基于隧道瀝青路面溫拌現(xiàn)場攤鋪釋放揮發(fā)性有機物（VOCs）GC-MS分析研究

唐新端　冉德欽　任廣軍　李軼然　劉飛　劉方韜

摘? ????要：為了實現(xiàn)對隧道內瀝青路面溫拌施工減少釋放揮發(fā)性有機物（VOCs）量化評價，依托山東省S201東線田和至溫泉段工程項目的陶家夼隧道和東夼隧道的瀝青路面鋪裝工程，比較了熱拌與溫拌施工工況下的隧道內VOCs的成分和質量濃度。結果表明：隧道溫拌瀝青混合料技術比熱拌技術產(chǎn)生更少的VOCs，熱拌工藝采集到的各種VOCs成分都比溫拌工藝的質量濃度大，總量上前者是后者的1.61倍。二氯甲烷、三氯甲烷、1，1，2-三氯乙烷、乙苯、間-二甲苯、對-二甲苯、鄰-二甲苯和1，2，4-三甲基苯這些VOCs的產(chǎn)生受溫度影響比較大。在采集到的VOCs中，隧道熱拌攤鋪機上采集到的VOCs質量濃度最高的是三氯甲烷、甲苯、間-二甲苯和????? 對-二甲苯，對其VOCs總量的貢獻率為47.50%;隧道溫拌攤鋪機上質量濃度最高的是甲苯、四氯乙烯和三氯甲烷，對其VOCs總量的貢獻率為56.49%。

關 鍵 詞：隧道;溫拌;瀝青混合料;揮發(fā)性有機物;GC-MS

中圖分類號：X513?????? 文獻標識碼： A????? ?文章編號： 1671-0460（2020）07-1460-04

Analysis of Volatile Organic Compounds （VOCs） Based on the Warm

Mixing Process of the Tunnel Asphalt Pavement by GC-MS

TANG Xin-duan1， RAN De-qin2， REN Guang-jun1， LI Yi-ran2， LIU Fei1， LIU Fang-tao2

（1. Weihai Road Development Center， Weihai 250102， China;?? 2. Shandong Transportation Institute， Jinan 250104， China）

Abstract： In order to realize the quantitative evaluation of reducing volatile organic compounds （VOCs） released by the warm mixing construction of asphalt pavement in the tunnel， based on the Taojiakuang tunnel and Dongkuang tunnel asphalt pavement engineering of Shandong province S201 east line Tianhe-Wenquan reconstruction project， the composition and mass concentrations of VOCs in the tunnel under the hot mixing and warm mixing construction conditions were compared. The results showed that warm mixing asphalt process produced less VOCs than hot mixing process， and the VOCs components collected by hot mixing process were higher than those of warm mixing process， the former was 1.61 times higher than the latter in total. The production of dichloromethane， trichloromethane， 1，1，2-trichloroethane， ethylbenzene， m-xylene， p-xylene， o-xylene and 1，2，4-trimethylbenzene in the VOCs was greatly affected by temperature. In the VOCs collected in the hot mixing process， the components with highest mass concentration were chloroform， toluene and m-xylene， p-xylene， with the contribution rate of 47.50%; In the VOCs collected in the warm mixing process， the components with highest mass concentration were toluene， tetrachloroethylene and trichloromethane， with the contribution rate of 56.49%.

Key words： Tunnel ; Warm mixing; Asphalt; VOCs; GC-MS

近年來，在新建隧道路面和隧道路面改造工程中，瀝青混凝土路面以無接縫、噪音小、平整性好、抗滑性強、行車平穩(wěn)、舒適性強、路面養(yǎng)護容易等優(yōu)點，正越來越多地運用到隧道路面鋪裝中^[1]。然而在隧道瀝青路面施工過程中，由于環(huán)境比較封閉，瀝青混合料溫度較高，導致隧道內施工現(xiàn)場瀝青煙霧彌漫^[2]，其中瀝青煙中的揮發(fā)性有機物（VOCs）容易污染環(huán)境，并給現(xiàn)場施工人員的身體健康帶來不可逆轉的傷害^[3-4]，這些問題一直束縛著它在隧道內的應用。溫拌瀝青混合料技術可以在滿足使用要求的前提下在較低溫度下對瀝青混合料進行拌和，使瀝青的黏度降低，可有效減少瀝青在高溫下釋放VOCs^[5]。

目前，關于隧道內溫拌瀝青混合料的環(huán)境與經(jīng)濟效益優(yōu)點的報道已有很多^[6-7]，但對于隧道內溫拌瀝青混合料減少VOCs排放、降低對大氣的污染和對施工人員身體健康的危害的研究較少。本文依托山東省S201東線田和至溫泉段改建威工程項目，在隧道瀝青面層施工現(xiàn)場分別對普通熱拌施工和溫拌施工下隧道內瀝青混合料攤鋪作業(yè)現(xiàn)場的VOCs分別進行了GC-MS對比分析，對溫拌瀝青在減少VOCs方面進行定量評價。

