納米碳酸鈣減少瀝青煙氣的實(shí)驗(yàn)研究

張紅章，何麗娟，范衛(wèi)琴，朱春筍

（1三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明，365004；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院 湖北 武漢430070；3.重慶永固建筑科技發(fā)展有限公司，重慶，404100）

納米碳酸鈣減少瀝青煙氣的實(shí)驗(yàn)研究

張紅章1，何麗娟2，范衛(wèi)琴1，朱春筍3

（1三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明，365004；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院 湖北 武漢430070；3.重慶永固建筑科技發(fā)展有限公司，重慶，404100）

研究了高溫條件下3種不同種類的納米碳酸鈣在不同溫度、不同參配比例時(shí)減少瀝青煙氣的性能：種類不同抑煙能力不同，抑煙能力不受溫度高低的影響，添加比例與其抑煙能力的大小呈正相關(guān)，但低劑量時(shí)減少煙氣能力提高較快，高劑量時(shí)趨于平緩；同時(shí)驗(yàn)證了納米碳酸鈣因?yàn)轭w粒小且與瀝青相容性好從而減少瀝青煙氣的機(jī)理。

納米碳酸鈣；瀝青煙氣；瀝青

瀝青混合料在高溫（120～180℃）拌合與攤鋪條件下，將釋放出對(duì)人體有害的瀝青煙氣［1-3］。納米碳酸鈣是一種新型超細(xì)固體粉末材料，其粒度介于0.01～0.1 μm之間，具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子效應(yīng)等特性，作為改性劑加入到瀝青中，可以提高瀝青的高溫穩(wěn)定性［4-5］。鑒于此，作者嘗試采用不同種類的納米碳酸鈣減少瀝青輕質(zhì)組分的揮發(fā)，研究納米碳酸鈣對(duì)瀝青煙氣產(chǎn)生量的影響，研究成果對(duì)改善瀝青路面作業(yè)環(huán)境具有一定的參考價(jià)值。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

實(shí)驗(yàn)采用的納米碳酸鈣，是由杭州萬(wàn)景新材料有限公司生產(chǎn)的油墨型 （VK-CaC400）、塑料型（VK-CaC202）、橡膠型（VK-CaC501）型3種納米碳酸鈣，其主要性能指標(biāo)見表1；基質(zhì)瀝青采用韓國(guó)SK株式會(huì)社生產(chǎn)的70#重交通道路石油瀝青（SK70#），主要指標(biāo)見表2。

表1　納米碳酸鈣主要性能指標(biāo)

表2　基質(zhì)瀝青主要性能指標(biāo)

1.2儀器設(shè)備

在一定溫度下采用高速瀝青剪切設(shè)備，將納米碳酸鈣與瀝青混合；瀝青加熱及氣體收集裝置，采用楊錫武等［5］人自行研制的瀝青自動(dòng)溫控與收集設(shè)備，在不同的加熱溫度和加熱時(shí)間下，用瀝青采樣管收集從中揮發(fā)出的瀝青煙氣顆粒。

1.3實(shí)驗(yàn)方案

采用3種納米碳酸鈣，分別按照瀝青重量2%、4%、6%、8%的比例添加到瀝青中，在恒溫（120、140、160、180℃）條件下，采用瀝青采樣管收集一定時(shí)間內(nèi)（本實(shí)驗(yàn)為2 h）所產(chǎn)生的煙氣，采用重量法，按照公式（1）計(jì)算加熱后的產(chǎn)煙率M（mg/100g），公式（2）計(jì)算瀝青煙氣減少率R（%）。

式中：M為瀝青樣品的煙氣產(chǎn)生量，mg/100g；W0為瀝青樣品的重量，g；Wx為加熱后瀝青樣品的重量，g。

式中：Rx為某個(gè)水平添加劑的煙氣減少率，%；M0為基質(zhì)瀝青的瀝青產(chǎn)煙率，mg/100g；Mx為某個(gè)水平添加劑瀝青的瀝青產(chǎn)煙率，mg/100g。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

