抑烟环保型沥青性能试验分析

孙吉书，王亚萍，王鹏飞，杨春风

(1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401；2.中铁十四局集团第二工程有限公司，泰安 271000)

0 引 言

传统的沥青混合料在高温(120～180 ℃)拌和、摊铺和压实的过程中，会释放大量的有害烟气[1-5]，这些成分不仅会使施工人员产生不适，降低施工效率，而且对环境构成很大威胁[6-7]。一旦在封闭的隧道环境中发生火灾，沥青作为可燃材料，会导致火势增大且在此过程中会产生大量的烟雾和有毒气体，逃生困难，且易导致人员伤亡[8]。为此，国内外许多学者相继开展了抑烟沥青技术的研究工作。赵可[9]建议降低沥青混合料的施工温度来减少沥青烟气的产生量，通过降黏技术降低施工温度可明显降低沥青烟气量。Thives等[10]通过试验发现，在较低温度下拌和的沥青不仅可以有效减少燃料的消耗，节约资源，同时能够减少有害气体的产生。Sasobit通过降低沥青的黏度以降低沥青拌和所需的温度，能显著提高沥青混合料的施工和易性，减少沥青烟气的排放，减少环境污染，在沥青的拌和过程中被广泛应用。宋金生[11]对加入Sasobit的沥青混合料与传统热拌沥青混合料的施工现场有害气体排放量进行对比得到，掺入Sasobit的沥青混合料在摊铺过程中沥青烟气的排放量降低了53.1%。郭殿军[12]通过在沥青中加入不同掺量的Sasobit后对其高温性能和低温性能进行评价得到，Sasobit会提升沥青的高温性能，但会对低温性能造成影响。除了通过降低沥青施工拌和温度来减少沥青烟气的产生，还可以通过在沥青中添加抑烟剂来抑制沥青轻组分的挥发，从而减轻沥青烟气对大气的污染。张红章等[13]通过对3种不同类型的纳米CaCO3在不同温度、不同掺配比例下的沥青烟气的减少量进行研究得到，纳米CaCO3具有较好的抑烟能力，当其掺量为沥青质量的4.5%时，能使沥青烟气减少率达到10%左右。杨仲尼等[14]试验发现，纳米CaCO3能提高沥青的高温抗车辙性能，对低温性能影响不大，可改善沥青的弹性恢复性能，降低不可恢复变形。

目前实现沥青抑烟的技术手段比较单一，仅通过在沥青中添加抑烟剂限制已产生的沥青烟气挥发到大气中，或采取降低拌和温度的手段从源头上减少沥青烟气的产生。本文为实现抑烟效果最大化，将温拌剂和抑烟剂进行复配，既从根本上减少了沥青烟气产生的总量，又对沥青烟气的挥发起到限制作用。依据现有的研究成果，选用Sasobit和纳米CaCO3作为添加剂，通过系统的试验，分析其对70#基质沥青的抑烟效果和性能的影响规律，并确定最佳掺量，为抑烟环保沥青的开发提供理论依据。

1 实 验

1.1 原材料

1.1.1 沥青

采用河北伦特石油化工有限公司生产的70#沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》(JTG E20—2011)测试基质沥青的基本性能，其基本技术指标如表1所示。

表1 70#沥青技术指标Table 1 Technical specifications of 70# asphalt

1.1.2 Sasobit

Sasobit是由德国Sasol-Wax公司研发的外观为白色球状的小颗粒。Sasobit是一种合成蜡，尺寸为2～3 mm，在较高的温度条件下变为液体溶解在沥青中起到润滑作用，来降低沥青的黏度使沥青混合料在较低的温度下也能获得良好的施工和易性，从而降低沥青混合料的拌和温度和压实温度。Sasobit温拌剂的技术性能如表2所示。

表2 Sasobit的技术性能Table 2 Technical performance of Sasobit

1.1.3 抑烟剂

选用纳米CaCO3作为抑烟剂，纳米CaCO3呈白色粉末状，粒度介于0.01～0.10 μm之间，是具有量子效应、小尺寸效应、表面效应、吸附作用等特性的纳米粉体材料。纳米CaCO3加入沥青之后，其巨大的表面吸附能对沥青轻质组分有强烈的吸附作用，减少了沥青受热过程中散发出的轻组分，使沥青烟气产生量降低。纳米CaCO3抑烟剂的技术性能如表3所示。