1? 實驗部分

1.1? 儀器及設備

Trace GCULTRA DSQⅡ型氣相色譜-質譜儀;熱脫附裝置：配置MARKES全自動熱脫附裝置，帶二級冷阱能對吸附采樣管進行二級熱脫附，并將脫附氣用載氣帶入氣相色譜，脫附溫度、脫附時間及流速可調，冷阱能實現(xiàn)快速升溫，冷阱采用電子制冷;氣體采樣泵ZR-3713;6 mm×150 mm Tenax 采樣管，Tenax管在使用前要經(jīng)過老化，吸附管老化裝置，配備Superlab吸附管老化儀SC-10，最高溫度可達到 400 ℃以上，總流量可調整范圍 0～1 000 mL·min^-1，最大升溫速率60 ℃·min^-1。

甲醇，色譜純;4-溴氟苯，質量濃度為???????? 2 000 mg·L^-1;35 種VOCs混合標準品含：1，1，2-三氯-1，2，2-三氟乙烷、1，1-二氯乙烯、氯丙烯、二氯甲烷、1，1-二氯乙烷、順式-1，2-二氯乙烯、三氯甲烷、1，1，1-三氯乙烷、四氯化碳、1，2-二氯乙烷、苯、三氯乙烯、1，2-二氯丙烷、順式-1，3-二氯丙烯、甲苯、反式-1，3-二氯丙烯、1，1，2-三氯乙烷、四氯乙烯、1，2-二溴乙烷、氯苯、乙苯、間，對-二甲苯、鄰-二甲苯、苯乙烯、1，1，2，2-四氯乙烷、4-乙基甲苯、1，3-二氯苯、1，4-二氯苯、芐基氯、1，2-二氯苯、1，2，4-三氯苯、六氯丁二烯、1，3，5-三甲基苯、1，2，4-三甲基苯，質量濃度均為2 000 mg·L^-1。

1.2? 樣品采集

在瀝青混合料正常攤鋪、壓實之前，將氣體采樣泵固定在熱拌或者溫拌瀝青的攤鋪機上，將Tenax吸附管與采樣泵管路正常連接后，將吸附管的進氣口固定在攤鋪機或者壓路機上，進氣口方向對準瀝青混合料或路面，采樣器流量設置為???? 100 mL·min^-1，采樣時間設為20 min，在路面正常攤鋪作業(yè)過程中進行采樣，采樣工況體積為2 L。

1.3? 采樣條件

采樣時的溫度20 ℃，氣壓為101 kPa，熱拌和溫拌瀝青混合料施工時的采樣條件基本一致。熱拌時路面攤鋪時路面溫度約180 ℃左右，采樣位置為陶家夼隧道。攤鋪時溫拌路面溫度約為160 ℃左右，采樣位置為東夼隧道。兩個新建隧道的路面結構均為4 cm SBS改性瀝青瑪蹄脂碎石（SMA-13）+?? 6 cm中粒式SBS改性瀝青混凝土（AC-20）+26 cm水泥混凝土+20 cm水泥穩(wěn)定碎石。

1.4? 分析條件

熱脫附條件：吸附管初始溫度為室溫，聚焦冷阱初始溫度為室溫，干吹流量為40 mL·min^-1，干吹時間為2 min，吸附管脫附溫度為300 ℃，吸附采樣管脫附時間為3 min，脫附流量為40 mL^·min^-1，聚焦冷阱溫度為-10 ℃，聚焦冷阱脫附溫度為300 ℃，冷阱脫附時間為5 min，傳輸線溫度為150 ℃。

氣相色譜儀條件：進樣口溫度為200 ℃，進樣方式為分流進樣，分流比 30∶1，柱流量為????? 1.5 mL·min^-1（恒流模式）;柱箱升溫程序為40 ℃開始保持1 min，以5 ℃·min^-1 的升溫速率升至90 ℃，保持 3 min，以6 ℃·min^-1 的升溫速率升至140 ℃，保持 0 min，以15 ℃·min^-1 的升溫速率升至220 ℃，保持3 min，再以10 ℃·min^-1 的升溫速率升至230 ℃，保持3 min，總程序時間為34.67 min。

質譜儀條件：掃描方式為全掃描SCAN，掃描范圍為35～300 amu，電子轟擊源EI，離子源溫度為230 ℃，傳輸線溫度為260 ℃，離子化能量為70 eV，溶劑延遲為3 min，電子倍增電壓與調諧電壓一致。

