綠色多功能改性瀝青的微觀機理與環境效益研究

【中圖分類號】：TU475.2 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）02-78-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.02.017

ResearchontheMicro-mechanismandEnvironmental Benefitsof Multifunctional Modified Asphalt

LI Hongliang，SHENKe

（Tianjin Municipal Engineering Designamp;Research InstituteCo.Ltd.，Tianjin3OO392，China）

【Abstract】：Aimingattheenvironmental problemsof asphalt materials intheconstructionofhighways，this paperinvestigates the microscopic characterization of the multifunctional asphalt modifier WAEMand its action mechanism in emission reduction，temperature reduction，air purification and flame retardancy.The microstructure and chemical stability of WAEM modified asphalt were analyzed by scanning electron microscopy （SEM）， Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR）and diferential scanning calorimetry（DSC）.Theresults showed that WAEM-modified asphalt reducethe harmful gas emissions during the mixing process；the modifier can reduce the pavement temperature by nearly5 ，and reduce the nitrous oxide gas emissions by 80% ， and has a 25% combustion time reduction effect.

【Key words】：multifunctional modified asphalt；highway；energy saving and emission reduction

綠色公路是綠色交通體系中的重要組成部分，是實現國家節能減排發展目標的重要手段[1]。路面結構采用的瀝青材料一般存在生產環節中污染空氣、運營過程造成環境溫度升高、發生事故后易燃并產生有害氣體等問題。因此，研發合理的改性瀝青材料，盡量減少上述問題的產生，是綠色公路建設中的重要目標之一[2]。本文根據減少環境污染、降低運營過程中路面及環境溫度、排水性強、阻燃等需求，考慮原料成本、生產成本及使用壽命等因素研發一種綠色多功能瀝青改性劑——WAEM。

1微觀結構

1.1 SEM分析

對摻加325目WAEM-1、325目WAEM-2和5000ionsWAEM-2三種不同類型的WAEM改性瀝青，進行掃描電鏡試驗以觀察對比其微觀表面的形狀和結構。見圖1-圖4。

圖中凸起的顆粒即為WAEM，可以看出WAEM顆粒能夠均勻地分散吸附在瀝青中，沒有出現明顯的結團現象，并且每個顆粒都被瀝青介質包裹。

1.2FTIR分析

主要對WAEM、基質瀝青及3種摻量的WAEM改性瀝青進行分析。采用韓國 基質瀝青，5000ionsWAEM-2改性瀝青的3種摻量分別為 8% 、 14% 和20% 。與純WAEM和基質瀝青相比，WAEM改性瀝青并未出現新的官能團振動譜帶，表明WAEM與瀝青并未形成新的共價鍵。見圖5。

1.3DSC分析

瀝青在不同溫度下吸（放）熱峰的大小，根據吸（放）熱峰的大小、位置可反映出瀝青在相態變化時能量吸收與加熱溫度的關系。分析4種瀝青的DSC曲線可以明顯的發現，基質瀝青隨著溫度的變化dQ/dt呈現曲折的變化趨勢，而3種WAEM改性瀝青的dQdt曲線隨著溫度的變化，呈現平緩的過度趨勢，這也說明WAEM可以改善瀝青的溫度敏感性。見圖6。

2相關機理

2.1拌和瀝青混凝土階段降溫及吸附機理

改性瀝青混凝土拌和過程中，產生較高的溫度及和大量的粉塵，此時因材料整體溫度及拌和作用，結合該材料自身物理特性，在該過程中會產生較多的電荷，該電荷具有較強的團聚和吸附能力，會大量吸附拌和過程中產生的微小粉塵顆粒。在后續路面施工過程中，材料溫度會有一定下降，造成WAEM改性劑內部在壓力和電荷的引導下，自身結構發生極化，吸附和熱效應會進一步得到增強。

2.2降低路面溫度機理

WAEM改性瀝青混凝土施工完成后，上述過程中電荷的聚集會造成能量的消耗和散失，分子間會形成靜電場，與周圍空氣中的水分接觸，靜電會將水分子 分解，消散能量，降低環境溫度，達到降低路面溫度的效果。而若繼續遭遇較高的環境溫度，將會導致改性劑材料內部一些利復雜的分子運動增強，多余的能量將會以電磁波輻射的方式放出，進一步降低路面溫度。另外，WAEM的熱電效應使其釋放紅外線，也可以散失部分熱量。

