摻加電氣石粉瀝青的抑煙效果及其瀝青混合料產煙預估模型

李 萍,陳修樂,王 盟,念騰飛,丁 攀

(1. 蘭州理工大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730050;2. 甘肅省蘭州公路事業發展中心,甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

瀝青作為瀝青混合料的主要原材料之一,在高溫施工過程中會釋放大量煙氣,瀝青煙不僅會造成環境污染,還對周圍工作人員健康造成威脅[1]。長期接觸瀝青煙氣會導致多種不適,甚至瀝青煙氣會產生遺傳毒性作用,對人體心血管系統也有較大影響,誘發瘀癥和導致基因突變、癌變[2]。從源頭上解決瀝青煙大量排放問題是現研究的有效方法,研究表明電氣石粉加入瀝青中[3-4],能夠有效抑制瀝青煙的釋放。

電氣石具有穩定的化學結構和優異的電化學性能,被廣泛應用于多領域[5]。在道路工程領域中,許新權等[6]采用動態剪切流變試驗(DSR)及低溫彎曲梁試驗(BBR)評價改性瀝青的高低溫性能,結果表明,當電氣石粉摻量為16%時,高溫穩定性比原樣瀝青提高24%,低溫抗裂性提高了19%;王朝輝等[7-8]發現電氣石粉加入瀝青中,不影響其壓、熱電性能,且其在拌和瀝青及其混合料的過程中,具有顯著的減排效果,并對瀝青混合料的路用性能具有較好的提升作用;喬志等[9]分析了電氣石復合材料對瀝青煙的吸附效果,結果表明其具有較好的吸附性;X.ZHANG等[10]探究了電氣石粉在環境改善方面的影響,結果表明,瀝青中添加電氣石粉后,VOC排放量減少至50%。

基于上述分析,現有研究主要集中于分析電氣石粉對瀝青及混合料性能的影響,針對瀝青煙輕及試驗精度易受影響等特性進行瀝青煙生成富集裝置的設計的研究較少,且已有研究選取的電氣石粉粒徑及摻量范圍較小;尤其是缺少路面攤鋪過程中對瀝青混合料產煙量的預測。鑒于此,筆者選取5種粒徑及5種摻量的電氣石粉,采用自研裝置對其加入瀝青后的抑煙效果進行評價,并建立了基于集料比表面積理論-面積折減法的瀝青混合料產煙率模型,對AC-13、OGFC-13、SMA-13級配混合料進行產煙試驗,為預測攤鋪瀝青混合料過程中的瀝青產煙提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 瀝 青

本試驗選用韓國SK-90為基質瀝青,根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》,對其基本性能指標進行測試,結果見表1,其中各項指標均滿足規范。

表1 SK-90瀝青基本性能

1.1.2 礦粉及集料

本試驗選用的粗細集料均為甘肅省定西市臨洮料場所生產的玄武巖,礦粉為玄武巖礦粉,參考JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》對礦粉進行密度、親水系數、含水率等技術性能進行檢測,結果見表2,對粗、細集料的密度、吸水率、壓碎值等技術指標進行檢測,試驗結果見表3,其中各指標性能均符合規范要求。

表2 礦粉技術指標

表3 集料技術指標

1.1.3 電氣石粉

本試驗采用產自新疆阿勒泰的電氣石粉,最大粒徑(簡稱粒徑)分別為44.0、15.0、10.0、6.5、2.6 μm。其中電氣石粉為黑色粉末且不溶于水,耐弱酸及弱堿,其化學組成見表4。

表4 電氣石粉化學組成

1.2 電氣石瀝青的制備

電氣石粉作為一種外摻劑,將其加入到基質瀝青中,可靠性的制備工藝對瀝青性能起關鍵作用,經過預制備試驗并擇優選擇,具體制備流程如下:將基質瀝青預熱至140 ℃,置于電熱爐上并向其中添加不同粒徑及摻量的電氣石粉(摻量分別為基質瀝青質量的10%、12%、14%、16%、18%),此過程不停攪拌使其預混;待溫度升至160 ℃后,將其移至可控溫電熱爐上,使用高速剪切儀進行攪拌,該過程溫度恒定為160 ℃。高速剪切儀的初始轉速設置為1 000 r/min,5 min后升至4 500 r/min持續35～40 min,待電氣石粉與基質瀝青達到混溶狀態,再將轉速降至1 000 r/min持續10 min,此過程利于氣泡的排出。

