掺加电气石粉沥青的抑烟效果及其沥青混合料产烟预估模型

李 萍,陈修乐,王 盟,念腾飞,丁 攀

(1. 兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730050;2. 甘肃省兰州公路事业发展中心,甘肃 兰州 730030)

0 引 言

沥青作为沥青混合料的主要原材料之一,在高温施工过程中会释放大量烟气,沥青烟不仅会造成环境污染,还对周围工作人员健康造成威胁[1]。长期接触沥青烟气会导致多种不适,甚至沥青烟气会产生遗传毒性作用,对人体心血管系统也有较大影响,诱发瘀症和导致基因突变、癌变[2]。从源头上解决沥青烟大量排放问题是现研究的有效方法,研究表明电气石粉加入沥青中[3-4],能够有效抑制沥青烟的释放。

电气石具有稳定的化学结构和优异的电化学性能,被广泛应用于多领域[5]。在道路工程领域中,许新权等[6]采用动态剪切流变试验(DSR)及低温弯曲梁试验(BBR)评价改性沥青的高低温性能,结果表明,当电气石粉掺量为16%时,高温稳定性比原样沥青提高24%,低温抗裂性提高了19%;王朝辉等[7-8]发现电气石粉加入沥青中,不影响其压、热电性能,且其在拌和沥青及其混合料的过程中,具有显著的减排效果,并对沥青混合料的路用性能具有较好的提升作用;乔志等[9]分析了电气石复合材料对沥青烟的吸附效果,结果表明其具有较好的吸附性;X.ZHANG等[10]探究了电气石粉在环境改善方面的影响,结果表明,沥青中添加电气石粉后,VOC排放量减少至50%。

基于上述分析,现有研究主要集中于分析电气石粉对沥青及混合料性能的影响,针对沥青烟轻及试验精度易受影响等特性进行沥青烟生成富集装置的设计的研究较少,且已有研究选取的电气石粉粒径及掺量范围较小;尤其是缺少路面摊铺过程中对沥青混合料产烟量的预测。鉴于此,笔者选取5种粒径及5种掺量的电气石粉,采用自研装置对其加入沥青后的抑烟效果进行评价,并建立了基于集料比表面积理论-面积折减法的沥青混合料产烟率模型,对AC-13、OGFC-13、SMA-13级配混合料进行产烟试验,为预测摊铺沥青混合料过程中的沥青产烟提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 沥 青

本试验选用韩国SK-90为基质沥青,根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》,对其基本性能指标进行测试,结果见表1,其中各项指标均满足规范。

表1 SK-90沥青基本性能

1.1.2 矿粉及集料

本试验选用的粗细集料均为甘肃省定西市临洮料场所生产的玄武岩,矿粉为玄武岩矿粉,参考JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》对矿粉进行密度、亲水系数、含水率等技术性能进行检测,结果见表2,对粗、细集料的密度、吸水率、压碎值等技术指标进行检测,试验结果见表3,其中各指标性能均符合规范要求。

表2 矿粉技术指标

表3 集料技术指标

1.1.3 电气石粉

本试验采用产自新疆阿勒泰的电气石粉,最大粒径(简称粒径)分别为44.0、15.0、10.0、6.5、2.6 μm。其中电气石粉为黑色粉末且不溶于水,耐弱酸及弱碱,其化学组成见表4。

表4 电气石粉化学组成

1.2 电气石沥青的制备

电气石粉作为一种外掺剂,将其加入到基质沥青中,可靠性的制备工艺对沥青性能起关键作用,经过预制备试验并择优选择,具体制备流程如下:将基质沥青预热至140 ℃,置于电热炉上并向其中添加不同粒径及掺量的电气石粉(掺量分别为基质沥青质量的10%、12%、14%、16%、18%),此过程不停搅拌使其预混;待温度升至160 ℃后,将其移至可控温电热炉上,使用高速剪切仪进行搅拌,该过程温度恒定为160 ℃。高速剪切仪的初始转速设置为1 000 r/min,5 min后升至4 500 r/min持续35～40 min,待电气石粉与基质沥青达到混溶状态,再将转速降至1 000 r/min持续10 min,此过程利于气泡的排出。

