負離子粉瀝青混合料多重環(huán)保及降溫抗車轍性能研究

韋奔, 李向航, 朱世煜

(1.廣西桂龍高速公路有限公司，廣西 南寧 530000；2.佛山市交通科技有限公司；3.長安大學 公路學院)

電氣石負離子粉(TAP)是一種具有熱電、壓電、自發(fā)極化等多功能的硅酸鹽礦物，用于瀝青混合料中可產生降溫、尾氣凈化與熱拌減排等多重環(huán)境功效。王朝輝等測試了TAP改性瀝青的路用性能，并分析了TAP類型與摻量對瀝青混合料環(huán)境功效與路用性能的影響；朱曲平等從微觀角度揭示了TAP對瀝青的改性機理，結果表明TAP在瀝青基體中能形成一種類似于海綿狀網(wǎng)絡的三維結構，通過熱電效應、壓電效應和自發(fā)極化效應實現(xiàn)降溫與熱拌減排功能；Li等采用TAP制備主動冷卻抗車轍瀝青混合料，并通過室外光照試驗驗證其降溫性能，得到了室內降溫效果最佳時的TAP摻量。

該文采用TAP改性瀝青和強嵌擠骨架密實型級配(SAS)制備得到負離子粉瀝青混合料，并測試其負離子濃度、降溫效果、尾氣凈化效果與不同溫度下的動穩(wěn)定度，分析TAP瀝青混合料因降溫所帶來的抗車轍性能提升效果。

1 試驗材料

1.1 原材料

(1)TAP

TAP是一種具有釋放負離子、壓電性、熱電性等功能的硅酸鹽礦物，其主要技術指標如表1所示、化學組成如表2所示。

表1 TAP物理指標

表2 TAP化學成分 %

(2)瀝青

試驗采用的瀝青為AH-70#基質瀝青，參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行檢測，結果滿足規(guī)范要求。

1.2 TAP改性瀝青制備方法

首先，將TAP在90 ℃的烘箱里進行干燥處理，接著把瀝青加熱到135 ℃，并將其轉移到高速剪切機內，將干燥后的TAP逐漸加到基質瀝青中，同時加入分散劑、穩(wěn)定劑等助劑，剪切速率為1 000 r/min；保持溫度不變，增加剪切速率至3 500 r/min，剪切時間為35 min；繼續(xù)保持溫度不變，加入消泡劑，并將剪切速率降至1 000 r/min，排出氣泡，剪切時間為10 min，即得成品。此次試驗中TAP摻量分別為瀝青質量的0%、5%、10%、15%、20%。

1.3 TAP瀝青混合料

采用強嵌擠骨架密實型級配SAS-16制備瀝青混合料，各篩孔通過率如表3所示。分別采用基質瀝青和TAP改性瀝青制備瀝青混合料，以考察TAP在瀝青混合料中的效果。采用馬歇爾方法設計瀝青混合料，確定瀝青混合料的最佳瀝青用量，并測試其毛體積密度(γf)、空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)、瀝青飽和度(VFA)、馬歇爾穩(wěn)定度(MS)和流值(FL)，結果如表4所示。

表3 SAS級配

表4 瀝青混合料馬歇爾試驗結果

2 試驗方法

2.1 負離子濃度測試

負離子濃度是指單位體積空氣中的負離子數(shù)目，空氣清新的標準是負離子含量達到1 500個/cm3，達到20 000個/cm3以上則具有醫(yī)療保健的功效。該文通過負離子濃度試驗測試TAP瀝青混合料車轍板釋放的負離子濃度，以此評價TAP瀝青的環(huán)保功效。采用IT-10固體負離子測試儀測試TAP瀝青混合料表面的負離子濃度，主要步驟如下：① 推開負離子濃度檢測器，將儀器感應器盡量靠近試樣但不需貼上；② 輕按POWER鍵開機，并按START鍵開始測試，測試數(shù)據(jù)顯示在屏幕上方，記錄負離子濃度即可。

2.2 降溫效果測試

(1)室內降溫試驗

首先采用TAP瀝青混合料制備厚度為10 cm的車轍板試件，試件分上下兩層，底層為5 cm的普通瀝青混合料，上層為5 cm的TAP瀝青混合料。先采用5 cm深度的車轍板試模制備普通車轍板，然后將制得的車轍板放入10 cm深的車轍板試模，將溫度傳感器的探頭置于車轍板表面中心位置處，覆蓋TAP瀝青混合料后再次使用輪碾成型儀進行壓實，制得10 cm厚的車轍板試件。