1.3 試驗方法

為研究不同粒徑及摻量電氣石粉對瀝青常規性能的影響,按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行針入度、軟化點、延度及黏度的測試。瀝青及瀝青混合料產煙試驗是主要試驗。

1.3.1 瀝青產煙試驗

采用自制瀝青煙生成富集裝置對已制的電氣石瀝青進行抑煙效果評價,該裝置按照圖1連接方式進行組裝,試驗所采用的濾管試驗前后均需置于60 ℃烘箱內30 min,以消除水分因素對試驗造成的影響。本試驗稱重均使用精度為0.1 mg的電子天平,涉及濾管操作的各步驟均帶一次性試驗手套完成。

圖1 瀝青煙生成富集裝置Fig. 1 Asphalt fume production and enrichment device

瀝青煙主要由可被致密纖維過濾材料富集的重組分與可被有機溶液吸收的輕組分構成,而較大危害性的多環芳烴類有機物重組分占瀝青煙總質量的99%以上,因此,通過定量研究瀝青煙氣重組分即可描述出瀝青煙產量的變化規律。此外,為確保瀝青煙氣的有效富集,對瀝青煙富集效率的濾膜層數、濾速和濾管數量等因素進行大量預試驗,得出3層聚丙烯纖維在最佳濾速條件下對0.1～10 μm顆粒狀物質吸附效率可達80%～90%,且靠近富集口的U1濾管收集量占收集總量的99%以上,故可以忽略收集過程中流向后側玻璃管的組分損失量對試驗結果的影響。

選取100 g瀝青樣品進行試驗,基于課題組已得出的成果[11],已對溫度為140、145、150、155、160、165、170 ℃,氣流速度為2、4、6、8、10 L/min,暴露面積為57.7、85.6、132.7、201.1 cm2,加熱時間為30、60、90、120、150 min時,進行瀝青產煙試驗,其中,選用不同底面積的錐形瓶用以模擬不同暴露面積下的瀝青產煙環境,將錐形瓶的底面積作為暴露面積。結果表明溫度為165 ℃、氣流速度為6 L/min、暴露面積為201.1 cm2、加熱時間為120 min時較為合理。

1.3.2 瀝青混合料產煙試驗

本試驗使用瀝青混合料攪拌鍋改裝而成的瀝青混合料煙氣生成富集裝置,富集裝置仍采用圖1所用濾膜系統。根據瀝青混合料現場攤鋪溫度范圍為140～170 ℃,試驗溫度分別選取為140、150、160、170 ℃,試驗時間為30 min。試驗前將粗細集料水洗干凈,并烘干后備用,此外,為避免細粒徑集料、礦粉攪拌過程揚塵現象對試驗結果的影響,在瀝青混合料整體拌和前將粒徑小于0.15 mm的集料、礦粉加入盛有瀝青的容器中,充分攪拌制作成瀝青膠漿,以備后續試驗使用。每個溫度條件進行3組平行試驗,煙氣質量取平均值。

1.4 松散狀態下瀝青混合料產煙率模型

暴露面積和加熱溫度為影響瀝青混合料產煙量的關鍵因素,溫度由瀝青混合料實際發煙溫度確定,暴露面積與瀝青混合料比表面積關系密切。

1.4.1 瀝青混合料比表面積計算方法

JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》規定了密級配及OGFC瀝青混合料計算集料比表面積的方法。

1) 密級配瀝青混合料

美國瀝青協會(asphalt institute,AI)引用維姆法進行比表面積計算。假設所有集料均為松散狀態下的等粒徑球形顆粒,集料經驗表面積系數見表5。

表5 密級配瀝青混合料中通過各篩孔材料的表面積系數

JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》引用了該方法,密級配混合料集料比表面積S為:

S=∑(Pi×Fi)×0.01

(1)

式中:S為集料的比表面積,m2/kg;Pi為對應篩孔粒徑通過百分率,%;Fi為對應粒徑的表面積系數,m2/kg,其中粒徑大于4.750 mm的集料表面積系數均歸為0.41 m2/kg,且以最大粒徑通過率為準,僅計算一次,其它粒徑Fi數值見表5。

2) OGFC瀝青混合料

OGFC瀝青混合料集料比表面積S的計算公式為:

