抑煙復(fù)合改性瀝青的性能研究

孫吉書，穆欣悅，宋瑩，潘峰

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 泰安 271000；3.天津高速公路集團(tuán)有限公司，天津 300384)

在我國(guó)的現(xiàn)有道路中，瀝青路面占比達(dá)80%以上，然而在攤鋪過(guò)程中瀝青產(chǎn)生大量瀝青煙氣，污染環(huán)境，且瀝青煙氣具有致癌作用，危害施工人員的身體健康[1-5]。因此，許多學(xué)者開始研究抑煙瀝青。陳錫軍[6]發(fā)現(xiàn)Evotherm可顯著降低瀝青煙氣排放；鮑金奇[7]認(rèn)為SBS和納米二氧化鈦(TiO2)具有協(xié)同作用，能減少瀝青煙氣排放；楊宇等[8]發(fā)現(xiàn)MH能夠減少有毒煙氣的釋放；Demirel 等[9]認(rèn)為硼酸鋅(ZB)可降低瀝青煙密度，有抑煙效果。目前關(guān)于抑煙瀝青的研究主要為抑煙劑的單摻，但抑煙效果較差[10]。本文將外加劑進(jìn)行復(fù)配，對(duì)外加劑復(fù)配后的基本物理性能、抑煙效果及抑煙機(jī)理進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

1.1.1 基質(zhì)瀝青 LT70#是由河北倫特石油化工有限公司生產(chǎn)，測(cè)試 LT70#基質(zhì)瀝青的基本性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，結(jié)果滿足 JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》[11]技術(shù)要求。

表1 LT70#瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 LT70# Asphalt specification

1.1.2 Evotherm Evotherm是一種溫拌劑，由美國(guó)杜邦有限責(zé)任公司生產(chǎn)。通過(guò)表面活性劑來(lái)改變?yōu)r青分子間的極性，降低黏度。宋金生[12]通過(guò)研究不同溫拌劑對(duì)瀝青技術(shù)性能影響建議Evotherm摻量為0.6%。

表2 Evotherm劑主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 The main technical indicators of Evotherm warm mix

1.1.3 外加劑 初選4種外加劑，分別是SBS、氫氧化鎂(MH)、硼酸鋅(ZB)和納米二氧化鈦(TiO2)。SBS(LG-512)，由韓國(guó)LG公司生產(chǎn)，MH、ZB均由山東省臨沂市恒碩化工有限公司提供，納米TiO2由河北省邢臺(tái)市清河縣科特新材料科技有限公司提供。SBS受熱后會(huì)與瀝青中的部分組分形成交聯(lián)，抑制瀝青的分解[13]；MH在受熱時(shí)會(huì)吸收大量的熱，降低瀝青表面溫度，減小煙氣的產(chǎn)生[14]；ZB可阻止瀝青的熱分解和可燃性氣體的釋放[15]； 納米TiO2對(duì)于瀝青煙氣有降解效果[16]。

1.1.4 實(shí)驗(yàn)儀器 FJ300-SH數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī)；HCT-3熱分析系統(tǒng)；SYD-2806E全自動(dòng)瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)器；SY-1.5B 型恒溫?cái)?shù)顯瀝青延伸度儀；SYD-2801E瀝青針入度測(cè)試儀；Brookfield DV-Ⅱ+pro型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)；MCR102流變儀；TENSOR27傅里葉變換紅外光譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)以LT70#為基質(zhì)瀝青，以SBS、MH、ZB、納米TiO2和Evotherm作為外加劑，SBS的摻量為0，2%，4%，6%，MH的摻量為0，5%，10%，15%，ZB的摻量為0，2%，3%，納米TiO2的摻量為0，0.5%，1%，1.5%，Evotherm的摻量為 0.6%，通過(guò)熱重實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定其最佳摻量，制備3種抑煙瀝青，從基本物理實(shí)驗(yàn)和熱重實(shí)驗(yàn)結(jié)果中優(yōu)選出一種抑煙效果最好的復(fù)合改性瀝青。

1.3 制備方法

將LT70#加熱至160 ℃，稱取300 g質(zhì)量的瀝青放入容器中，根據(jù)設(shè)計(jì)選用的外加劑摻量，采用內(nèi)摻法分別稱取SBS、MH、ZB、納米TiO2和Evotherm，在LT70#中緩慢多次加入，并利用數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī)以3 500 r/min 的速度攪拌40 min，保證外加劑均勻分散地溶解于瀝青中。