2.3凈化空氣機理

WAEM改性瀝青混凝土在壽命期內，路面行車產生大量汽車尾氣，當車輛通過時，行車荷載引起WAEM改性瀝青混凝土內部應力變化，WAEM發揮壓電性，釋放電荷、負離子、紅外線等；并且，當外界溫度發生變化時，溫度變化致使WAEM改性瀝青混凝土內部溫度應力變化，WAEM發揮熱電性能。WAEM釋放的負離子對汽車尾氣的某些成分具有凈化的功效，釋放的紅外線活化氮氧化合物并促使其降解，WAEM中的 成分具有光催化效果，促進HC分解。

WAEM改性瀝青路面在行車荷載作用下，極化效應增強，上述過程中，改性劑周圍的靜電場形成的靜電流，分解周圍的水分子，產生HO和 和空氣中的水分子、酸性氣體分子在電場的作用下生成負離子，大量消耗汽車尾氣中的 等。WAEM釋放的紅外線能夠活化一氧化氮，使其和HO發生化學反應從而降解；WAEM中的 ，具有光催化功效，促使HC與負離子發生作用而分解。

2.4阻燃抑煙機理

若WAEM改性瀝青混凝土發生燃燒，WAEM及其周圍的溫度在短時間內急劇升高，WEAM熱電性能的發揮與其溫度變化幅度呈正相關，故在燃燒過程中，WEAM改性瀝青的熱電性能瞬時強勢發揮，通過紅外線釋放部分熱量來降低WEAM及環境溫度，促進 分解吸收熱量，產生的負離子對部分燃燒產物進行吸附、團聚并裹覆在WEAM改性瀝青表面，最終達到阻燃抑煙功效。

改性劑材料溫度及極化變化后，對電荷的束縛作用下降，周圍會形成新的靜電場，對周圍環境及混合料中的各類粉塵顆粒產生相應的排斥作用，這些粉塵顆粒減少了瀝青與空氣的接觸面積而增加阻燃效果。另外，WEAM改性瀝青路面在燃燒時，極化效應增強，在WEAM表面存在的電場和電流，又會使水分子分解，繼續造成能量散失，通過減少燃燒源的熱量達到阻燃的功效。

2.5長期功效機理

WEAM改性瀝青材料功能特性隨時間推移是否衰減是WEAM改性瀝青材料推廣應用的關鍵。WEAM改性瀝青多功能的發揮主要依靠其自發極化特性、熱電性能、壓電性能和紅外線釋放性能，其中，壓、熱電性能和紅外線釋放性能又和WEAM的自發極化特性緊密相關。

WEAM發生自發極化后，WEAM晶體微觀結構的對稱性很低，晶體結構中每個晶胞內的正、負電荷的重心不重合，會出現非零的自發極化強度，所有晶胞自發極化形成的電矩沿極軸定向排列，因而在宏觀上表現出了極化強度和永久電矩，其中極化強度的排列使靠近極化矢量兩端的表面附近出現束縛電荷，當溫度改變或受到壓力時，極化強度發生變化，被束縛的電荷重新排列，電荷移動形成電流，表現為熱電效應和壓電效應，束縛電荷在遷移過程中，消耗溫度變化帶來的熱能以及壓力所造成的機械能；而WEAM釋放紅外線的功能亦與其電學性質相關，WEAM的基礎材料良好的壓電和熱電性能使其在溫度變化后，內部分子產生更劇烈的運動，進一步消散能量。

因此，WEAM材料的自發極化是其熱電性能、壓電性能和紅外線釋放性能的基礎，又由于WEAM材料晶體結構的特殊性，使得這種材料永久具有自發極化效應，而WEAM改性瀝青多功能的發揮，消耗的是溫度變化帶來的熱能和壓力造成的機械能，并未消耗WEAM材料本身的能量，所以，只要WEAM材料存在，自發極化效應就會發生，相應的其其他各項性能就可以得到發揮，宏觀上表現出來的就是WEAM改性瀝青長期具有多功能特性。

3結語

經天津某高速公路的應用實踐，WEAM改性瀝青具有良好的路用性能，有效改善瀝青的高溫穩定性、低溫流變性，使用壽命較長。在拌制瀝青混凝土的過程中，能有效減少有害氣體、有害粉塵的產生。采用該改性劑制備的瀝青混凝土，能在相同使用條件下，明顯降低瀝青路面的表面溫度，經試驗測定，降溫幅度接近 ；使路面具有較強的吸附性，有效減少運營過程中的汽車尾氣對大氣環境的污染，對其中一氧化氮類氣體減排比例可達 80% ；并具有明顯的阻燃效果。

參考文獻：

[1]孟祥濤.瀝青路面在綠色公路建設發展中的問題分析及應對措施[J].交通節能與環保，2021，17（1）：105-109.

[2]沈可，李洪亮.改擴建道路路面評估體系[J].城市道橋與防洪，2012，（6）：