摻加電氣石粉瀝青的抑煙效果及其瀝青混合料產(chǎn)煙預(yù)估模型

李 萍,陳修樂,王 盟,念騰飛,丁 攀

(1. 蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;2. 甘肅省蘭州公路事業(yè)發(fā)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(huán)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(dǎo)致多種不適,甚至瀝青煙氣會產(chǎn)生遺傳毒性作用,對人體心血管系統(tǒng)也有較大影響,誘發(fā)瘀癥和導(dǎo)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(xiàn)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(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電化學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于多領(lǐng)域[5]。在道路工程領(lǐng)域中,許新權(quán)等[6]采用動態(tài)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(jié)果表明,當(dāng)電氣石粉摻量為16%時,高溫穩(wěn)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(fā)現(xiàn)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(fù)合材料對瀝青煙的吸附效果,結(jié)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(huán)境改善方面的影響,結(jié)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(xiàn)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(jìn)行瀝青煙生成富集裝置的設(shè)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(chǎn)煙量的預(yù)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(jìn)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(chǎn)煙率模型,對AC-13、OGFC-13、SMA-13級配混合料進(jìn)行產(chǎn)煙試驗,為預(yù)測攤鋪瀝青混合料過程中的瀝青產(chǎn)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(zhì)瀝青,根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》,對其基本性能指標(biāo)進(jìn)行測試,結(jié)果見表1,其中各項指標(biāo)均滿足規(guī)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(xì)集料均為甘肅省定西市臨洮料場所生產(chǎn)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(guī)程》對礦粉進(jìn)行密度、親水系數(shù)、含水率等技術(shù)性能進(jìn)行檢測,結(jié)果見表2,對粗、細(xì)集料的密度、吸水率、壓碎值等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測,試驗結(jié)果見表3,其中各指標(biāo)性能均符合規(guī)范要求。

表2 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表3 集料技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 電氣石粉

本試驗采用產(chǎn)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(xué)組成見表4。

表4 電氣石粉化學(xué)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(zhì)瀝青中,可靠性的制備工藝對瀝青性能起關(guān)鍵作用,經(jīng)過預(yù)制備試驗并擇優(yōu)選擇,具體制備流程如下:將基質(zhì)瀝青預(yù)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(zhì)瀝青質(zhì)量的10%、12%、14%、16%、18%),此過程不停攪拌使其預(yù)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(jìn)行攪拌,該過程溫度恒定為160 ℃。高速剪切儀的初始轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 000 r/min,5 min后升至4 500 r/min持續(xù)35～40 min,待電氣石粉與基質(zhì)瀝青達(dá)到混溶狀態(tài),再將轉(zhuǎn)速降至1 000 r/min持續(xù)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(guī)性能的影響,按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進(jìn)行針入度、軟化點、延度及黏度的測試。瀝青及瀝青混合料產(chǎn)煙試驗是主要試驗。

1.3.1 瀝青產(chǎn)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(jìn)行抑煙效果評價,該裝置按照圖1連接方式進(jìn)行組裝,試驗所采用的濾管試驗前后均需置于60 ℃烘箱內(nèi)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(jī)溶液吸收的輕組分構(gòu)成,而較大危害性的多環(huán)芳烴類有機(jī)物重組分占瀝青煙總質(zhì)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(chǎn)量的變化規(guī)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(shù)、濾速和濾管數(shù)量等因素進(jìn)行大量預(yù)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(zhì)吸附效率可達(dá)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(cè)玻璃管的組分損失量對試驗結(jié)果的影響。

選取100 g瀝青樣品進(jìn)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(jìn)行瀝青產(chǎn)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(chǎn)煙環(huán)境,將錐形瓶的底面積作為暴露面積。結(jié)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(chǎn)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(tǒng)。根據(jù)瀝青混合料現(xiàn)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(xì)集料水洗干凈,并烘干后備用,此外,為避免細(xì)粒徑集料、礦粉攪拌過程揚塵現(xiàn)象對試驗結(jié)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?jǐn)嚢柚谱鞒蔀r青膠漿,以備后續(xù)試驗使用。每個溫度條件進(jìn)行3組平行試驗,煙氣質(zhì)量取平均值。

1.4 松散狀態(tài)下瀝青混合料產(chǎn)煙率模型

暴露面積和加熱溫度為影響瀝青混合料產(chǎn)煙量的關(guān)鍵因素,溫度由瀝青混合料實際發(fā)煙溫度確定,暴露面積與瀝青混合料比表面積關(guān)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(shù)規(guī)范》規(guī)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(xié)會(asphalt institute,AI)引用維姆法進(jìn)行比表面積計算。假設(shè)所有集料均為松散狀態(tài)下的等粒徑球形顆粒,集料經(jīng)驗表面積系數(shù)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(shù)

JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)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(yīng)篩孔粒徑通過百分率,%;Fi為對應(yīng)粒徑的表面積系數(shù),m2/kg,其中粒徑大于4.750 mm的集料表面積系數(shù)均歸為0.41 m2/kg,且以最大粒徑通過率為準(zhǔn),僅計算一次,其它粒徑Fi數(shù)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(shù)含義與式(1)相同,其中粒徑大于4.750 mm的集料表面積系數(shù)均歸為2.00 m2/kg,且以最大粒徑通過率為準(zhǔn),僅計算一次,其它粒徑Fi數(shù)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(shù)