1.3 试验方法

为研究不同粒径及掺量电气石粉对沥青常规性能的影响,按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行针入度、软化点、延度及黏度的测试。沥青及沥青混合料产烟试验是主要试验。

1.3.1 沥青产烟试验

采用自制沥青烟生成富集装置对已制的电气石沥青进行抑烟效果评价,该装置按照图1连接方式进行组装,试验所采用的滤管试验前后均需置于60 ℃烘箱内30 min,以消除水分因素对试验造成的影响。本试验称重均使用精度为0.1 mg的电子天平,涉及滤管操作的各步骤均带一次性试验手套完成。

图1 沥青烟生成富集装置Fig. 1 Asphalt fume production and enrichment device

沥青烟主要由可被致密纤维过滤材料富集的重组分与可被有机溶液吸收的轻组分构成,而较大危害性的多环芳烃类有机物重组分占沥青烟总质量的99%以上,因此,通过定量研究沥青烟气重组分即可描述出沥青烟产量的变化规律。此外,为确保沥青烟气的有效富集,对沥青烟富集效率的滤膜层数、滤速和滤管数量等因素进行大量预试验,得出3层聚丙烯纤维在最佳滤速条件下对0.1～10 μm颗粒状物质吸附效率可达80%～90%,且靠近富集口的U1滤管收集量占收集总量的99%以上,故可以忽略收集过程中流向后侧玻璃管的组分损失量对试验结果的影响。

选取100 g沥青样品进行试验,基于课题组已得出的成果[11],已对温度为140、145、150、155、160、165、170 ℃,气流速度为2、4、6、8、10 L/min,暴露面积为57.7、85.6、132.7、201.1 cm2,加热时间为30、60、90、120、150 min时,进行沥青产烟试验,其中,选用不同底面积的锥形瓶用以模拟不同暴露面积下的沥青产烟环境,将锥形瓶的底面积作为暴露面积。结果表明温度为165 ℃、气流速度为6 L/min、暴露面积为201.1 cm2、加热时间为120 min时较为合理。

1.3.2 沥青混合料产烟试验

本试验使用沥青混合料搅拌锅改装而成的沥青混合料烟气生成富集装置,富集装置仍采用图1所用滤膜系统。根据沥青混合料现场摊铺温度范围为140～170 ℃,试验温度分别选取为140、150、160、170 ℃,试验时间为30 min。试验前将粗细集料水洗干净,并烘干后备用,此外,为避免细粒径集料、矿粉搅拌过程扬尘现象对试验结果的影响,在沥青混合料整体拌和前将粒径小于0.15 mm的集料、矿粉加入盛有沥青的容器中,充分搅拌制作成沥青胶浆,以备后续试验使用。每个温度条件进行3组平行试验,烟气质量取平均值。

1.4 松散状态下沥青混合料产烟率模型

暴露面积和加热温度为影响沥青混合料产烟量的关键因素,温度由沥青混合料实际发烟温度确定,暴露面积与沥青混合料比表面积关系密切。

1.4.1 沥青混合料比表面积计算方法

JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》规定了密级配及OGFC沥青混合料计算集料比表面积的方法。

1) 密级配沥青混合料

美国沥青协会(asphalt institute,AI)引用维姆法进行比表面积计算。假设所有集料均为松散状态下的等粒径球形颗粒,集料经验表面积系数见表5。

表5 密级配沥青混合料中通过各筛孔材料的表面积系数

JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》引用了该方法,密级配混合料集料比表面积S为:

S=∑(Pi×Fi)×0.01

(1)

式中:S为集料的比表面积,m2/kg;Pi为对应筛孔粒径通过百分率,%;Fi为对应粒径的表面积系数,m2/kg,其中粒径大于4.750 mm的集料表面积系数均归为0.41 m2/kg,且以最大粒径通过率为准,仅计算一次,其它粒径Fi数值见表5。

2) OGFC沥青混合料

OGFC沥青混合料集料比表面积S的计算公式为:

S=[2+∑(Pi×Fi)]×0.204 8

(2)

式中:各参数含义与式(1)相同,其中粒径大于4.750 mm的集料表面积系数均归为2.00 m2/kg,且以最大粒径通过率为准,仅计算一次,其它粒径Fi数值见表6。

表6 OGFC沥青混合料中通过各筛孔材料的表面积系数

1.4.2 集料比表面积与暴露面积关系

集料比表面积计算理论认为,沥青混合料中集料均为离散不接触的球形颗粒见图2;拌和均匀的松散沥青混合料中,矿粉浸润于沥青中形成胶浆[12],细集料在沥青黏附作用下与粗集料连接,此时沥青混合料中暴露面积计算模型见图3。

图3 松散沥青混合料暴露面积计算模型Fig. 3 Calculation model of exposed area of loose asphalt mixture

对比图2和图3可知,松散状态下单位质量沥青混合料,其暴露面积小于其集料比表面积,将该现象定义为面积折减,引入暴露面积折减系数αc,表示相同质量的沥青混合料的暴露面积与其集料比表面积的比值,则松散状态下单位质量沥青混合料暴露面积的表达式为:

Se=αc×S

(3)

式中:Se为单位质量沥青混合料的暴露面积,m2/kg;αc为暴露面积折减系数,且0<αc<1。

1.4.3 松散状态沥青混合料产烟率模型建立

对于摊铺过程中处于松散状态下的沥青混合料,将其集料比表面积及产烟温度代入课题组已得出的沥青产烟率预测模型[13],见式(4),即得沥青混合料中单位质量沥青产烟率的表达式,见式(5):

(4)

(5)

式中:z为单位质量沥青产烟率,m2·K6/(min·kg);x为沥青产烟温度,K;y为单位质量沥青暴露面积,m2/kg;t为产烟时间,min;a,n分别为常数,其中1.6

沥青路面摊铺以沥青混合料为主体,为将沥青产烟率预测函数应用于实践,需将产烟率以沥青混合料质量为基准进行转换,转化关系为:

Mc×kc=Ma×k

(6)

式中:Mc为产烟混合料质量,kg;kc为单位质量沥青混合料产烟率,m2·K6/(min·kg);Ma为产烟混合料中所含沥青质量,kg。

沥青混合料质量和其所含沥青质量关系可通过油石比Pa进行关联,关系式为:

(7)

联立式(5)～式(7),可得单位质量沥青混合料产烟率为:

(8)

将式(3)带入式(8)进一步得到松散状态下沥青混合料产烟率预测模型为:

(9)

2 结果与讨论

2.1 电气石粉对沥青常规性能影响分析

加入电气石粉后沥青的针入度、软化点、延度及黏度的测试结果,如表7。

表7 电气石沥青的基本技术性能指标

由表7可知,在针入度方面,相同粒径条件下,针入度随着电气石粉掺量的增加逐渐降低;相同掺量条件下,针入度随着粒径的减小,呈递减趋势。

软化点随着电气石粉掺量的增加及粒径的减小而升高,但这种升高趋势并不明显,这表明电气石粉对沥青的高温性能具有提高作用,但提高能力有限。

10 ℃延度结果表明,电气石粉对沥青延度的影响规律显著。相同粒径条件下,随着其掺量的增加,沥青的延度呈先增后减的趋势,表明在一定掺量范围内电气石粉对沥青的延展性有较好的改善作用。相同掺量的条件下,随着电气石粉粒径的减小,沥青的延度呈先增大后减小的趋势,其中当电气石粉粒径为10 μm时,延度值达到最大。

对于黏度方面,相同粒径的条件下,沥青的黏度随着电气石粉掺量的增加而逐渐变大。相同掺量的条件下,沥青黏度随着电气石粉粒径的减小而增大。

综上所述,参照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中技术要求,以70#沥青的技术指标为基准参考,可以确定粒径为2.6～15 μm的电气石粉在掺量10%～18%区间内(除掺量为10%的1 μm的电气石粉外),加入沥青中性能均满足现行技术标准的规定。