表3 纳米CaCO3的技术性能Table 3 Technical performance of nano-CaCO3

1.2 试验方法

1.2.1 材料掺量设计

Sasobit是通过降黏的方式，可在一定范围内降低施工温度，减少沥青烟气的产生；纳米CaCO3是通过吸附的方式，对沥青轻质组分产生强烈的吸附作用，减少沥青受热过程中散发出的轻组分，使沥青烟气产生量降低。乐金朝[15]、张怡[16]等在沥青中添加2%～4%(质量分数)的Sasobit，Sasobit在降低沥青高温黏度，减少资源消耗的同时，有效减少了沥青烟气的排放。孙仕伟[17]、张红章[18]等在沥青中添加4%～6%(质量分数)的纳米CaCO3，结果表明，添加剂掺量与抑烟效果呈正相关，随着纳米CaCO3掺量的增加，沥青产烟量减少。为了找出2种添加剂共同作用下对沥青的抑烟效果，试验选取Sasobit的掺量分别为沥青质量的0%、2%、3%、4%(质量分数，下同)，纳米CaCO3的掺量分别为沥青质量的0%、4%、5%、6%(质量分数，下同)。2种添加剂掺量的设计方案如表4所示。

表4 材料掺量设计方案Table 4 Material content design scheme

1.2.2 沥青烟气的测试方法

目前国内外尚没有制定关于沥青路面施工过程中产生沥青烟气的评价标准。为了找出沥青烟气排放量的测试方法和检测指标，分别采用了烘箱加热法、电磁炉加热法、紫外分光光度法3种方法测试了单位沥青的产烟量，试验结果表明：烘箱加热法测试得到的试验结果离散性很大，主要是烘箱内加热不均匀以及人为操作的影响；电磁炉加热法由人工控温，工作时间长，结果受人为因素影响较大；紫外分光光度法仅能表征某一个特定波长下的吸光值，试验结果只能代表沥青烟气中某一成分的浓度值，存在局限性。沥青烟气的收集不仅要控制加热温度还要控制加热时间，且沥青挥发量很小，沥青烟气收集难度大，本文通过参考国家环保局标准《固定污染源排气中沥青烟的测定 重量法》(HJ/T 45—1999)自制沥青烟气收集装置，对单位质量沥青的产烟量进行测定。烟气收集装置图如图1所示。

图1 烟气收集装置图Fig.1 Smoke receipt device diagram

烟气收集装置的工作原理是：电磁炉对盛有沥青的三颈烧瓶进行加热，温度传感器控制加热温度，搅拌器用来搅拌沥青使其均匀受热来提高试验的精确性；产生的沥青烟气通过气孔排放到装有固态干冰的冷却装置中，从沥青容器中排出的高温沥青烟气进入冷却装置内会迅速液化，被锥形瓶中的聚丙烯纤维棉吸附。由于试验精度要求较高，因此本文采用精度为0.1 mg的电子天平进行称重。通过比较装有聚丙烯纤维棉的锥形瓶在吸附沥青烟气前后的质量差来确定沥青烟气的质量。

2 抑烟沥青的抑烟规律及其配比试验

为了找出2种添加剂共同作用下对沥青的抑烟效果，本文进行了单掺和复配2种抑烟效果的对比试验，找出2种添加剂的抑烟规律及最佳的添加配比，从而得到最佳抑烟效果。表5和表6分别为单掺和复配对70#基质沥青的抑烟效果试验结果，图2为不同添加剂掺量时的抑烟效果。杨锡武等[19]通过试验得出，当加热温度为180 ℃，加热时间为4 h时，沥青产烟量最大，因此本文选择在加热温度为180 ℃，加热时间为4 h的条件下，探讨添加剂对沥青抑烟效果的影响。

表6 复配Sasobit、纳米CaCO3对70#基质沥青抑烟效果测试结果Table 6 Test results of smoke suppression effect of compound Sasobit and nano-CaCO3 on 70# matrix asphalt

由表5可知，单掺2种添加剂均对沥青烟气有一定的抑制效果，且2种添加剂与沥青混溶加热过程中无特殊现象产生。当Sasobit掺量小于3%时，纳米CaCO3掺量小于5%时，沥青烟气减少率提升较快。

由表6、图2可知：

(1)随着Sasobit和纳米CaCO3掺量的增加，沥青产烟量减少，复配后的产烟量明显低于单掺时的产烟量，说明复配添加Sasobit和纳米CaCO3的效果比单掺时好，对抑烟效果具有叠加效应。

(2)当Sasobit的掺量为4%，纳米CaCO3的掺量为6%时，沥青的烟气减少率达到最大，抑烟率达到12.49%。

(3)合理的添加剂添加比例不仅要使抑烟量达到最大化，还要考虑添加剂的加入是否会对沥青的性能造成影响，并且也需要对经济性进行分析。从表6可知，随着Sasobit和纳米CaCO3掺配比例的增加，沥青烟气减少率逐渐趋于稳定。从抑烟效果和经济效益两个方面综合考虑，建议Sasobit的掺量为2%～3%，纳米CaCO3的掺量为5%～6%。