（1）不同加熱溫度和添加比例條件下，油墨型、橡膠型、塑料型3種納米碳酸鈣減少瀝青煙氣的效果分別見圖1～3。

圖1　油墨型納米碳酸鈣減少煙氣效果

圖2　橡膠型納米碳酸鈣減少煙氣效果

從圖中可知，3種納米碳酸鈣在減少瀝青煙氣的產(chǎn)量方面都有一定的效果，在一定程度上，說(shuō)明都能具有抑制高溫瀝青煙氣產(chǎn)量的能力；添加比例在2%～8%區(qū)間內(nèi)，當(dāng)納米碳酸鈣添加比例一定時(shí)，加熱溫度在120～180℃內(nèi)變化，瀝青煙氣減少率基本穩(wěn)定，說(shuō)明3種納米碳酸鈣抑制高溫瀝青煙氣的能力，不隨溫度變化而變化，溫度敏感性不強(qiáng)，在抑煙方面具有一定溫度穩(wěn)定性；同一種納米碳酸鈣，加入比例在2%～8%范圍內(nèi)時(shí)，瀝青煙氣減少率基本呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明在此范圍內(nèi)，納米碳酸鈣的添加量與其減少煙氣的能力呈正相關(guān)。

圖3　塑料型型納米碳酸鈣減少煙氣效果

（2）油墨型、橡膠型、塑料型3種納米碳酸鈣在添加比例為2%、4%、6%、8%時(shí)，其減少瀝青煙氣的能力見圖4～7。

圖4　2%添加比例瀝青煙氣減少效果　

圖5　4%添加比例瀝青煙氣減少效果

圖6　6%添加比例瀝青煙氣減少效果　

圖7　8%添加比例瀝青煙氣減少效果

從圖中可知，3種型號(hào)的納米碳酸鈣，摻入比例分別在2%、4%、6%、8%時(shí)，其減少瀝青煙氣的效果大小油墨型最好，其摻量為8%時(shí)瀝青煙氣減少率最大可達(dá)到7.4%，橡膠型、塑料型抑煙能力比較接近，抑煙效果較小，兩者摻量為8%時(shí)，瀝青煙氣減少率最大分別可達(dá)到5.7%和5.2%，說(shuō)明納米碳酸鈣的類型影響其抑煙能力；3種納米碳酸鈣在不同比例條件下，其煙氣減少率基本恒定，說(shuō)明3種納米碳酸鈣在高溫瀝青中性質(zhì)穩(wěn)定，不受溫度變化（120℃～180℃范圍）的影響；同時(shí)說(shuō)明3種納米碳酸鈣在高溫（120℃～180℃范圍）條件下，添加比例一定時(shí)，其抑煙能力基本穩(wěn)定。

（3）3種納米碳酸鈣在實(shí)驗(yàn)最低溫度120℃及最高溫度180℃條件下，隨添加比例的變化，煙氣減少率變化規(guī)律如圖8～9所示。

圖8　120°條件瀝青煙氣減少效果　

圖9　180°條件瀝青煙氣減少效果

從圖中可知，在實(shí)驗(yàn)溫度條件下，納米碳酸鈣隨添加比例的增加，其煙氣減少率越來(lái)越大，說(shuō)明在該添加比例條件下，其抑煙能力與添加比例是呈正相關(guān)性；在120℃與180℃兩種實(shí)驗(yàn)溫度條件下，3種納米碳酸鈣隨添加比率的變化煙氣減少率的變化趨勢(shì)基本沒有變化，說(shuō)明溫度變化對(duì)3種納米碳酸鈣的抑煙能力的影響較小，納米碳酸鈣的抑煙能力具有高溫穩(wěn)定性；同時(shí)，在添加比例為2%、4%、6%時(shí)，斜率較大，而添加比例在6%、8%時(shí)煙氣減少率曲線斜率較小，近乎平緩，說(shuō)明在低劑量下，納米碳酸鈣添加的比例越高，抑制煙氣的能力越強(qiáng)，但當(dāng)添加比例達(dá)到一定程度后，納米碳酸鈣的抑煙能力提高度逐漸趨于平緩，這說(shuō)明在實(shí)際應(yīng)過程中，納米碳酸鈣存在一個(gè)最佳參配比例問題。

（4）納米碳酸鈣抑煙機(jī)理分析

馬峰［6］等在瀝青中加入納米碳酸鈣改性，后經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)，質(zhì)量損失由原來(lái)的0.05%減少到0.03%，說(shuō)明了納米碳酸鈣的加入，使輕質(zhì)成分的揮發(fā)量變少，提高了瀝青的熱穩(wěn)定性與抗老化性能，改善了瀝青路面的耐久性，也降低了瀝青施工等環(huán)節(jié)中瀝青煙的產(chǎn)生。納米碳酸鈣之所以具有抑煙功能，主要原因是由于納米碳酸鈣不但具有納米材料的性能，同時(shí)，納米碳酸鈣與瀝青具有較好的相容性，且能夠較好地改善瀝青的耐久性、高溫穩(wěn)定性等性能。

