高掺量硅藻土改性沥青VOCs释放特征及性能评价研究

车俊杰 刘沛荣

摘要：为研究高掺量硅藻土挥发性有机物（VOCs）释放特征和性能变化特征，文章采用不同掺量硅藻土制备硅藻土改性沥青，通过软化点试验、黏度试驗、气相色谱-质谱联用试验与流变试验对改性沥青的性能进行评价。结果表明：VOCs浓度随着硅藻土掺量的增加而减少；当硅藻土掺量为40%时，硅藻土改性沥青仍具有良好的储存稳定性；硅藻土用于改性沥青能够有效提升沥青黏度，改善沥青的高温稳定性，但对沥青的低温抗裂性能存在负面影响，因此建议用于南方湿热地区道路铺筑。

关键词：道路工程；沥青；硅藻土；沥青烟气；流变性能

中图分类号：U416.03 A 20 061 3

0 引言

沥青加热过程会向周围环境释放挥发性有机物（VOCs），而VOCs已被国际癌症研究机构列为可疑致癌物［1］。此外，VOCs能够与氮氧化物、碳氢化合物等在光照条件下发生光化学反应，生成光化学烟雾，对环境造成危害。随着沥青材料在基础设施建设中的大量应用，由沥青产生的VOCs不容忽视，有研究表明，城市范围内由沥青产生的二次气溶胶已超过机动车排放估值［2］，因此沥青VOCs减排研究有助于推动交通绿色发展。杨锡武等［3］研究表明SBS改性剂能够有效抑制沥青VOCs释放。肖月等［4］通过自行合成沸石有效抑制了沥青VOCs释放。硅藻土是由大量硅藻遗骸和软泥固结而成并经过长期地质作用形成的硅质沉积岩，广泛分布在我国华东和东北地区。硅藻土价格低廉，用于沥青改性具有施工简单的优势，近年来被广泛用于沥青改性。王叶丹等［5］探究了硅藻土改性沥青胶浆的力学性能与老化机理，结果表明硅藻土用于沥青改性时具有抗老化作用。郑南翔等［6］研究了硅藻土理化特性对沥青混合料性能的影响，结果表明沥青混合料的路用性能与硅藻土含量、二氧化硅含量、堆积密度与比表面积有关。现有研究主要关注硅藻土改性沥青与沥青混合料的工程性能，随着人们环保意识的增加，有必要研究硅藻土改性沥青的环境特征。

本文研究了硅藻土改性沥青的VOCs释放特性与高低温性能。选取不同掺量硅藻土用于改性沥青，通过室内试验对改性沥青的储存稳定性、黏度特征、VOCs释放特性与高低温性能进行研究。研究结果可为硅藻土改性沥青在道路工程中的推广应用提供技术支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 基质沥青

试验所用沥青为广东茂名石化的70#基质沥青，主要技术指标参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）［7］（以下简称《试验规程》），结果如表1所示。

1.1.2 硅藻土

试验所用硅藻土产自吉林省长白矿区，外观呈灰白色粉末。如表2所示为硅藻土技术指标。

1.2 改性沥青制备

本研究中的硅藻土改性沥青采用湿法工艺制备得到。将70#基质沥青加热至140 ℃，选取不同质量的硅藻土加入至基质沥青中（硅藻土含量分别为基质沥青质量的10%、20%、30%、40%），使用高速剪切机将硅藻土-沥青混合料快速剪切1 h，剪切温度为160 ℃、转速为4 000转。

1.3 试验方法

1.3.1 基本性能试验

针入度、软化点测试方法参照《试验规程》。

1.3.2 GC-MS

本研究采用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）量化不同沥青VOCs释放特征［8］。测试期间，GC分析的初始温度为40 ℃并保持2 min；然后将温度升高至120 ℃并保持4 min，升温速率为5 ℃/min；最终温度升高至220 ℃并保持18 min，升温速率为10 ℃/min。质谱分析中离子源为EI（电子轰击电离）源，电子能为70 eV，扫描方式为全扫描，质量为45～300 u。

1.3.3 高低温性能评价

采用动态剪切流变仪（DSR）与弯曲蠕变劲度试验（BBR）评价硅藻土改性沥青的高低温性能。动态剪切流变试验采用温度扫描模式，试验参数设置中应变数值为12%，角频率为10 rad/s，平行板间距为1 mm。弯曲蠕变劲度试验测试温度分别为-12 ℃、-18 ℃，温度控制在试验温度±0.1 ℃范围内。