吸附管老化條件：老化溫度為300 ℃，老化時間為60 min，流量為0.8 L·min^-1。

2? 結果與分析

按1.3中的試驗條件對隧道內熱拌和溫拌攤鋪機上采集的VOCs成分進行分析，得到總離子流色譜圖，見圖1、圖2、圖3和圖4。

根據(jù)上述總離子流色譜圖獲得每種VOCs的特征離子和保留時間，確定各種VOCs的定量離子和掃描時間窗口，利用時間窗口內定量離子的峰面積通過外標法定量，得到兩種隧道瀝青路面施工技術瀝青混合料釋放的VOCs成分的質量濃度，見表1。

為了減少外界因素的干擾，將同一施工工藝下采集到的VOCs成分的質量濃度求均值，并添加上各種VOCs成分的沸點信息，得表2。

由表2中數(shù)據(jù)可知，兩種工藝采集到的樣品中所含VOCs種類是一樣的，都是14種，分別是：1，1，2-三氯-1，2，2-三氟乙烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、苯、三氯乙烯、甲苯、1，1，2-三氯乙烷、四氯乙烯、乙苯、間，對-二甲苯、鄰-二甲苯、苯乙烯和1，2，4-三甲基苯。但是VOCs各成分的質量濃度卻有很大的差異。

總的來說，熱拌攤鋪機上采集到的各種VOCs成分都比溫拌攤鋪機上的質量濃度大，總量上前者是后者的1.61倍。這有力地說明了溫拌瀝青技術減少了VOCs的排放。溫度是影響瀝青VOCs釋放量和組成的主要因素^[8-9]，隨著溫度的增加，瀝青中VOCs的組分更加復雜且釋放量逐漸增加。溫度越高，黏度越小，表面張力越小，瀝青中的輕質組分越易從內部擴散出氣液界面進入到氣相中^[10]。由于溫拌瀝青混合料技術可以在滿足使用要求的前提下在較低溫度條件下進行拌和，使得瀝青黏度降低，因此可有效減少瀝青在高溫下釋放VOCs的種類和釋放量。

若以沸點為121.2 ℃的四氯乙烯為分界線，沸點高于此沸點的有機物為高沸點VOCs，低于此沸點的有機物為低沸點VOCs，大體可以看出，熱拌攤鋪機上采集到的高沸點VOCs比溫拌攤鋪機上的質量濃度大的程度較低沸點VOCs要高。熱拌時隧道路面攤鋪時路面溫度約180 ℃左右，攤鋪時溫拌隧道路面溫度約為160 ℃左右，低沸點VOCs在這兩種工藝都可以揮發(fā)出來，而高沸點VOCs在熱拌攤鋪時可以揮發(fā)出來而在溫拌攤鋪時則不能完全揮發(fā)出來，因此呈現(xiàn)出上述規(guī)律。

二氯甲烷、三氯甲烷、1，1，2-三氯乙烷、乙苯、間，對-二甲苯、鄰-二甲苯和1，2，4-三甲基苯這些VOCs在熱拌工藝條件下的質量濃度都是溫拌條件下的2倍以上，其中乙苯則達到了4.01倍，這說明溫拌技術有利于抑制這些VOCs的揮發(fā)，因為它們的產(chǎn)生受溫度影響比較大。據(jù)熱力學定律可知溫度能加快反應的進行，由此而知，溫度對瀝青VOCs的揮發(fā)也有促進作用^[11]。

在采集到的VOCs中，隧道熱拌攤鋪機上采集到的VOCs質量濃度最高的是三氯甲烷、甲苯和? 間-二甲苯、對-二甲苯，對其VOCs總量的貢獻率為47.50%;隧道溫拌攤鋪機上質量濃度最高的是甲苯、四氯乙烯和三氯甲烷，對其VOCs總量的貢獻率為56.49%。

3? 結論

1）隧道溫拌瀝青混合料技術比熱拌技術產(chǎn)生更少的VOCs，熱拌工藝采集到的各種VOCs成分都比溫拌工藝的質量濃度大，總量上前者是后者的1.61倍。

2）二氯甲烷、三氯甲烷、1，1，2-三氯乙烷、乙苯、間-二甲苯、對-二甲苯、鄰-二甲苯和1，2，4-三甲基苯這些VOCs的產(chǎn)生受溫度影響比較大。

3）在采集到的VOCs中，隧道熱拌攤鋪機上采集到的VOCs質量濃度最高的是三氯甲烷、甲苯和間-二甲苯、對-二甲苯，對其VOCs總量的貢獻率為47.50%;隧道溫拌攤鋪機上質量濃度最高的是甲苯、四氯乙烯和三氯甲烷，對其VOCs總量的貢獻率為56.49%。

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基金項目： S201東線田和至溫泉段改建工程“綠色公路”課題研究項目，山東省重點研發(fā)計劃項目（項目編號：2018GGX105001）。

收稿日期： 2020-03-30

作者簡介：唐新端（1984-），男，山東省滕州市人，工程師， 2006年畢業(yè)于山東交通學院土木工程專業(yè)，研究方向：公路橋隧試驗。

通訊作者：? 冉德欽，E-mail：randeqin@126.com。