纳米碳酸钙减少沥青烟气的实验研究

张红章，何丽娟，范卫琴，朱春笋

（1三明学院 建筑工程学院，福建 三明，365004；2.湖北省水利水电科学研究院 湖北 武汉430070；3.重庆永固建筑科技发展有限公司，重庆，404100）

纳米碳酸钙减少沥青烟气的实验研究

张红章1，何丽娟2，范卫琴1，朱春笋3

（1三明学院 建筑工程学院，福建 三明，365004；2.湖北省水利水电科学研究院 湖北 武汉430070；3.重庆永固建筑科技发展有限公司，重庆，404100）

研究了高温条件下3种不同种类的纳米碳酸钙在不同温度、不同参配比例时减少沥青烟气的性能：种类不同抑烟能力不同，抑烟能力不受温度高低的影响，添加比例与其抑烟能力的大小呈正相关，但低剂量时减少烟气能力提高较快，高剂量时趋于平缓；同时验证了纳米碳酸钙因为颗粒小且与沥青相容性好从而减少沥青烟气的机理。

纳米碳酸钙；沥青烟气；沥青

沥青混合料在高温（120～180℃）拌合与摊铺条件下，将释放出对人体有害的沥青烟气［1-3］。纳米碳酸钙是一种新型超细固体粉末材料，其粒度介于0.01～0.1 μm之间，具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子效应等特性，作为改性剂加入到沥青中，可以提高沥青的高温稳定性［4-5］。鉴于此，作者尝试采用不同种类的纳米碳酸钙减少沥青轻质组分的挥发，研究纳米碳酸钙对沥青烟气产生量的影响，研究成果对改善沥青路面作业环境具有一定的参考价值。

1　实验

1.1原材料

实验采用的纳米碳酸钙，是由杭州万景新材料有限公司生产的油墨型 （VK-CaC400）、塑料型（VK-CaC202）、橡胶型（VK-CaC501）型3种纳米碳酸钙，其主要性能指标见表1；基质沥青采用韩国SK株式会社生产的70#重交通道路石油沥青（SK70#），主要指标见表2。

表1　纳米碳酸钙主要性能指标

表2　基质沥青主要性能指标

1.2仪器设备

在一定温度下采用高速沥青剪切设备，将纳米碳酸钙与沥青混合；沥青加热及气体收集装置，采用杨锡武等［5］人自行研制的沥青自动温控与收集设备，在不同的加热温度和加热时间下，用沥青采样管收集从中挥发出的沥青烟气颗粒。

1.3实验方案

采用3种纳米碳酸钙，分别按照沥青重量2%、4%、6%、8%的比例添加到沥青中，在恒温（120、140、160、180℃）条件下，采用沥青采样管收集一定时间内（本实验为2 h）所产生的烟气，采用重量法，按照公式（1）计算加热后的产烟率M（mg/100g），公式（2）计算沥青烟气减少率R（%）。

式中：M为沥青样品的烟气产生量，mg/100g；W0为沥青样品的重量，g；Wx为加热后沥青样品的重量，g。

式中：Rx为某个水平添加剂的烟气减少率，%；M0为基质沥青的沥青产烟率，mg/100g；Mx为某个水平添加剂沥青的沥青产烟率，mg/100g。

2　实验结果及讨论

（1）不同加热温度和添加比例条件下，油墨型、橡胶型、塑料型3种纳米碳酸钙减少沥青烟气的效果分别见图1～3。

图1　油墨型纳米碳酸钙减少烟气效果

图2　橡胶型纳米碳酸钙减少烟气效果

从图中可知，3种纳米碳酸钙在减少沥青烟气的产量方面都有一定的效果，在一定程度上，说明都能具有抑制高温沥青烟气产量的能力；添加比例在2%～8%区间内，当纳米碳酸钙添加比例一定时，加热温度在120～180℃内变化，沥青烟气减少率基本稳定，说明3种纳米碳酸钙抑制高温沥青烟气的能力，不随温度变化而变化，温度敏感性不强，在抑烟方面具有一定温度稳定性；同一种纳米碳酸钙，加入比例在2%～8%范围内时，沥青烟气减少率基本呈增长趋势，说明在此范围内，纳米碳酸钙的添加量与其减少烟气的能力呈正相关。

图3　塑料型型纳米碳酸钙减少烟气效果

（2）油墨型、橡胶型、塑料型3种纳米碳酸钙在添加比例为2%、4%、6%、8%时，其减少沥青烟气的能力见图4～7。

图4　2%添加比例沥青烟气减少效果　

图5　4%添加比例沥青烟气减少效果

图6　6%添加比例沥青烟气减少效果　

图7　8%添加比例沥青烟气减少效果

从图中可知，3种型号的纳米碳酸钙，掺入比例分别在2%、4%、6%、8%时，其减少沥青烟气的效果大小油墨型最好，其掺量为8%时沥青烟气减少率最大可达到7.4%，橡胶型、塑料型抑烟能力比较接近，抑烟效果较小，两者掺量为8%时，沥青烟气减少率最大分别可达到5.7%和5.2%，说明纳米碳酸钙的类型影响其抑烟能力；3种纳米碳酸钙在不同比例条件下，其烟气减少率基本恒定，说明3种纳米碳酸钙在高温沥青中性质稳定，不受温度变化（120℃～180℃范围）的影响；同时说明3种纳米碳酸钙在高温（120℃～180℃范围）条件下，添加比例一定时，其抑烟能力基本稳定。