3 抑烟沥青性能研究

3.1 常规性能

依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)，采用针入度、软化点、延度对沥青的常规性能进行评价。表7为添加不同比例Sasobit和纳米CaCO3后沥青的三大指标测试结果。

由表7可知：

表7 添加不同比例Sasobit和纳米CaCO3后沥青的三大指标测试结果Table 7 Test results of three indicators of asphalts with different ratios of Sasobit and nano-CaCO3

(1)在沥青中单掺纳米CaCO3，随着掺量的增加，沥青的针入度逐渐降低，这说明纳米CaCO3能提高沥青的稠度，且随着纳米CaCO3掺量的增加其稠度随之增大。纳米CaCO3对软化点的影响较小，延度随纳米CaCO3掺量的增加先减小后增大，总体来说，加入纳米CaCO3后，相比于70#基质沥青延度有所降低，这说明纳米CaCO3掺量的增加会降低沥青的低温性能，但降低程度较小。

(2)在沥青中单掺Sasobit，随着掺量的增加，沥青针入度减小，抗变形能力有所增强。软化点随着掺量的增加而增大，这是由于Sasobit在沥青中会形成网状晶格结构，能够增强沥青的稳定性，从而提高沥青的高温稳定性。延度随着掺量的增加而降低，这是由于Sasobit是一种合成蜡，加入到沥青中会使沥青变脆，从而使沥青的低温延伸性能降低。

(3)纳米CaCO3和Sasobit复配掺入到沥青中，可以提高沥青的软化点，使高温稳定性明显提升，降低沥青的针入度，增加沥青的稠度，不会对沥青的性能造成不利的影响。考虑到纳米CaCO3和Sasobit复配在抑烟性能和沥青性能方面都达到较好的效果，同时考虑经济效益，建议纳米CaCO3的掺量为5%，Sasobit的掺量为3%，此时的抑烟率可以达到12%。

3.2 高温性能

为分析添加剂对70#基质沥青高温流变性能的影响，在最佳掺量下分别对70#基质沥青、Sasobit改性沥青、纳米CaCO3改性沥青以及纳米CaCO3+Sasobit改性沥青进行针入度、软化点测试，并在不同温度下进行动态剪切流变试验(dynamic shear rheological test, DSR)，以车辙因子(车辙因子小于1失效)、针入度和软化点指标来评价4种沥青的高温稳定性，结果如图3、图4所示。

由图3、图4可知：

图3 4种沥青的针入度和软化点Fig.3 Penetration and softening points of four kinds of asphalt

图4 4种沥青在不同温度下的车辙因子Fig.4 Rut factors of four kinds of asphalt at different temperatures

(1)在相同温度下，Sasobit和纳米CaCO3的加入会使沥青车辙因子增加，这说明Sasobit和纳米CaCO3能够提高70#基质沥青的抗高温变形能力，且Sasobit提升抗高温变形的能力优于纳米CaCO3，这是由于Sasobit在沥青中会形成网状晶格结构，使沥青不易产生变形。但是，Sasobit也明显增强了沥青高温性能的敏感程度，温度由58 ℃上升到64 ℃时，其车辙因子下降49.3%。

(2)纳米CaCO3+Sasobit改性沥青相比于Sasobit改性沥青的车辙因子有所降低，这说明纳米CaCO3和Sasobit会产生拮抗作用，纳米CaCO3对Sasobit改性沥青的高温性能产生不利影响，但影响较小，在70 ℃条件下的车辙因子表现得较为突出。加入纳米CaCO3后，沥青针入度上升9.7%，软化点降低38.0%，70 ℃下的车辙因子下降20.7%。

3.3 低温性能

为分析添加剂对70#基质沥青低温流变性能的影响，在最佳掺量下分别对70#基质沥青、Sasobit改性沥青、纳米CaCO3改性沥青以及纳米CaCO3+Sasobit改性沥青进行弯曲梁流变试验(bending beam rheological test, BBR)，来评价4种沥青的低温性能，结果如图5、图6所示。

图5 4种沥青不同温度下的蠕变劲度模量Fig.5 Creep stiffness modulus of four kinds of asphalt at different temperatures

图6 4种沥青不同温度下的蠕变速率Fig.6 Creep rates of four kinds of asphalt at different temperatures

劲度模量S为一定温度和时间作用下应力与应变的比值，其值越大，表示沥青脆性特征越明显，低温条件下越容易开裂。蠕变速率m表示蠕变-时间曲线上某一点切线的斜率，其值越大，表示温度下降时沥青的应力松弛能力越好，降低了低温开裂的可能性。

