抑塵抗滑型AC-13瀝青混合料性能評(píng)價(jià)研究

楊 勝，雷 青,朱 赫,索 智

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院,北京 100044;2.貴州省銅仁公路管理局,銅仁 554300)

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，建筑、交通與化工等活動(dòng)產(chǎn)生了大量的空氣污染物，惡化了大氣環(huán)境[1].大氣污染源分析結(jié)果顯示道路揚(yáng)塵為其重要的來(lái)源，其中包含機(jī)動(dòng)車尾氣排放與輪胎磨損產(chǎn)生的顆粒物，這些物質(zhì)通過(guò)呼吸進(jìn)入人體后會(huì)嚴(yán)重影響健康[2].國(guó)內(nèi)外針對(duì)道路揚(yáng)塵問(wèn)題普遍采用的抑塵方法多為灑水或噴灑抑塵劑.然而，灑水的抑塵時(shí)間短，水資源浪費(fèi)大；噴灑抑塵劑可減少水的浪費(fèi)，但長(zhǎng)久來(lái)看，仍存在耐久性不足、污染環(huán)境等問(wèn)題[3-6].

灑水或噴灑抑塵劑存在耐久性不足的問(wèn)題，究其根本是因?yàn)椴捎昧寺访嫱鈸揭謮m材料的方法.外摻法使抑塵材料暴露在自然環(huán)境中，在風(fēng)吹日曬，雨水沖刷及車輪碾壓的作用后，材料逐漸損失并失去效果.而內(nèi)摻法能將抑塵材料嵌固在面層瀝青混合料之中，大大提高了其耐久性能.但是國(guó)內(nèi)外有關(guān)瀝青混合料內(nèi)摻抑塵材料的研究還是空白.

本課題組進(jìn)行了瀝青混合料內(nèi)摻抑塵材料的研究，并開(kāi)發(fā)了一種具有持久抑塵效果的瀝青路面材料.其原理為將傳統(tǒng)瀝青混合料中的礦粉成分等體積置換為高效吸附改性添加劑，使其充分分散在瀝青膠漿中，發(fā)揮其吸附功能，主動(dòng)吸附空氣中的水分，利用路表附著的水分抑制揚(yáng)塵.在前期對(duì)抑塵添加劑及混合料配合比的研究基礎(chǔ)上，最終確定了抑塵抗滑型AC-13瀝青混合料[7-8].

本文就抑塵抗滑型AC-13瀝青混合料，對(duì)其高溫、低溫、水穩(wěn)定性、抑塵效果及抑塵耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià).以此驗(yàn)證其路用性能及抑塵性能的有效性.

1 原材料檢測(cè)及配合比

1.1 原材料檢測(cè)

1.1.1 瀝青材料

抑塵瀝青混合料中瀝青采用SBS改性瀝青，含有抗剝落成分，可增加瀝青和集料之間的黏附性.經(jīng)檢驗(yàn)，SBS改性瀝青的性能滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的指標(biāo)要求.

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

1.1.2 集料

本次實(shí)驗(yàn)采用的集料硬度高、耐久性好的玄武巖，經(jīng)檢驗(yàn)，粗細(xì)集料及礦粉的性能均能滿足《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E42—2005的指標(biāo)要求.

表2 粗集料性能指標(biāo)

表3 細(xì)集料性能指標(biāo)

表4 礦粉性能指標(biāo)

1.2 礦料級(jí)配組成及最佳瀝青含量

級(jí)配組成見(jiàn)圖1，表5，最佳瀝青含量見(jiàn)表6.

表6 瀝青混合料最佳油石比匯總表 %

圖1 抗滑型AC-13瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)曲線

表5 級(jí)配設(shè)計(jì)表

2 性能驗(yàn)證

不同內(nèi)摻抑塵吸附改性劑瀝青混合料路用性能檢測(cè)見(jiàn)表7.