S=[2+∑(Pi×Fi)]×0.204 8

(2)

式中:各參數含義與式(1)相同,其中粒徑大于4.750 mm的集料表面積系數均歸為2.00 m2/kg,且以最大粒徑通過率為準,僅計算一次,其它粒徑Fi數值見表6。

表6 OGFC瀝青混合料中通過各篩孔材料的表面積系數

1.4.2 集料比表面積與暴露面積關系

集料比表面積計算理論認為,瀝青混合料中集料均為離散不接觸的球形顆粒見圖2;拌和均勻的松散瀝青混合料中,礦粉浸潤于瀝青中形成膠漿[12],細集料在瀝青黏附作用下與粗集料連接,此時瀝青混合料中暴露面積計算模型見圖3。

圖3 松散瀝青混合料暴露面積計算模型Fig. 3 Calculation model of exposed area of loose asphalt mixture

對比圖2和圖3可知,松散狀態下單位質量瀝青混合料,其暴露面積小于其集料比表面積,將該現象定義為面積折減,引入暴露面積折減系數αc,表示相同質量的瀝青混合料的暴露面積與其集料比表面積的比值,則松散狀態下單位質量瀝青混合料暴露面積的表達式為:

Se=αc×S

(3)

式中:Se為單位質量瀝青混合料的暴露面積,m2/kg;αc為暴露面積折減系數,且0<αc<1。

1.4.3 松散狀態瀝青混合料產煙率模型建立

對于攤鋪過程中處于松散狀態下的瀝青混合料,將其集料比表面積及產煙溫度代入課題組已得出的瀝青產煙率預測模型[13],見式(4),即得瀝青混合料中單位質量瀝青產煙率的表達式,見式(5):

(4)

(5)

式中:z為單位質量瀝青產煙率,m2·K6/(min·kg);x為瀝青產煙溫度,K;y為單位質量瀝青暴露面積,m2/kg;t為產煙時間,min;a,n分別為常數,其中1.6

瀝青路面攤鋪以瀝青混合料為主體,為將瀝青產煙率預測函數應用于實踐,需將產煙率以瀝青混合料質量為基準進行轉換,轉化關系為:

Mc×kc=Ma×k

(6)

式中:Mc為產煙混合料質量,kg;kc為單位質量瀝青混合料產煙率,m2·K6/(min·kg);Ma為產煙混合料中所含瀝青質量,kg。

瀝青混合料質量和其所含瀝青質量關系可通過油石比Pa進行關聯,關系式為:

(7)

聯立式(5)～式(7),可得單位質量瀝青混合料產煙率為:

(8)

將式(3)帶入式(8)進一步得到松散狀態下瀝青混合料產煙率預測模型為:

(9)

2 結果與討論

2.1 電氣石粉對瀝青常規性能影響分析

加入電氣石粉后瀝青的針入度、軟化點、延度及黏度的測試結果,如表7。

表7 電氣石瀝青的基本技術性能指標

由表7可知,在針入度方面,相同粒徑條件下,針入度隨著電氣石粉摻量的增加逐漸降低;相同摻量條件下,針入度隨著粒徑的減小,呈遞減趨勢。

軟化點隨著電氣石粉摻量的增加及粒徑的減小而升高,但這種升高趨勢并不明顯,這表明電氣石粉對瀝青的高溫性能具有提高作用,但提高能力有限。

10 ℃延度結果表明,電氣石粉對瀝青延度的影響規律顯著。相同粒徑條件下,隨著其摻量的增加,瀝青的延度呈先增后減的趨勢,表明在一定摻量范圍內電氣石粉對瀝青的延展性有較好的改善作用。相同摻量的條件下,隨著電氣石粉粒徑的減小,瀝青的延度呈先增大后減小的趨勢,其中當電氣石粉粒徑為10 μm時,延度值達到最大。

對于黏度方面,相同粒徑的條件下,瀝青的黏度隨著電氣石粉摻量的增加而逐漸變大。相同摻量的條件下,瀝青黏度隨著電氣石粉粒徑的減小而增大。

綜上所述,參照JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》中技術要求,以70#瀝青的技術指標為基準參考,可以確定粒徑為2.6～15 μm的電氣石粉在摻量10%～18%區間內(除摻量為10%的1 μm的電氣石粉外),加入瀝青中性能均滿足現行技術標準的規定。