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳配比確定

2.1.1 單摻外加劑抑煙效果測(cè)定 熱重實(shí)驗(yàn)在 50～800 ℃下對(duì)單摻和復(fù)配瀝青的質(zhì)量剩余率進(jìn)行記錄繪制為熱重曲線(以瀝青質(zhì)量剩余率表征瀝青的抑煙效果)。

由表3可知，SBS的最佳摻量為4%，納米TiO2的最佳摻量為0.5%，MH的最佳摻量為5%，ZB的最佳摻量為3%，其抑煙效果最好。

表3 單摻外加劑熱重實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 3 Single-doped admixture thermogravimetric experimental test results

2.1.2 復(fù)配外加劑抑煙效果測(cè)定 SBS具有良好的高溫性能和低溫性能[17]，由表3可知，SBS還具有抑煙作用。因此，以SBS作為一種抑煙劑和改善劑分別與MH、ZB、納米TiO2進(jìn)行復(fù)配，測(cè)試結(jié)果見表4、圖1～圖3。

表4 復(fù)配外加劑熱重實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 4 Compound admixture thermogravimetric experimental test results

圖1 ZB熱重分析圖Fig.1 ZB thermogravimetric analysis plot

圖2 納米TiO2熱重分析圖Fig.2 Nano TiO2 thermogravimetric analysis plot

圖3 MH熱重分析圖Fig.3 MH thermogravimetric analysis plot

由圖1～圖3可知：①LT70#在800 ℃時(shí)的質(zhì)量剩余率為12.25%，LT70#在270 ℃開始分解，此時(shí)，瀝青大分子主鏈中主要發(fā)生一些弱鍵的斷裂，同時(shí)伴有低分子烴類的物理?yè)]發(fā)；在 410 ℃質(zhì)量急劇下降，說(shuō)明LT70#在 410 ℃發(fā)生斷裂和裂環(huán)反應(yīng)，開始快速分解。②SBS在 800 ℃時(shí)瀝青的質(zhì)量剩余率為 14.94%，比LT70#提高2.69%，由于SBS在高溫時(shí)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)覆蓋在瀝青表面，減少瀝青中輕組分的揮發(fā)，達(dá)到抑煙的效果。③SBS+納米TiO2+Evotherm在800 ℃時(shí)瀝青的質(zhì)量剩余率為 16.26%，在290 ℃左右開始緩慢分解，納米TiO2含有的Ti—O鍵，與瀝青中存在的水很可能由于極化產(chǎn)生羥基，與SBS 的嵌段共聚結(jié)構(gòu)接近時(shí)，吸附瀝青中的輕組分。④SBS+MH+Evotherm在800 ℃時(shí)瀝青的質(zhì)量剩余率為25.12%，MH受熱后發(fā)生分解反應(yīng)，分解過(guò)程中吸收熱量，可以延緩SBS和瀝青的燃燒，減少瀝青煙氣的釋放，在瀝青表面生成的 MgO 為保護(hù)層，抑制煙氣產(chǎn)生。⑤SBS+ZB+Evotherm在800 ℃時(shí)瀝青的質(zhì)量剩余率為25.58%，當(dāng)受熱時(shí)，ZB吸收熱量形成不揮發(fā)的玻璃狀液體與SBS和瀝青相容，將其包覆形成隔溫層，防止瀝青裂解生成的煙氣。

綜上，三種復(fù)配后的改性瀝青的降解過(guò)程發(fā)生了較為明顯的變化，熱重曲線均較LT70#瀝青向高溫方向偏移，再結(jié)合表3、表4可知，復(fù)配比單摻的抑煙效果好，在三種復(fù)配改性瀝青的圖中發(fā)現(xiàn)SBS+ZB+Evotherm復(fù)合改性瀝青的抑煙效果最好，質(zhì)量剩余率比基質(zhì)瀝青的提高了13.33%，比另外兩種復(fù)配瀝青的提高了9.32%和0.46%。

2.2 基本物理性能實(shí)驗(yàn)

2.2.1 瀝青三大指標(biāo)測(cè)定 對(duì)單摻及復(fù)配抑煙測(cè)定結(jié)果通過(guò)瀝青三大指標(biāo)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析其基本物理性能，測(cè)試結(jié)果見圖4。