高掺量硅藻土改性沥青VOCs释放特征及性能评价研究/车俊杰，刘沛荣

2 结果与讨论

2.1 基本性能

2.1.1 储存稳定性

聚合物改性沥青的高温储存稳定性关乎后期沥青路面施工质量。本文参考《试验规程》中T0661规定，对改性沥青的储存稳定性进行评价。将硅藻土改性沥青试样置于铝管中密封，并在烘箱中静置48 h，烘箱温度为160 ℃。静置完成后测试铝管顶部与底部沥青试样的软化点，以铝管顶部与底部沥青试样的软化点差值判断硅藻土改性沥青的储存稳定性。如图1所示为不同硅藻土掺量改性沥青的软化点差值变化趋势，结果表明，随着硅藻土掺量的增加，软化点差值逐渐增大，当然硅藻土掺量为40%时，软化点差异达到最大值2.4 ℃。由于不同硅藻土掺量的改性沥青软化点差值均＜2.5 ℃，符合规范要求，表明高掺量硅藻土改性沥青具备良好的储存稳定性。

2.1.2 黏度

布氏黏度用来表征沥青的粘滞程度，布氏黏度值越大，表明沥青抵抗流动的能力越强。本文通过测试不同硅藻土改性沥青135 ℃下的布氏黏度值对沥青的粘滞特性评价。如图2所示为不同硅藻土改性沥青的布氏黏度变化特征。观察图2可知，不同沥青的布氏黏度值按硅藻土掺量从大到小依次为40%＞30%＞20%＞10%＞0，硅藻土改性沥青的布氏黏度值大于基质沥青，表明采用硅藻土改性沥青能够提升沥青的黏度。随着硅藻土掺量的增加，布氏黏度值逐渐增大，表明硅藻土能够改善沥青的抵抗流动变形的能力。

2.2 沥青VOCs释放特征

根据VOCs中不同组分官能团结构特征，将其分为脂肪烃（ALH）、芳香烃（ARH）、烃类衍生物（HYD）和其他挥发性有机物（OTH），以上4种挥发性有机物浓度的总和为VOCs浓度［9］。不同掺量硅藻土改性沥青的VOCs浓度特征如图3所示。结果表明，VOCs浓度随着硅藻土掺量的增加而减少。当硅藻土掺量从0增加至10%、20%、30%和40%时，沥青VOCs的释放量分别降低11.83%、17.90%、22.95%与27.09%，采用硅藻土改性沥青能够显著降低沥青VOCs释放量。这是由于硅藻土具有多孔结构，对沥青VOCs具有吸附作用。因此，采用硅藻土改性沥青能够降低VOCs对人体健康与环境的危害性。此外，不同VOCs组分随硅藻土掺量变化特征不同。由图3可知，硅藻土降低VOCs释放量主要通过抑制ALH与HYD释放量。当硅藻土掺量从0增加至10%、20%、30%和40%时，ALH释放量分别降低11.64%、18.00%、18.55%与21.45%，HYD释放量分别降低9.80%、15.49%、27.54%与30.79%。

2.3 沥青流变性能

2.3.1 高温流变性能

车辙因子是用来评估沥青高温性能重要参数之一。相同温度下，车辙因子值越大，表明抗高温车辙能力越好［10］。如图4所示为不同硅藻土改性沥青在不同温度下的车辙因子变化特征。由图4分析可知，相同温度下硅藻土改性沥青的车辙因子均大于基质沥青，表明采用硅藻土改性沥青能够明显改善基质沥青的高温性能。随着硅藻土掺量的逐渐增加，车辙因子增加幅度逐渐变小。此外，硅藻土改性沥青的车辙因子随着温度的升高而逐渐降低，这表明硅藻土改性沥青的抗车辙性能逐渐下降。

2.3.2 低温流变性能

通过BBR试验测试不同掺量硅藻土改性沥青在-12 ℃与-18 ℃的蠕变劲度与蠕变速率，其中S值越小，m值越大，表明沥青的低温抗裂性能更好［11］。试验结果如图5所示。分析图5表明，在-12 ℃、-18 ℃试验温度下，随着硅藻土掺量的增加，沥青的蠕变劲度S逐渐增大，蠕变速率m逐渐减小。这表明与基质沥青相比，硅藻土改性沥青的低温抗裂性能下降。这主要是由于硅藻土具有多孔结构，对沥青中芳香分与饱和分具有吸附作用［12］，一定程度上降低了沥青的流动性，改性得到的沥青更为粘稠，从而导致沥青应力松弛性能降低，对沥青的低温性能不利。考虑到硅藻土改性沥青的低温性能较差，因此建议大掺量硅藻土改性沥青更适合用于南方湿热地区。

3 结语

（1）硅藻土改性沥青的软化点差值与布氏黏度值随硅藻土掺量的增加而增大，当硅藻土掺量为40%时其储存稳定性仍满足规范要求。

（2）硅藻土能够有效降低沥青VOCs释放量。沥青VOCs中不同化合物组分受硅藻土影响不同，硅藻土主要通过抑制ALH与HYD化合物进而降低VOCs释放率，硅藻土对ARH与OTH化合物释放影响较弱。

（3）采用硅藻土改性沥青能够有效提升沥青的高温抗车辙能力，损害沥青的低温性能。综合考虑硅藻土改性沥青的高低温性能，建议其用于南方湿热地区道路铺筑。

参考文献

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收稿日期：2023-07-17