（3）3种纳米碳酸钙在实验最低温度120℃及最高温度180℃条件下，随添加比例的变化，烟气减少率变化规律如图8～9所示。

图8　120°条件沥青烟气减少效果　

图9　180°条件沥青烟气减少效果

从图中可知，在实验温度条件下，纳米碳酸钙随添加比例的增加，其烟气减少率越来越大，说明在该添加比例条件下，其抑烟能力与添加比例是呈正相关性；在120℃与180℃两种实验温度条件下，3种纳米碳酸钙随添加比率的变化烟气减少率的变化趋势基本没有变化，说明温度变化对3种纳米碳酸钙的抑烟能力的影响较小，纳米碳酸钙的抑烟能力具有高温稳定性；同时，在添加比例为2%、4%、6%时，斜率较大，而添加比例在6%、8%时烟气减少率曲线斜率较小，近乎平缓，说明在低剂量下，纳米碳酸钙添加的比例越高，抑制烟气的能力越强，但当添加比例达到一定程度后，纳米碳酸钙的抑烟能力提高度逐渐趋于平缓，这说明在实际应过程中，纳米碳酸钙存在一个最佳参配比例问题。

（4）纳米碳酸钙抑烟机理分析

马峰［6］等在沥青中加入纳米碳酸钙改性，后经过旋转薄膜烘箱老化试验，质量损失由原来的0.05%减少到0.03%，说明了纳米碳酸钙的加入，使轻质成分的挥发量变少，提高了沥青的热稳定性与抗老化性能，改善了沥青路面的耐久性，也降低了沥青施工等环节中沥青烟的产生。纳米碳酸钙之所以具有抑烟功能，主要原因是由于纳米碳酸钙不但具有纳米材料的性能，同时，纳米碳酸钙与沥青具有较好的相容性，且能够较好地改善沥青的耐久性、高温稳定性等性能。

按照现行的沥青混合料强度理论认为［7］：在沥青混合料中，沥青与填充料之间的作用是一个复杂的物理—化学交互作用过程，沥青与填充料交互作用后，沥青在填充料表面产生化学组分的重新排列，在矿粉表面形成一层一定厚度的扩散溶剂膜，在此膜厚度以内的沥青称为“结构沥青”，在此膜厚度以外的沥青称为“自由沥青”。填充料颗粒之间接触处是由结构沥青膜所联结，这样促成沥青具有更大的扩散溶化膜的接触面积，因而可以获得更大的粘聚力，从而粘结沥青中的轻质组分。

由于纳米碳酸钙具有特殊的颗粒大小及形状，使其具有许多独特的性质和新的规律，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、化学活性、吸附作用等。纳米碳酸钙加入沥青中后，由于其表面具有特殊效应，特别是巨大的表面效应与吸附能力，吸附沥青中的轻质组分，从而阻止沥青中轻质组分的挥发，减少沥青加热过程中的烟气的产生。

3　结论

（1）3种型号的纳米碳酸钙都具有一定的减少沥青烟气的功能，其中油墨型纳米碳酸钙的影响能力最强，橡胶型和塑料型次之。（2）纳米碳酸钙的抑烟能力具有一定的温度稳定性，在120～180℃范围内，其减少烟气的能力基本没有变化。（3）纳米碳酸钙的添加比例（比例控制在2%～8%范围内）与其抑烟能力的大小呈正相关性，但低剂量时减少烟气能力提高较快，高剂量时趋于平缓。（4）纳米碳酸钙减少沥青烟气的机理：纳米碳酸钙与沥青具有较好的相容性，超细的颗粒粒径使沥青具有更大的扩散溶化膜的接触面积，因而可以获得更大的粘聚力，巨大的表面效应与吸附能力，吸收粘结沥青中的轻质组分，从而减少沥青烟气的产生。

［1］IARC.Bitumen and extracts of steam-refined bitumen［R］.1987（42）：133-134.

［2］IARC.Certain polycyclic hydrocarbons and heterocyclic compounds［R］.1973（3）：122-124.

［3］钟莹，李小红，潘举升，等.沥青烟对肺通气功能的影响［J］.职业医学，2003，16（6）.366-367.

［4］刘大梁.纳米碳酸钙改性沥青及混合料性能研究［J］.长沙交通学院学报，2004（12）：70-72.

［5］杨锡武.沥青烟气抑制剂及沥青混合料性能的试验［J］.重庆大学学报，2013（12）：70-76.

［6］马峰.纳米碳酸钙改性沥青的路用性能及机理研究［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2007（2）：88-90.

［7］严家伋.道路建筑材料［M ］.北京：人民交通出版社，1996.

（责任编辑：朱联九）

Experiment Study on Nanometer Calcium Carbonate for Reducing Asphalt Gas

ZHANG Hong-zhang1，HE Li-juan2，FAN Wei-qin1，ZHU Chun-sun3

（1.School of Architecture and Engineering，Sanming University，Sanming 365004，China；2.Research Institution of Water Resources in Hubei Province，wuhan 430070，China；；3.Chongqing Yonggu Building Science and Technology Development Co.，Ltd.，Chongqing 404100，China）

The performance of three different kinds of nanometer calcium carbonate in different temperature and different blending ratio was studied. The different anti-smoking ability varied from the different types and the effect of different smoke suppression ability was not affected by temperature. The addition ratio was positively related to the smoke suppression ability. However， the decrease of the asphalt gas capacity increased rapidly at low dose while tended to be flat at high dose； and the mechanism of nanometer calcium carbonate on reducing asphalt smoke was proved because it has small particle and good compatibility with asphalt.

nanometer calcium carbonate；asphalt smoke；asphalt

U414

A

1673-4343（2016）04-0096-05

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.04.016

2015-12-08

三明学院科研基金项目（B201310/Q）；福建省中青年教师教育科研项目（JA14294，JA14296）

张红章，男，湖北武汉人，讲师，工程师。主要研究方向：道路与桥梁方面的研究。