1.4.2 集料比表面積與暴露面積關(guān)系

集料比表面積計算理論認(rèn)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(xì)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(tài)下單位質(zhì)量瀝青混合料,其暴露面積小于其集料比表面積,將該現(xiàn)象定義為面積折減,引入暴露面積折減系數(shù)αc,表示相同質(zhì)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(tài)下單位質(zhì)量瀝青混合料暴露面積的表達(dá)式為:

Se=αc×S

(3)

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

1.4.3 松散狀態(tài)瀝青混合料產(chǎn)煙率模型建立

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

(4)

(5)

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

瀝青路面攤鋪以瀝青混合料為主體,為將瀝青產(chǎn)煙率預(yù)測函數(shù)應(yīng)用于實踐,需將產(chǎn)煙率以瀝青混合料質(zhì)量為基準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)化關(guān)系為:

Mc×kc=Ma×k

(6)

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

瀝青混合料質(zhì)量和其所含瀝青質(zhì)量關(guān)系可通過油石比Pa進(jìn)行關(guān)聯(lián),關(guān)系式為:

(7)

聯(lián)立式(5)～式(7),可得單位質(zhì)量瀝青混合料產(chǎn)煙率為:

(8)

將式(3)帶入式(8)進(jìn)一步得到松散狀態(tài)下瀝青混合料產(chǎn)煙率預(yù)測模型為:

(9)

2 結(jié)果與討論

2.1 電氣石粉對瀝青常規(guī)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(jié)果,如表7。

表7 電氣石瀝青的基本技術(shù)性能指標(biāo)

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(jié)果表明,電氣石粉對瀝青延度的影響規(guī)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(nèi)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(dāng)電氣石粉粒徑為10 μm時,延度值達(dá)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J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中技術(shù)要求,以70#瀝青的技術(shù)指標(biāo)為基準(zhǔn)參考,可以確定粒徑為2.6～15 μm的電氣石粉在摻量10%～18%區(qū)間內(nèi)(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(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)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(jìn)行產(chǎn)煙試驗,每種瀝青皆進(jìn)行3組平行試驗,取平均值為瀝青產(chǎn)煙量。由瀝青產(chǎn)煙量測試結(jié)果通過式(10)～式(12)聯(lián)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(wěn)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(dāng)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(shù)性能及抑煙效果。

3 松散狀態(tài)瀝青混合料產(chǎn)煙預(yù)測

筆者針對瀝青混合料典型組成結(jié)構(gòu)形態(tài)的密實懸浮結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)、密實骨架結(jié)構(gòu)分別選取AC-13、OGFC-13、SMA-13級配類型進(jìn)行瀝青混合料產(chǎn)煙量試驗,其相對應(yīng)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(zhì)量等比例換算為1 kg,進(jìn)行3種級配瀝青混合料產(chǎn)煙試驗,每種級配進(jìn)行3組試驗,將試驗實測結(jié)果代入松散狀態(tài)下瀝青混合料產(chǎn)煙率預(yù)測模型式(9)中進(jìn)行擬合,結(jié)果見圖5。

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

為進(jìn)一步將預(yù)測模型與實際工況進(jìn)行對照,首先忽略面積折減的影響,假設(shè)暴露面積折減系數(shù)αc為1,常數(shù)a取值為1.7,聯(lián)立式(1)、式(2)、式(9)計算得3種級配瀝青混合料產(chǎn)煙率計算值,然后將計算值與實測值擬合曲線進(jìn)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(jié)構(gòu),當(dāng)暴露面積折減系數(shù)取αc=0.858時,瀝青混合料實測產(chǎn)煙率擬合曲線與計算值數(shù)據(jù)點相關(guān)性最高,其中,擬合優(yōu)度R2達(dá)到了0.969 31;由圖5(b)、圖5(c)可知,對于OGFC-13及SMA-13,當(dāng)αc分別為0.855及0.976時,其與分別對應(yīng)的計算值相關(guān)性最高。將3種級配類型對應(yīng)的αc分別代入式(9),且分別聯(lián)立式(1)及式(2),可得密級配瀝青混合料的產(chǎn)煙率模型為:

(13)

OGFC瀝青混合料的產(chǎn)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(chǎn)煙率模型式(13)、式(14)計算,得到瀝青混合料產(chǎn)煙率修正計算值見表9。

表9 瀝青混合料產(chǎn)煙率修正計算值

由表9可知,AC-13、OGFC-13、SMA-13瀝青混合料產(chǎn)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(jìn)一步說明了該預(yù)測模型的有效性。

4 結(jié) 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(shù)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(yù)測松散狀態(tài)下3種級配類型瀝青混合料產(chǎn)煙率,并與試驗結(jié)果驗證分析表明SMA-13級配類型混合料的產(chǎn)煙率最小,在后續(xù)研究中尚需根據(jù)其它理論驗證該預(yù)測模型的有效性。