2.2 電氣石粉的抑煙效果

通過自制瀝青煙生成富集裝置對SK-90瀝青及加入電氣石粉后的瀝青進行產煙試驗,每種瀝青皆進行3組平行試驗,取平均值為瀝青產煙量。由瀝青產煙量測試結果通過式(10)～式(12)聯立計算,得到不同電氣石粉加入瀝青后的抑煙率(圖4)。

圖4 電氣石粉的抑煙率Fig. 4 Fume suppression rate of tourmaline powder

(10)

Δmi=m2i-m1i

(11)

(12)

由圖4可知,相同電氣石粉摻量條件下,隨著粒徑減小,抑煙率逐漸增大;相同粒徑條件下,隨著其摻量的增加,瀝青煙的抑煙率亦逐漸增大。其中,粒徑為15 μm及10 μm的電氣石粉在摻量超過16%以后,摻量的變化率對抑煙率影響顯著,而其它粒徑電氣石粉的抑煙率隨其摻量增加平穩增長。

電氣石粉摻量越大及粒徑越小,其對抑制瀝青煙氣的釋放具有愈佳效果,原因在于電氣石粉具有吸附性[14],當瀝青在受熱過程中可以有效抑制瀝青煙氣的釋放。綜合性能及試驗材料消耗量的合理性,摻量為14%的10 μm電氣石粉加入瀝青中具有較好的技術性能及抑煙效果。

3 松散狀態瀝青混合料產煙預測

筆者針對瀝青混合料典型組成結構形態的密實懸浮結構、骨架空隙結構、密實骨架結構分別選取AC-13、OGFC-13、SMA-13級配類型進行瀝青混合料產煙量試驗,其相對應的級配如表8。

表8 各級配礦料組成

通過瀝青混合料拌鍋改造裝置,基于前文得出的具有較好性能及抑煙效果的14%的10 μm電氣石瀝青,并對混合料質量等比例換算為1 kg,進行3種級配瀝青混合料產煙試驗,每種級配進行3組試驗,將試驗實測結果代入松散狀態下瀝青混合料產煙率預測模型式(9)中進行擬合,結果見圖5。

圖5 瀝青混合料產煙回歸分析Fig. 5 Regression analysis of fume production of asphalt mixture

為進一步將預測模型與實際工況進行對照,首先忽略面積折減的影響,假設暴露面積折減系數αc為1,常數a取值為1.7,聯立式(1)、式(2)、式(9)計算得3種級配瀝青混合料產煙率計算值,然后將計算值與實測值擬合曲線進行對比見圖5,其中油石比取值由表8得到。

由圖5(a)可知,對于AC-13結構,當暴露面積折減系數取αc=0.858時,瀝青混合料實測產煙率擬合曲線與計算值數據點相關性最高,其中,擬合優度R2達到了0.969 31;由圖5(b)、圖5(c)可知,對于OGFC-13及SMA-13,當αc分別為0.855及0.976時,其與分別對應的計算值相關性最高。將3種級配類型對應的αc分別代入式(9),且分別聯立式(1)及式(2),可得密級配瀝青混合料的產煙率模型為:

(13)

OGFC瀝青混合料的產煙率模型為:

(14)

式中:αc取值為0.855～0.976。

由修正后的瀝青混合料產煙率模型式(13)、式(14)計算,得到瀝青混合料產煙率修正計算值見表9。

表9 瀝青混合料產煙率修正計算值

由表9可知,AC-13、OGFC-13、SMA-13瀝青混合料產煙率的修正計算值與試驗實測值的平均相對誤差分別為2.05%、3.62%、4.66%皆小于5%,進一步說明了該預測模型的有效性。

4 結 論

1)電氣石粉粒徑及摻量對針入度、延度影響顯著,隨著電氣石粉摻量增大及粒徑減小,瀝青的針入度逐漸降低,延度呈先增后減的趨勢,軟化點及黏度呈增大趨勢,但其增長率較小。

2)摻入電氣石粉的瀝青具有較好的抑煙效果,其中10 μm的電氣石粉,摻量為14%時瀝青的技術性能及抑煙效果最好。

3)筆者基于集料比表面積理論-面積折減法預測松散狀態下3種級配類型瀝青混合料產煙率,并與試驗結果驗證分析表明SMA-13級配類型混合料的產煙率最小,在后續研究中尚需根據其它理論驗證該預測模型的有效性。