基于隧道沥青路面温拌现场摊铺释放挥发性有机物（VOCs）GC-MS分析研究

唐新端　冉德钦　任广军　李轶然　刘飞　刘方韬

摘      要：为了实现对隧道内沥青路面温拌施工减少释放挥发性有机物（VOCs）量化评价，依托山东省S201东线田和至温泉段工程项目的陶家夼隧道和东夼隧道的沥青路面铺装工程，比较了热拌与温拌施工工况下的隧道内VOCs的成分和质量浓度。结果表明：隧道温拌沥青混合料技术比热拌技术产生更少的VOCs，热拌工艺采集到的各种VOCs成分都比温拌工艺的质量浓度大，总量上前者是后者的1.61倍。二氯甲烷、三氯甲烷、1，1，2-三氯乙烷、乙苯、间-二甲苯、对-二甲苯、邻-二甲苯和1，2，4-三甲基苯这些VOCs的产生受温度影响比较大。在采集到的VOCs中，隧道热拌摊铺机上采集到的VOCs质量浓度最高的是三氯甲烷、甲苯、间-二甲苯和      对-二甲苯，对其VOCs总量的贡献率为47.50%;隧道温拌摊铺机上质量浓度最高的是甲苯、四氯乙烯和三氯甲烷，对其VOCs总量的贡献率为56.49%。

关 键 词：隧道;温拌;沥青混合料;挥发性有机物;GC-MS

中图分类号：X513       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）07-1460-04

Analysis of Volatile Organic Compounds （VOCs） Based on the Warm

Mixing Process of the Tunnel Asphalt Pavement by GC-MS

TANG Xin-duan1， RAN De-qin2， REN Guang-jun1， LI Yi-ran2， LIU Fei1， LIU Fang-tao2

（1. Weihai Road Development Center， Weihai 250102， China;   2. Shandong Transportation Institute， Jinan 250104， China）

Abstract： In order to realize the quantitative evaluation of reducing volatile organic compounds （VOCs） released by the warm mixing construction of asphalt pavement in the tunnel， based on the Taojiakuang tunnel and Dongkuang tunnel asphalt pavement engineering of Shandong province S201 east line Tianhe-Wenquan reconstruction project， the composition and mass concentrations of VOCs in the tunnel under the hot mixing and warm mixing construction conditions were compared. The results showed that warm mixing asphalt process produced less VOCs than hot mixing process， and the VOCs components collected by hot mixing process were higher than those of warm mixing process， the former was 1.61 times higher than the latter in total. The production of dichloromethane， trichloromethane， 1，1，2-trichloroethane， ethylbenzene， m-xylene， p-xylene， o-xylene and 1，2，4-trimethylbenzene in the VOCs was greatly affected by temperature. In the VOCs collected in the hot mixing process， the components with highest mass concentration were chloroform， toluene and m-xylene， p-xylene， with the contribution rate of 47.50%; In the VOCs collected in the warm mixing process， the components with highest mass concentration were toluene， tetrachloroethylene and trichloromethane， with the contribution rate of 56.49%.

Key words： Tunnel ; Warm mixing; Asphalt; VOCs; GC-MS

近年來，在新建隧道路面和隧道路面改造工程中，沥青混凝土路面以无接缝、噪音小、平整性好、抗滑性强、行车平稳、舒适性强、路面养护容易等优点，正越来越多地运用到隧道路面铺装中^[1]。然而在隧道沥青路面施工过程中，由于环境比较封闭，沥青混合料温度较高，导致隧道内施工现场沥青烟雾弥漫^[2]，其中沥青烟中的挥发性有机物（VOCs）容易污染环境，并给现场施工人员的身体健康带来不可逆转的伤害^[3-4]，这些问题一直束缚着它在隧道内的应用。温拌沥青混合料技术可以在满足使用要求的前提下在较低温度下对沥青混合料进行拌和，使沥青的黏度降低，可有效减少沥青在高温下释放VOCs^[5]。

目前，关于隧道内温拌沥青混合料的环境与经济效益优点的报道已有很多^[6-7]，但对于隧道内温拌沥青混合料减少VOCs排放、降低对大气的污染和对施工人员身体健康的危害的研究较少。本文依托山东省S201东线田和至温泉段改建威工程项目，在隧道沥青面层施工现场分别对普通热拌施工和温拌施工下隧道内沥青混合料摊铺作业现场的VOCs分别进行了GC-MS对比分析，对温拌沥青在减少VOCs方面进行定量评价。

1  实验部分

1.1  仪器及设备

Trace GCULTRA DSQⅡ型气相色谱-质谱仪;热脱附装置：配置MARKES全自动热脱附装置，带二级冷阱能对吸附采样管进行二级热脱附，并将脱附气用载气带入气相色谱，脱附温度、脱附时间及流速可调，冷阱能实现快速升温，冷阱采用电子制冷;气体采样泵ZR-3713;6 mm×150 mm Tenax 采样管，Tenax管在使用前要经过老化，吸附管老化装置，配备Superlab吸附管老化仪SC-10，最高温度可达到 400 ℃以上，总流量可调整范围 0～1 000 mL·min^-1，最大升温速率60 ℃·min^-1。