由表7可知兩種抑塵瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、馬歇爾穩(wěn)定度、殘留馬歇爾穩(wěn)定度比、凍融劈裂強(qiáng)度比、低溫彎曲破壞應(yīng)變、摩擦系數(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求.同時(shí)摻入100%天然沸石粉的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了20%，最大彎拉應(yīng)變降低了4%；摻入75%無(wú)水氯化鈣的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了10%，最大彎拉應(yīng)變降低了3%.結(jié)果表明摻入抑塵吸附改性材料有利于提高抑塵瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能低溫抗裂性能.

表7 不同內(nèi)摻抑塵吸附改性劑瀝青混合料路用性能檢測(cè)

圖2 天然沸石粉(左)和無(wú)水氯化鈣(右)

圖3 普通瀝青混合料(左)抑塵瀝青混合料(右)濕度85%

3 抑塵效果評(píng)價(jià)

以上試驗(yàn)研究表明，抑塵抗滑型AC-13瀝青混合料的路用性能滿足規(guī)范要求.因此，進(jìn)一步對(duì)抑塵抗滑型AC-13瀝青混合料的抑塵性能進(jìn)行評(píng)價(jià).

通過(guò)室內(nèi)揚(yáng)塵模擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以PM10濃度為指標(biāo)，來(lái)評(píng)價(jià)抑塵抗滑型AC-13瀝青混合料的抑塵性能.

3.1 室內(nèi)揚(yáng)塵模擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本課題組自主開(kāi)發(fā)的室內(nèi)揚(yáng)塵模擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由揚(yáng)塵模擬分析罐，鼓風(fēng)裝置，沖刷裝置及凍融裝置組成.揚(yáng)塵模擬分析罐為試驗(yàn)主體，承當(dāng)主要的模擬監(jiān)測(cè)功能.其材質(zhì)為有機(jī)玻璃制成的圓柱形外封閉式設(shè)備，外徑60 cm，內(nèi)徑57 cm，壁厚1.5 cm，上下蓋板厚2 cm，高120 cm.罐子外接揚(yáng)塵的產(chǎn)生裝置與PM10、PM2.5、PM1.0等參數(shù)測(cè)量?jī)x器顯示屏.試驗(yàn)可用區(qū)域?yàn)閾P(yáng)塵模擬分析罐15～100 cm之間約85 cm的模擬操作空間內(nèi)，進(jìn)行揚(yáng)塵模擬分析試驗(yàn)，試驗(yàn)允許電壓為220 V，鼓入的風(fēng)速為模擬北京市揚(yáng)塵污染最為嚴(yán)重的夏季地表平均風(fēng)速約3 m/s.

通過(guò)膠管和鼓風(fēng)機(jī)將與揚(yáng)塵粒度相近的粉狀顆粒吹入揚(yáng)塵模擬分析罐，僅有鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口與外相互連通，且試驗(yàn)時(shí)進(jìn)風(fēng)口連接至罐身內(nèi)部空間中，即整個(gè)裝置是對(duì)外封閉的.揚(yáng)塵模擬分析設(shè)備的CAD設(shè)計(jì)圖、揚(yáng)塵產(chǎn)生罐及罐內(nèi)揚(yáng)塵濃度測(cè)試設(shè)備的實(shí)體物如圖4所示.

圖4 揚(yáng)塵模擬分析設(shè)備的CAD設(shè)計(jì)圖及實(shí)體圖

3.2 抑塵效果評(píng)價(jià)

將3塊經(jīng)吸濕預(yù)處理的車轍板試件分別放入揚(yáng)塵模擬分析設(shè)備中用于抑塵效果對(duì)比試驗(yàn)的開(kāi)展.其PM10濃度變化曲線如圖5所示.

圖5反映了隨著時(shí)間的增加，揚(yáng)塵模擬分析設(shè)備中PM10的濃度變化.由圖可知：只摻入礦粉的吸濕混合料也會(huì)呈現(xiàn)出一定的降低設(shè)備內(nèi)PM10濃度的現(xiàn)象，這是由于混合料的遇水冷凝現(xiàn)象.