車轍板試件脫模后，在上下表面各采用瀝青膠漿粘貼一個溫度傳感器于中心位置處。車轍板試件表面、5 cm深度處及底部均有溫度傳感器。而后將試件移入試驗室自制的測試箱中，測試箱采用高密度泡沫保溫板與玻璃缸阻止試件與周圍外界進行熱交換；采用500 W碘鎢燈模擬太陽光源置于試件上部。最后，開啟光源進行照射，在照射過程中采用優(yōu)利德UT325接觸式測溫儀讀取傳感器溫度，溫度的采集頻率為20 min/次。

(2)室外降溫試驗

將制備好的車轍板試件置于陽光直射的地方進行光照試驗，采用測溫儀記錄在陽光直射下TAP瀝青混合料與普通瀝青混合料車轍板試件表面與底部的溫度變化情況，試驗中車轍板試件均為單層，厚度為5 mm，每隔3 min采集一次試件表面及底部溫度數(shù)據(jù)。

2.3 尾氣凈化試驗

制備不同摻量下的TAP瀝青混合料車轍板試件，首先自制密封試驗箱，然后采用汽車尾氣收集儀收集適量汽車尾氣，并將制備完成的TAP瀝青混合料車轍板試件、汽車尾氣收集儀、汽車尾氣分析儀置于密封試驗箱中，最后打開汽車尾氣分析儀，測試不同TAP摻量的瀝青混合料車轍板試件對汽車尾氣各成分的凈化比率。

2.4 不同溫度下的車轍試驗

根據(jù)試驗規(guī)程進行不同溫度下的車轍試驗，試驗溫度選用50、55、60、65、70 ℃，保溫時間為6 h，采用動穩(wěn)定度對其進行表征。

3 試驗結果與討論

3.1 TAP瀝青混合料表面負離子濃度

TAP摻量分別為瀝青質量的0%、5%、10%、15%、20%，TAP瀝青混合料試件表面的負離子濃度如表5所示。由表5結果可知：試件表面所釋放的負離子隨著TAP摻量的增加而增加，當TAP摻量上升到5%時負離子濃度為1 249個/cm3，達到空氣清新標準。

表5 TAP瀝青混合料試件表面的負離子濃度

3.2 降溫效果

(1)室內降溫效果

采用TAP摻量分別為瀝青質量的0%、5%、10%、15%、20%，制得TAP瀝青混合料車轍板試件，其加熱2 h后各部位最終溫度如圖1所示。

由圖1可知：采用TAP瀝青混合料制備的車轍板試件溫度總體比普通瀝青制備的車轍板試件低，而且TAP摻入量越大，降溫效果越明顯。試件表面降溫最大，中部次之，底部降溫變化相對較小。查閱相關文獻可知：TAP能使得路面溫度降低主要得益于自身的自發(fā)極化性能、熱電性能。當TAP改性瀝青表面溫度升高時，在溫度應力的作用下，極性分子從低能級向高能級躍遷的過程中，導致部分能量釋放，從而使試件表面溫度降低；其次當TAP改性瀝青表面外界溫度發(fā)生變化時釋放電荷形成靜電場，吸收試件表面熱量轉化為電能，進而降低瀝青道路溫度。

一般而言，在夏季中國大部分地區(qū)瀝青路面在陽光直射的情況下路表溫度能達到60 ℃。觀察圖1(a)可發(fā)現(xiàn)，采用碘鎢燈對車轍板試件照射2 h后，普通瀝青混凝土車轍板試件表面溫度能達到60 ℃左右，能較好地模擬自然環(huán)境實際情況。由于各溫度變化曲線在照射2 h時，斜率仍然大于0，可以推測加長照射時間車轍板試件溫度仍能上升。

圖1 不同TAP摻量改性瀝青車轍板各部位溫度變化

為了確定改性瀝青中TAP最佳摻量，采用不同摻量車轍板試件各位置于照射2 h后的溫度進行判斷，結果如圖2所示。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)：TAP摻量與降溫值呈正相關，當TAP摻量20%時，試件表面降溫達6.1 ℃；中部降溫幅度達4.1 ℃；底部溫度則下降3.3 ℃。當TAP摻量為15%時，試件表面降溫達5.4 ℃；中部降溫幅度達3.1 ℃；當摻量大于15%時，TAP摻量的增大基本難以提升降溫幅度，TAP的摻量大于15%時再增加TAP的用量是明顯不經(jīng)濟的。然而，TAP摻量太小時，其降溫效果并不明顯。