由图5、图6可知：

(1)Sasobit和纳米CaCO3都会对70#基质沥青低温性能产生不利影响，会提高其S值，降低m值。这说明Sasobit和纳米CaCO3的加入会使70#基质沥青硬度增加，脆性增加，使其低温抗开裂性能降低。

(2)Sasobit对沥青低温性能的负面影响明显高于纳米CaCO3，这是由于Sasobit是一种合成蜡，加入到沥青中会使沥青的脆性增加，试验结果与延度试验结果一致。

3.4 降黏性能

由于Sasobit的温拌机理为降黏，因此通过黏度试验来评价其温拌效果，本文在95 ℃、115 ℃、135 ℃、155 ℃、175 ℃五个不同水平温度下进行了70#基质沥青、Sasobit改性沥青、纳米CaCO3改性沥青以及纳米CaCO3+Sasobit改性沥青4种沥青的布氏旋转黏度试验，结果如图7所示。

图7 4种沥青在不同温度下的黏度Fig.7 Viscosities of four kinds of asphalt at different temperatures

由图7可知：

(1)随着温度的升高，4种沥青的黏度逐渐降低。当温度高于115 ℃时，Sasobit改性沥青的黏度下降速率明显高于其他3种沥青，这是由于Sasobit熔点为115 ℃左右，当温度低于其熔点时具有增黏作用，抗变形能力增强，温度高于115 ℃具有降黏作用，使沥青混合料在摊铺、拌和过程中和易性得到提高。

(2)Sasobit对基质沥青有良好的温拌效果，纳米CaCO3对其影响不大。以70#基质沥青混合料在拌和温度170 ℃时对应的黏度作为适宜拌和黏度，以此为基准，可得到温拌沥青以及温拌抑烟沥青的等黏温度分别为150 ℃和155 ℃，能有效降低沥青混合料拌和温度20 ℃左右。

3.5 储存稳定性能

改性剂与基质沥青的相容性决定了改性沥青的储存稳定性。现行规范采用软化点来测定改性沥青的离析性，以评价改性剂与基质沥青的相容性。在最佳掺量下分别将70#基质沥青、Sasobit改性沥青、纳米CaCO3改性沥青以及纳米CaCO3+Sasobit改性沥青置于盛样管，放入(163±5) ℃的烘箱中，静放(48±1) h。加热结束后，取出放入冰箱冷柜中，保持铝管在竖直状态下不小于4 h。将固化的沥青试样截成3段，取顶部和底部各1/3沥青试样进行软化点测试，进行2次试验，取平均值，并计算顶部和底部软化点的差值，结果如表8所示。

表8 4种沥青储存稳定性试验结果Table 8 Storage stability test results of four kinds of asphalt

由表8可知，以软化点差值作为评判指标，Sasobit和纳米CaCO3加入到沥青中，使沥青的软化点差值均有所增加，其中，Sasobit的影响相对较小，纳米CaCO3的影响相对较大，但4种沥青的储存稳定性均满足软化点差值小于2.5 ℃的规范要求，即Sasobit和纳米CaCO3与70#基质沥青的相容性较好，具有良好的储存稳定性。

4 结 论

(1)单掺Sasobit、纳米CaCO3对70#基质沥青都有较好的抑烟效果，2种添加剂掺量都与抑烟效果呈正相关，当Sasobit掺量小于3%，纳米CaCO3掺量小于5%时,沥青烟气减少率提高较快，当Sasobit掺量大于3%，纳米CaCO3掺量大于5%时,烟气减少率提高相对较慢。

(2)将Sasobit和纳米CaCO3复配后，两者会产生协同作用，复配后的改性沥青抑烟效果较单掺时明显增加，当Sasobit掺量为4%，CaCO3掺量为6%时，沥青烟气减少率达到12.49%。但为了使纳米CaCO3和Sasobit复配在抑烟性能、沥青性能方面都达到较好的效果，同时考虑经济性，建议纳米CaCO3的掺量为5%，Sasobit的掺量为3%，此时的抑烟率可以达到12%。

(3)单掺Sasobit能改善70#基质沥青的高温性能且对70#基质沥青有明显的温拌效果，可使拌和温度降低20 ℃左右，但是使其低温性能变差；单掺纳米CaCO3对70#基质沥青的高温性能影响不大，但是对其低温性能有不利影响；两者对70#基质沥青的储存稳定性均无影响。

(4)复配Sasobit和纳米CaCO3能明显改善70#基质沥青的高温稳定性，但会降低70#基质沥青的低温性能，且Sasobit比纳米CaCO3的影响大，复配对70#基质沥青的储存稳定性无影响，能与基质沥青形成均匀、稳定的共混体系。