，分子間會形成靜電場，與周圍空氣中的水分接觸，靜電會將水分子 分解，消散能量，降低環(huán)境溫度，達到降低路面溫度的效果。而若繼續(xù)遭遇較高的環(huán)境溫度，將會導致改性劑材料內(nèi)部一些利復(fù)雜的分子運動增強，多余的能量將會以電磁波輻射的方式放出，進一步降低路面溫度。另外，WAEM的熱電效應(yīng)使其釋放紅外線，也可以散失部分熱量。

2.3凈化空氣機理

WAEM改性瀝青混凝土在壽命期內(nèi)，路面行車產(chǎn)生大量汽車尾氣，當車輛通過時，行車荷載引起WAEM改性瀝青混凝土內(nèi)部應(yīng)力變化，WAEM發(fā)揮壓電性，釋放電荷、負離子、紅外線等；并且，當外界溫度發(fā)生變化時，溫度變化致使WAEM改性瀝青混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力變化，WAEM發(fā)揮熱電性能。WAEM釋放的負離子對汽車尾氣的某些成分具有凈化的功效，釋放的紅外線活化氮氧化合物并促使其降解，WAEM中的 成分具有光催化效果，促進HC分解。

WAEM改性瀝青路面在行車荷載作用下，極化效應(yīng)增強，上述過程中，改性劑周圍的靜電場形成的靜電流，分解周圍的水分子，產(chǎn)生HO和 和空氣中的水分子、酸性氣體分子在電場的作用下生成負離子，大量消耗汽車尾氣中的 等。WAEM釋放的紅外線能夠活化一氧化氮，使其和HO發(fā)生化學反應(yīng)從而降解；WAEM中的 ，具有光催化功效，促使HC與負離子發(fā)生作用而分解。

2.4阻燃抑煙機理

若WAEM改性瀝青混凝土發(fā)生燃燒，WAEM及其周圍的溫度在短時間內(nèi)急劇升高，WEAM熱電性能的發(fā)揮與其溫度變化幅度呈正相關(guān)，故在燃燒過程中，WEAM改性瀝青的熱電性能瞬時強勢發(fā)揮，通過紅外線釋放部分熱量來降低WEAM及環(huán)境溫度，促進 分解吸收熱量，產(chǎn)生的負離子對部分燃燒產(chǎn)物進行吸附、團聚并裹覆在WEAM改性瀝青表面，最終達到阻燃抑煙功效。

改性劑材料溫度及極化變化后，對電荷的束縛作用下降，周圍會形成新的靜電場，對周圍環(huán)境及混合料中的各類粉塵顆粒產(chǎn)生相應(yīng)的排斥作用，這些粉塵顆粒減少了瀝青與空氣的接觸面積而增加阻燃效果。另外，WEAM改性瀝青路面在燃燒時，極化效應(yīng)增強，在WEAM表面存在的電場和電流，又會使水分子分解，繼續(xù)造成能量散失，通過減少燃燒源的熱量達到阻燃的功效。

2.5長期功效機理

WEAM改性瀝青材料功能特性隨時間推移是否衰減是WEAM改性瀝青材料推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。WEAM改性瀝青多功能的發(fā)揮主要依靠其自發(fā)極化特性、熱電性能、壓電性能和紅外線釋放性能，其中，壓、熱電性能和紅外線釋放性能又和WEAM的自發(fā)極化特性緊密相關(guān)。

WEAM發(fā)生自發(fā)極化后，WEAM晶體微觀結(jié)構(gòu)的對稱性很低，晶體結(jié)構(gòu)中每個晶胞內(nèi)的正、負電荷的重心不重合，會出現(xiàn)非零的自發(fā)極化強度，所有晶胞自發(fā)極化形成的電矩沿極軸定向排列，因而在宏觀上表現(xiàn)出了極化強度和永久電矩，其中極化強度的排列使靠近極化矢量兩端的表面附近出現(xiàn)束縛電荷，當溫度改變或受到壓力時，極化強度發(fā)生變化，被束縛的電荷重新排列，電荷移動形成電流，表現(xiàn)為熱電效應(yīng)和壓電效應(yīng)，束縛電荷在遷移過程中，消耗溫度變化帶來的熱能以及壓力所造成的機械能；而WEAM釋放紅外線的功能亦與其電學性質(zhì)相關(guān)，WEAM的基礎(chǔ)材料良好的壓電和熱電性能使其在溫度變化后，內(nèi)部分子產(chǎn)生更劇烈的運動，進一步消散能量。

因此，WEAM材料的自發(fā)極化是其熱電性能、壓電性能和紅外線釋放性能的基礎(chǔ)，又由于WEAM材料晶體結(jié)構(gòu)的特殊性，使得這種材料永久具有自發(fā)極化效應(yīng)，而WEAM改性瀝青多功能的發(fā)揮，消耗的是溫度變化帶來的熱能和壓力造成的機械能，并未消耗WEAM材料本身的能量，所以，只要WEAM材料存在，自發(fā)極化效應(yīng)就會發(fā)生，相應(yīng)的其其他各項性能就可以得到發(fā)揮，宏觀上表現(xiàn)出來的就是WEAM改性瀝青長期具有多功能特性。

3結(jié)語

經(jīng)天津某高速公路的應(yīng)用實踐，WEAM改性瀝青具有良好的路用性能，有效改善瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫流變性，使用壽命較長。在拌制瀝青混凝土的過程中，能有效減少有害氣體、有害粉塵的產(chǎn)生。采用該改性劑制備的瀝青混凝土，能在相同使用條件下，明顯降低瀝青路面的表面溫度，經(jīng)試驗測定，降溫幅度接近 ；使路面具有較強的吸附性，有效減少運營過程中的汽車尾氣對大氣環(huán)境的污染，對其中一氧化氮類氣體減排比例可達 80% ；并具有明顯的阻燃效果。

參考文獻：

[1]孟祥濤.瀝青路面在綠色公路建設(shè)發(fā)展中的問題分析及應(yīng)對措施[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2021，17（1）：105-109.

[2]沈可，李洪亮.改擴建道路路面評估體系[J].城市道橋與防洪，2012，（6）：