圖2 不同TAP摻量車轍板試件各位置于照射2 h后的溫度

(2)室外降溫效果

制備TAP摻量為瀝青質量15%的TAP瀝青混合料，制作5 cm厚的車轍板試件，在室外陽光直射處進行光照試驗，當日氣溫為18～29 ℃，天氣晴朗。試驗時間為11：30—15：18，每隔3 min采集一次試件表面及底部溫度數(shù)據(jù)。TAP瀝青混合料車轍板與普通車轍板的溫度變化如圖3所示，降溫幅度變化如圖4所示。從室外光照試驗結果可以得出：當TAP摻量為瀝青質量15%時，5 cm厚TAP瀝青混合料車轍板表面最大降溫幅度可達7.2 ℃，底部最大降溫幅度可達4.3 ℃。室外試驗降溫效果比室內試驗稍有提高，且試件表面的溫度變化波動較大。這可能是由于室外試件的溫度受到陣風、云層及其他環(huán)境因素的影響，使得室外光照試驗中試件溫度變化不穩(wěn)定。比較圖3、4可以發(fā)現(xiàn)：瞬時降溫幅度最大對應的時間為13：30，此時的室外氣溫為當天氣溫的最高值，且車轍板試件的表面溫度也達到了試驗中的最大值。由此可知當環(huán)境溫度或瀝青混合料自身溫度較高時，TAP的自發(fā)極化性能、熱電性能以及釋放負離子功能越強，有利于提高TAP瀝青混合料車轍板的路面降溫效果。

圖3 不同位置處的車轍板試件溫度變化

圖4 車轍板試件底部與頂部的降溫幅度變化

3.3 尾氣凈化效果

用汽車尾氣分析儀測試TAP瀝青混合料車轍板對汽車尾氣各成分的凈化比率，汽車尾氣各成分凈化比率隨TAP摻量的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 汽車尾氣各成分凈化率隨TAP摻量的變化

由圖5可知：TAP瀝青混合料具有凈化各類汽車尾氣功效，且凈化效果與TAP摻量呈現(xiàn)正相關，其中0%～5%的TAP摻量凈化速率最快，隨后凈化速度變緩，當摻量高于15%，凈化效果的提升空間較小。所制得的TAP瀝青混合料對汽車尾氣中的NOx其凈化效果尤為明顯，對CO2、CO等碳氧化合物效果較弱。對比發(fā)現(xiàn)，20%TAP摻量對NOx的凈化率可達83.2%，而15%摻量的TAP凈化率為79.5%，在TAP摻量提升5%的情況下，凈化率只提升3.7%，經(jīng)濟效益和凈化效果均不明顯。

3.4 TAP瀝青混合料的抗車轍效益分析

為了驗證制備的TAP瀝青混合料降低路面溫度可以有效提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能，不同溫度下的車轍試驗結果如圖6所示。

由圖6可知：當外界環(huán)境溫度相同時，普通瀝青混合料動穩(wěn)定度相對于TAP瀝青混合料均有不同程度降低。結合前文試驗研究，TAP可降低溫度5 ℃左右，當試驗溫度為60 ℃時，普通瀝青混合料車轍板試件動穩(wěn)定度為2 305次/mm，考慮將整體降溫幅度看作5 ℃，參考55 ℃時的車轍試驗結果，采用TAP瀝青混合料制備的車轍板試件動穩(wěn)定度為3 217次/mm，其抗車轍性能可提升至40%。

圖6 不同溫度下瀝青混合料動穩(wěn)定度變化規(guī)律

分析上述結果出現(xiàn)的主要原因如下：高溫會促進和加重車轍的形成與發(fā)展，而TAP瀝青混合料既降低了瀝青路面溫度，又提升了其動穩(wěn)定度，進而車轍變形量降低，TAP瀝青混合料的抗車轍性能越好，同時考慮到降溫抗車轍改性瀝青中TAP比表面積較大，可對瀝青進行有效的吸附，形成更多的結構瀝青，提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性能,進而抗車轍性能大幅提升。

4 結論

(1)制備的TAP瀝青混合料可提升空氣中負離子濃度，且TAP摻量與負離子釋放量呈正相關，當TAP摻量為5%時，負離子濃度為1 249個/cm3,已達到空氣清新標準；當TAP摻量繼續(xù)上升至15%時，其負離子濃度達到1 679個/cm3，較標準清新空氣的負離子濃度提升了12%。

(2)TAP瀝青混合料可有效降低溫度，當TAP最佳摻量為15%時，可降低試件表面溫度5.4 ℃，降低中部溫度3.1 ℃，降低底部溫度1.8 ℃。

(3)TAP瀝青混合料可有效凈化NOx、HC、CO2、CO等汽車尾氣，當TAP摻量為15%時，可凈化75%的氮氧混合物(NOx)、10%的CO2與CO等碳氧化合物以及15.8%的碳氫化合物。

(4)制備的TAP瀝青混合料既提升了試件動穩(wěn)定度，又降低了試件表面溫度，在降溫5 ℃的情況下，其55 ℃下動穩(wěn)定度高達3 217次/mm，抗車轍性能提升了40%。