甲醇，色谱纯;4-溴氟苯，质量浓度为         2 000 mg·L^-1;35 种VOCs混合标准品含：1，1，2-三氯-1，2，2-三氟乙烷、1，1-二氯乙烯、氯丙烯、二氯甲烷、1，1-二氯乙烷、顺式-1，2-二氯乙烯、三氯甲烷、1，1，1-三氯乙烷、四氯化碳、1，2-二氯乙烷、苯、三氯乙烯、1，2-二氯丙烷、顺式-1，3-二氯丙烯、甲苯、反式-1，3-二氯丙烯、1，1，2-三氯乙烷、四氯乙烯、1，2-二溴乙烷、氯苯、乙苯、间，对-二甲苯、邻-二甲苯、苯乙烯、1，1，2，2-四氯乙烷、4-乙基甲苯、1，3-二氯苯、1，4-二氯苯、芐基氯、1，2-二氯苯、1，2，4-三氯苯、六氯丁二烯、1，3，5-三甲基苯、1，2，4-三甲基苯，质量浓度均为2 000 mg·L^-1。

1.2  样品采集

在沥青混合料正常摊铺、压实之前，将气体采样泵固定在热拌或者温拌沥青的摊铺机上，将Tenax吸附管与采样泵管路正常连接后，将吸附管的进气口固定在摊铺机或者压路机上，进气口方向对准沥青混合料或路面，采样器流量设置为     100 mL·min^-1，采样时间设为20 min，在路面正常摊铺作业过程中进行采样，采样工况体积为2 L。

1.3  采样条件

采样时的温度20 ℃，气压为101 kPa，热拌和温拌沥青混合料施工时的采样条件基本一致。热拌时路面摊铺时路面温度约180 ℃左右，采样位置为陶家夼隧道。摊铺时温拌路面温度约为160 ℃左右，采样位置为东夼隧道。两个新建隧道的路面结构均为4 cm SBS改性沥青玛蹄脂碎石（SMA-13）+   6 cm中粒式SBS改性沥青混凝土（AC-20）+26 cm水泥混凝土+20 cm水泥稳定碎石。

1.4  分析条件

热脱附条件：吸附管初始温度为室温，聚焦冷阱初始温度为室温，干吹流量为40 mL·min^-1，干吹时间为2 min，吸附管脱附温度为300 ℃，吸附采样管脱附时间为3 min，脱附流量为40 mL^·min^-1，聚焦冷阱温度为-10 ℃，聚焦冷阱脱附温度为300 ℃，冷阱脱附时间为5 min，传输线温度为150 ℃。

气相色谱仪条件：进样口温度为200 ℃，进样方式为分流进样，分流比 30∶1，柱流量为      1.5 mL·min^-1（恒流模式）;柱箱升温程序为40 ℃开始保持1 min，以5 ℃·min^-1 的升温速率升至90 ℃，保持 3 min，以6 ℃·min^-1 的升温速率升至140 ℃，保持 0 min，以15 ℃·min^-1 的升温速率升至220 ℃，保持3 min，再以10 ℃·min^-1 的升温速率升至230 ℃，保持3 min，总程序时间为34.67 min。

质谱仪条件：扫描方式为全扫描SCAN，扫描范围为35～300 amu，电子轰击源EI，离子源温度为230 ℃，传输线温度为260 ℃，离子化能量为70 eV，溶剂延迟为3 min，电子倍增电压与调谐电压一致。

吸附管老化条件：老化温度为300 ℃，老化时间为60 min，流量为0.8 L·min^-1。

2  结果与分析

按1.3中的试验条件对隧道内热拌和温拌摊铺机上采集的VOCs成分进行分析，得到总离子流色谱图，见图1、图2、图3和图4。

根据上述总离子流色谱图获得每种VOCs的特征离子和保留时间，确定各种VOCs的定量离子和扫描时间窗口，利用时间窗口内定量离子的峰面积通过外标法定量，得到两种隧道沥青路面施工技术沥青混合料释放的VOCs成分的质量浓度，见表1。

为了减少外界因素的干扰，将同一施工工艺下采集到的VOCs成分的质量浓度求均值，并添加上各种VOCs成分的沸点信息，得表2。

由表2中数据可知，两种工艺采集到的样品中所含VOCs种类是一样的，都是14种，分别是：1，1，2-三氯-1，2，2-三氟乙烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、苯、三氯乙烯、甲苯、1，1，2-三氯乙烷、四氯乙烯、乙苯、间，对-二甲苯、邻-二甲苯、苯乙烯和1，2，4-三甲基苯。但是VOCs各成分的质量浓度却有很大的差异。