圖5 3種車轍板試件的抑塵效果

在試驗(yàn)進(jìn)行前期，摻入75%無(wú)水氯化鈣的抑塵瀝青混合料比100%天然沸石粉的混合料抑塵現(xiàn)象明顯，在試驗(yàn)進(jìn)行到2 min45 s時(shí)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)期出現(xiàn)，摻入100%天然沸石粉的抑塵瀝青混合料比75%無(wú)水氯化鈣的混合料抑塵效果更佳，2條濃度變化曲線呈X型交叉，存在著演變規(guī)律，最后在摻入100%天然沸石粉的設(shè)備環(huán)境中剩余PM10濃度更低，抑塵能力強(qiáng)于摻入75%無(wú)水氯化鈣近15%.

同時(shí)摻加了2種材料的抑塵瀝青混合料均表現(xiàn)出了優(yōu)越的抑塵性能，摻入100%天然沸石粉的抑塵瀝青混合料在4 min30 s內(nèi)可完成PM10的濃度從927降至65，減少了93%的揚(yáng)塵污染；摻入75%無(wú)水氯化鈣的抑塵瀝青混合料在5 min內(nèi)均可完成PM10的濃度從916降至近79，減少了91%的揚(yáng)塵污染，實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量從重度污染變?yōu)榱夹誀顟B(tài).

3.3 抑塵耐久性評(píng)價(jià)

在探究了抑塵瀝青混合料的抑塵效果后，考慮其長(zhǎng)期抑塵耐久性能同樣至關(guān)重要，本研究提出了在模擬大風(fēng)吹襲、降雨沖刷、浸水凍融三大自然環(huán)境條件下的抑塵瀝青混合料耐久性評(píng)價(jià)體系，開(kāi)展二次抑塵試驗(yàn).

3.3.1 鼓風(fēng)條件下抑塵性能測(cè)試

在抑塵瀝青混合料的抑塵效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)束后，將吸收了揚(yáng)塵的3塊車轍板試件置于鼓風(fēng)機(jī)前進(jìn)行鼓風(fēng)條件下的二次抑塵試驗(yàn).

鼓風(fēng)試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試件重復(fù)進(jìn)行抑塵效果對(duì)比試驗(yàn)，探究大風(fēng)天氣下抑塵瀝青混合料的二次抑塵效果，同時(shí)繪制PM10濃度量變化曲線如圖7所示.

圖6 鼓風(fēng)試驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程

圖7 鼓風(fēng)試驗(yàn)后3種車轍板試件的抑塵效果

由圖7曲線變化情況可知：鼓風(fēng)后，摻加了2種材料的抑塵瀝青混合料均可繼續(xù)吸收粉塵，降低設(shè)備內(nèi)PM10質(zhì)量濃度.摻入100%天然沸石粉的抑塵瀝青混合料在6 min內(nèi)可完成PM10的濃度從953 μg/m3降至90 μg/m3，減少了90%的揚(yáng)塵污染；摻入75%無(wú)水氯化鈣的抑塵瀝青混合料在6 min40 s內(nèi)均可完成PM10的濃度從947 μg/m3降至115 μg/m3，減少了88%的揚(yáng)塵污染，實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量從重度污染變?yōu)榱夹誀顟B(tài).

3.3.2 沖刷條件下抑塵性能測(cè)試

在抑塵瀝青混合料的抑塵效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)束后，將吸收了揚(yáng)塵的3塊車轍板試件置于模擬降雨沖刷裝置中進(jìn)行沖刷條件下的二次抑塵試驗(yàn).

模擬降雨沖刷試驗(yàn)結(jié)束后，將試件分別置于揚(yáng)塵模擬分析設(shè)備中，重復(fù)進(jìn)行抑塵效果對(duì)比試驗(yàn)，探究降雨條件下抑塵瀝青混合料的二次抑塵效果，同時(shí)繪制PM10濃度變化曲線如圖9所示.