按照現(xiàn)行的瀝青混合料強(qiáng)度理論認(rèn)為［7］：在瀝青混合料中，瀝青與填充料之間的作用是一個(gè)復(fù)雜的物理—化學(xué)交互作用過程，瀝青與填充料交互作用后，瀝青在填充料表面產(chǎn)生化學(xué)組分的重新排列，在礦粉表面形成一層一定厚度的擴(kuò)散溶劑膜，在此膜厚度以內(nèi)的瀝青稱為“結(jié)構(gòu)瀝青”，在此膜厚度以外的瀝青稱為“自由瀝青”。填充料顆粒之間接觸處是由結(jié)構(gòu)瀝青膜所聯(lián)結(jié)，這樣促成瀝青具有更大的擴(kuò)散溶化膜的接觸面積，因而可以獲得更大的粘聚力，從而粘結(jié)瀝青中的輕質(zhì)組分。

由于納米碳酸鈣具有特殊的顆粒大小及形狀，使其具有許多獨(dú)特的性質(zhì)和新的規(guī)律，如量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、化學(xué)活性、吸附作用等。納米碳酸鈣加入瀝青中后，由于其表面具有特殊效應(yīng)，特別是巨大的表面效應(yīng)與吸附能力，吸附瀝青中的輕質(zhì)組分，從而阻止瀝青中輕質(zhì)組分的揮發(fā)，減少瀝青加熱過程中的煙氣的產(chǎn)生。

3　結(jié)論

（1）3種型號(hào)的納米碳酸鈣都具有一定的減少瀝青煙氣的功能，其中油墨型納米碳酸鈣的影響能力最強(qiáng)，橡膠型和塑料型次之。（2）納米碳酸鈣的抑煙能力具有一定的溫度穩(wěn)定性，在120～180℃范圍內(nèi)，其減少煙氣的能力基本沒有變化。（3）納米碳酸鈣的添加比例（比例控制在2%～8%范圍內(nèi)）與其抑煙能力的大小呈正相關(guān)性，但低劑量時(shí)減少煙氣能力提高較快，高劑量時(shí)趨于平緩。（4）納米碳酸鈣減少瀝青煙氣的機(jī)理：納米碳酸鈣與瀝青具有較好的相容性，超細(xì)的顆粒粒徑使瀝青具有更大的擴(kuò)散溶化膜的接觸面積，因而可以獲得更大的粘聚力，巨大的表面效應(yīng)與吸附能力，吸收粘結(jié)瀝青中的輕質(zhì)組分，從而減少瀝青煙氣的產(chǎn)生。

［1］IARC.Bitumen and extracts of steam-refined bitumen［R］.1987（42）：133-134.

［2］IARC.Certain polycyclic hydrocarbons and heterocyclic compounds［R］.1973（3）：122-124.

［3］鐘瑩，李小紅，潘舉升，等.瀝青煙對(duì)肺通氣功能的影響［J］.職業(yè)醫(yī)學(xué)，2003，16（6）.366-367.

［4］劉大梁.納米碳酸鈣改性瀝青及混合料性能研究［J］.長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（12）：70-72.

［5］楊錫武.瀝青煙氣抑制劑及瀝青混合料性能的試驗(yàn)［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（12）：70-76.

［6］馬峰.納米碳酸鈣改性瀝青的路用性能及機(jī)理研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2007（2）：88-90.

［7］嚴(yán)家伋.道路建筑材料［M ］.北京：人民交通出版社，1996.

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Experiment Study on Nanometer Calcium Carbonate for Reducing Asphalt Gas

ZHANG Hong-zhang1，HE Li-juan2，F(xiàn)AN Wei-qin1，ZHU Chun-sun3

（1.School of Architecture and Engineering，Sanming University，Sanming 365004，China；2.Research Institution of Water Resources in Hubei Province，wuhan 430070，China；；3.Chongqing Yonggu Building Science and Technology Development Co.，Ltd.，Chongqing 404100，China）

The performance of three different kinds of nanometer calcium carbonate in different temperature and different blending ratio was studied. The different anti-smoking ability varied from the different types and the effect of different smoke suppression ability was not affected by temperature. The addition ratio was positively related to the smoke suppression ability. However， the decrease of the asphalt gas capacity increased rapidly at low dose while tended to be flat at high dose； and the mechanism of nanometer calcium carbonate on reducing asphalt smoke was proved because it has small particle and good compatibility with asphalt.

nanometer calcium carbonate；asphalt smoke；asphalt

U414

A

1673-4343（2016）04-0096-05

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.04.016

2015-12-08

三明學(xué)院科研基金項(xiàng)目（B201310/Q）；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（JA14294，JA14296）

張紅章，男，湖北武漢人，講師，工程師。主要研究方向：道路與橋梁方面的研究。