总的来说，热拌摊铺机上采集到的各种VOCs成分都比温拌摊铺机上的质量浓度大，总量上前者是后者的1.61倍。这有力地说明了温拌沥青技术减少了VOCs的排放。温度是影响沥青VOCs释放量和组成的主要因素^[8-9]，随着温度的增加，沥青中VOCs的组分更加复杂且释放量逐渐增加。温度越高，黏度越小，表面张力越小，沥青中的轻质组分越易从内部扩散出气液界面进入到气相中^[10]。由于温拌沥青混合料技术可以在满足使用要求的前提下在较低温度条件下进行拌和，使得沥青黏度降低，因此可有效减少沥青在高温下释放VOCs的种类和释放量。

若以沸点为121.2 ℃的四氯乙烯为分界线，沸点高于此沸点的有机物为高沸点VOCs，低于此沸点的有机物为低沸点VOCs，大体可以看出，热拌摊铺机上采集到的高沸点VOCs比温拌摊铺机上的质量浓度大的程度较低沸点VOCs要高。热拌时隧道路面摊铺时路面温度约180 ℃左右，摊铺时温拌隧道路面温度约为160 ℃左右，低沸点VOCs在这两种工艺都可以挥发出来，而高沸点VOCs在热拌摊铺时可以挥发出来而在温拌摊铺时则不能完全挥发出来，因此呈现出上述规律。

二氯甲烷、三氯甲烷、1，1，2-三氯乙烷、乙苯、间，对-二甲苯、邻-二甲苯和1，2，4-三甲基苯这些VOCs在热拌工艺条件下的质量浓度都是温拌条件下的2倍以上，其中乙苯则达到了4.01倍，这说明温拌技术有利于抑制这些VOCs的挥发，因为它们的产生受温度影响比较大。据热力学定律可知温度能加快反应的进行，由此而知，温度对沥青VOCs的挥发也有促进作用^[11]。

在采集到的VOCs中，隧道热拌摊铺机上采集到的VOCs质量浓度最高的是三氯甲烷、甲苯和  间-二甲苯、对-二甲苯，对其VOCs总量的贡献率为47.50%;隧道温拌摊铺机上质量浓度最高的是甲苯、四氯乙烯和三氯甲烷，对其VOCs总量的贡献率为56.49%。

3  结论

1）隧道温拌沥青混合料技术比热拌技术产生更少的VOCs，热拌工艺采集到的各种VOCs成分都比温拌工艺的质量浓度大，总量上前者是后者的1.61倍。

2）二氯甲烷、三氯甲烷、1，1，2-三氯乙烷、乙苯、間-二甲苯、对-二甲苯、邻-二甲苯和1，2，4-三甲基苯这些VOCs的产生受温度影响比较大。

3）在采集到的VOCs中，隧道热拌摊铺机上采集到的VOCs质量浓度最高的是三氯甲烷、甲苯和间-二甲苯、对-二甲苯，对其VOCs总量的贡献率为47.50%;隧道温拌摊铺机上质量浓度最高的是甲苯、四氯乙烯和三氯甲烷，对其VOCs总量的贡献率为56.49%。

参考文献

[1]李雪峰. 隧道沥青路面面层材料研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2008.

[2]WU Z Z，ZHANG X L，WU M.Mitigating construction dust pollution： state of the art and the way forward[J].Journal of Cleaner Production，2016，112： 1658-1666.

[3]顾绍兴， 马骏， 安会勇. 沥青改性剂发展综述[J]. 当代化工， 2015，44 （6）：1344-1347.

[4]BAL C， EROL R A， MURAT B， et al. Occupational exposure to asphalt fume can cause oxidative DNA damage among road paving workers[J]. American Journal of Industrial Medicine， 2018， 61（6）：471-476.

[5]范成正. 沥青烟气组成及其抑制研究[D].中国石油大学，2015.

[6]叶伟， 杨波， 吴谨， 等. 基于隧道沥青路面温拌施工工艺产生沥青烟尘综合评价试验研究[J]. 安全与环境学报， 2018（4）： 1503-1508.

[7]郑建军， 周志恩， 张丹， 等. 隧道路面沥青摊铺过程空气中TSP和多环芳烃污染研究[J]. 环境监测管理与技术， 2010 （6）：43-45.

[8]GASTHAUER E， MAZ? M， MARCHAND J P， et al. Characteriza- tion of asphalt fume composition by GC/MS and effect of temperature[J]. Fuel， 2008， 87 （7）：1428-1434.

[9]JIN J， TAN Y Q， LIU R H， et al. Structure characteristics of organic bentonite and the effects on rheological and aging properties of asphalt[J]. Powder Technology， 2018， 329：107-114.

[10]李立平. 橡胶沥青VOCs的释放特性及抑制方法研究[D]. 武汉：武汉理工大学， 2017.

[11]余嫚. 沥青挥发性有机化合物（VOC）的释放及其对沥青性能的影响[D]. 武汉：武汉理工大学， 2012.

基金项目： S201东线田和至温泉段改建工程“绿色公路”课题研究项目，山东省重点研发计划项目（项目编号：2018GGX105001）。

收稿日期： 2020-03-30

作者简介：唐新端（1984-），男，山东省滕州市人，工程师， 2006年毕业于山东交通学院土木工程专业，研究方向：公路桥隧试验。

通讯作者：  冉德钦，E-mail：randeqin@126.com。