圖8 沖刷試驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程

圖9 沖刷試驗(yàn)后3種車轍板試件的抑塵效果

由圖9曲線變化情況可知：模擬降雨沖刷后，摻加了兩種材料的抑塵瀝青混合料均可繼續(xù)吸收粉塵，降低設(shè)備內(nèi)PM10質(zhì)量濃度.摻入100%天然沸石粉的抑塵瀝青混合料在5′20″內(nèi)可完成PM10的濃度從914 μg/m3降至78 μg/m3，減少了91%的揚(yáng)塵污染；摻入75%無(wú)水氯化鈣的抑塵瀝青混合料在6 min10 s內(nèi)均可完成PM10的濃度從887 μg/m3降至92 μg/m3，減少了89%的揚(yáng)塵污染，實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量從重度污染變?yōu)榱夹誀顟B(tài).

3.3.3 凍融條件下抑塵性能測(cè)試

在抑塵瀝青混合料的抑塵效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)束后，將吸收了揚(yáng)塵的3塊車轍板試件經(jīng)凍融循環(huán)處理，進(jìn)行浸水凍融條件下的二次抑塵試驗(yàn).

浸水凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，將試件分別置于揚(yáng)塵模擬分析設(shè)備中，重復(fù)進(jìn)行抑塵效果對(duì)比試驗(yàn)，探究?jī)鋈谘h(huán)后抑塵瀝青混合料的二次抑塵效果，評(píng)價(jià)其抑塵耐久性能，同時(shí)繪制PM10濃度變化曲線如圖11所示.

圖10 凍融試驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程

圖11 凍融試驗(yàn)后3種車轍板試件的抑塵效果

由圖11曲線變化情況可知：模擬浸水凍融循環(huán)后，摻加了兩種材料的抑塵瀝青混合料均可繼續(xù)吸收粉塵，降低設(shè)備內(nèi)PM10濃度，但抑塵能力會(huì)有所降低.摻入100%天然沸石粉的抑塵瀝青混合料在7 min40 s內(nèi)可完成PM10的濃度從847 μg/m3降至108 μg/m3，減少了87%的揚(yáng)塵污染；摻入75%無(wú)水氯化鈣的抑塵瀝青混合料在9 min內(nèi)均可完成PM10的濃度從832 μg/m3降至134 μg/m3，減少了84%的揚(yáng)塵污染，實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量從重度污染變?yōu)檩p微污染.

對(duì)比3項(xiàng)抑塵耐久性評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，可得如下結(jié)論：經(jīng)過(guò)自然條件下的狂風(fēng)吹襲、降雨沖刷，浸水凍融循環(huán)后的生態(tài)主動(dòng)抑塵瀝青路面仍會(huì)繼續(xù)保持其抑塵功能，抑塵降幅系數(shù)均能達(dá)到80%以上，效果顯著；且摻入100%天然沸石粉的瀝青混合料抑塵效果要更加優(yōu)于摻入75%無(wú)水氯化鈣的瀝青混合料，其抑塵降幅系數(shù)能維持至90%左右，達(dá)到了良好的路面抑塵且效果持久的目的.

4 結(jié)論

該文以室內(nèi)研究為基礎(chǔ)，對(duì)天然沸石粉100%置換礦粉和無(wú)水氯化鈣75%置換礦粉得到的兩種抑塵抗滑型AC-13瀝青混合料的路用性能及抑塵性能進(jìn)行評(píng)價(jià).通過(guò)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1)兩種抑塵抗滑型AC-13瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性以及抗滑性能均滿足規(guī)范要求，且摻入抑塵吸附改性材料有利于提高抑塵瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能低溫抗裂性能.

2)摻入100%天然沸石粉的抑塵瀝青混合料初次抑塵降幅系數(shù)為93%，在大風(fēng)吹襲、降雨沖刷、浸水凍融條件下的二次抑塵降幅系數(shù)分別為90%、91%、87%；摻入75%無(wú)水氯化鈣的抑塵瀝青混合料初次抑塵降幅系數(shù)為91%，在大風(fēng)吹襲、降雨沖刷、浸水凍融條件下的二次抑塵降幅系數(shù)分別為88%、89%、84%.說(shuō)明兩種抑塵抗滑型AC-13瀝青混合料具有持久有效的抑塵效果.