2.2 电气石粉的抑烟效果

通过自制沥青烟生成富集装置对SK-90沥青及加入电气石粉后的沥青进行产烟试验,每种沥青皆进行3组平行试验,取平均值为沥青产烟量。由沥青产烟量测试结果通过式(10)～式(12)联立计算,得到不同电气石粉加入沥青后的抑烟率(图4)。

图4 电气石粉的抑烟率Fig. 4 Fume suppression rate of tourmaline powder

(10)

Δmi=m2i-m1i

(11)

(12)

由图4可知,相同电气石粉掺量条件下,随着粒径减小,抑烟率逐渐增大;相同粒径条件下,随着其掺量的增加,沥青烟的抑烟率亦逐渐增大。其中,粒径为15 μm及10 μm的电气石粉在掺量超过16%以后,掺量的变化率对抑烟率影响显著,而其它粒径电气石粉的抑烟率随其掺量增加平稳增长。

电气石粉掺量越大及粒径越小,其对抑制沥青烟气的释放具有愈佳效果,原因在于电气石粉具有吸附性[14],当沥青在受热过程中可以有效抑制沥青烟气的释放。综合性能及试验材料消耗量的合理性,掺量为14%的10 μm电气石粉加入沥青中具有较好的技术性能及抑烟效果。

3 松散状态沥青混合料产烟预测

笔者针对沥青混合料典型组成结构形态的密实悬浮结构、骨架空隙结构、密实骨架结构分别选取AC-13、OGFC-13、SMA-13级配类型进行沥青混合料产烟量试验,其相对应的级配如表8。

表8 各级配矿料组成

通过沥青混合料拌锅改造装置,基于前文得出的具有较好性能及抑烟效果的14%的10 μm电气石沥青,并对混合料质量等比例换算为1 kg,进行3种级配沥青混合料产烟试验,每种级配进行3组试验,将试验实测结果代入松散状态下沥青混合料产烟率预测模型式(9)中进行拟合,结果见图5。

图5 沥青混合料产烟回归分析Fig. 5 Regression analysis of fume production of asphalt mixture

为进一步将预测模型与实际工况进行对照,首先忽略面积折减的影响,假设暴露面积折减系数αc为1,常数a取值为1.7,联立式(1)、式(2)、式(9)计算得3种级配沥青混合料产烟率计算值,然后将计算值与实测值拟合曲线进行对比见图5,其中油石比取值由表8得到。

由图5(a)可知,对于AC-13结构,当暴露面积折减系数取αc=0.858时,沥青混合料实测产烟率拟合曲线与计算值数据点相关性最高,其中,拟合优度R2达到了0.969 31;由图5(b)、图5(c)可知,对于OGFC-13及SMA-13,当αc分别为0.855及0.976时,其与分别对应的计算值相关性最高。将3种级配类型对应的αc分别代入式(9),且分别联立式(1)及式(2),可得密级配沥青混合料的产烟率模型为:

(13)

OGFC沥青混合料的产烟率模型为:

(14)

式中:αc取值为0.855～0.976。

由修正后的沥青混合料产烟率模型式(13)、式(14)计算,得到沥青混合料产烟率修正计算值见表9。

表9 沥青混合料产烟率修正计算值

由表9可知,AC-13、OGFC-13、SMA-13沥青混合料产烟率的修正计算值与试验实测值的平均相对误差分别为2.05%、3.62%、4.66%皆小于5%,进一步说明了该预测模型的有效性。

4 结 论

1)电气石粉粒径及掺量对针入度、延度影响显著,随着电气石粉掺量增大及粒径减小,沥青的针入度逐渐降低,延度呈先增后减的趋势,软化点及黏度呈增大趋势,但其增长率较小。

2)掺入电气石粉的沥青具有较好的抑烟效果,其中10 μm的电气石粉,掺量为14%时沥青的技术性能及抑烟效果最好。

3)笔者基于集料比表面积理论-面积折减法预测松散状态下3种级配类型沥青混合料产烟率,并与试验结果验证分析表明SMA-13级配类型混合料的产烟率最小,在后续研究中尚需根据其它理论验证该预测模型的有效性。