由圖4可知：①外加劑單摻時(shí)：SBS的加入提高了瀝青的軟化點(diǎn)和延度，但針入度有所下降，表明SBS的加入可以改善瀝青的高低溫穩(wěn)定性，但會(huì)使瀝青硬度變大。納米 TiO2的加入使瀝青的延度、針入度和軟化點(diǎn)均下降，表明納米TiO2會(huì)對(duì)瀝青的高溫性能和低溫性能有一定損害。ZB和MH的加入使瀝青的延度和針入度下降，軟化點(diǎn)有所提高，表明ZB和MH對(duì)瀝青的低溫性能有一定損害，但高溫性能有所改善。Evotherm的加入使瀝青的軟化點(diǎn)上升，延度下降，針入度有所下降，表明Evotherm能夠提高瀝青的高溫性能，但對(duì)瀝青的低溫性能和稠度有一定損害。

②外加劑復(fù)配時(shí)：由圖4a、4b可知，三種抑煙復(fù)合改性瀝青的三大指標(biāo)較SBS改性瀝青、基質(zhì)瀝青都有所降低或提高。對(duì)于軟化點(diǎn)，SBS+ZB+Evotherm>SBS+MH+Evotherm>SBS+納米TiO2+Evotherm>SBS>LT70#；對(duì)于延度，SBS>LT70#>SBS+ZB+Evotherm>SBS+納米TiO2+Evotherm>SBS+MH+Evotherm。結(jié)果表明，SBS+ZB+Evotherm這種復(fù)配組合的高溫性能和低溫性能均優(yōu)于另外兩種復(fù)合改性瀝青，SBS和ZB有一定的協(xié)同作用。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱重實(shí)驗(yàn)的最佳抑煙組合相同。

圖4 單摻與復(fù)配三大指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of the three major indicators of singledoping and compounding

2.2.2 Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度 通過(guò)Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，測(cè)試溫度選擇115，135，155，175 ℃，測(cè)定最佳配比下的不同復(fù)合改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度，測(cè)試結(jié)果見圖5。

由圖5可知，隨著溫度升高，摻入Evotherm瀝青的布式旋轉(zhuǎn)黏度小于基質(zhì)瀝青，這表明Evotherm摻入瀝青時(shí)會(huì)降低基質(zhì)瀝青的黏度，增大其高溫流動(dòng)性，改善瀝青的施工和易性；三種復(fù)合改性瀝青的布式黏度隨溫度增加均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，135 ℃時(shí)，三種復(fù)合瀝青、SBS改性瀝青、基質(zhì)瀝青的布式黏度由大到小排序?yàn)镾BS>SBS+ZB+Evotherm>LT70#>SBS+MH+Evotherm>SBS+納米TiO2+Evotherm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SBS+ZB+Evotherm復(fù)合改性瀝青的布式旋轉(zhuǎn)黏度高于另外兩種復(fù)合改性瀝青，可大幅提高瀝青與混合料之間的黏聚力。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱重實(shí)驗(yàn)的最佳抑煙組合相同。

圖5 不同溫度下復(fù)合改性瀝青黏度測(cè)試結(jié)果Fig.5 Composite modified asphalt viscosity test resultsat different temperatures

2.3 動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)

通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)，可以計(jì)算出瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和相位角(σ)。G*/sinσ為抗車撤因子，此系數(shù)越大，表明瀝青抵抗車轍產(chǎn)生的能力越強(qiáng)。測(cè)試結(jié)果見圖6。

圖6 不同溫度下單摻與復(fù)配的車轍因子Fig.6 The rutting factor of the single doping andcompounding at different temperatures

由圖6可知：①在同一溫度下，復(fù)合改性瀝青的抗車轍因子G*/sinσ比單摻的外加劑改性瀝青提高3倍左右，表明復(fù)配外加劑后瀝青中的彈性成分得到增加，提高瀝青的高溫抗車轍能力。在58，64，70 ℃時(shí)，三種抑煙復(fù)合改性瀝青抗車轍因子由小到大排列為：SBS+MH+Evotherm

2.4 抑煙劑抑煙機(jī)理

對(duì)LT70#、外加劑以及最佳配比下的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行紅外光譜測(cè)試及分析，結(jié)果見圖7～圖10。

圖7 外加劑與SBS的紅外光譜圖Fig.7 Infrared spectra of the admixture and SBS

圖8 ZB單摻與復(fù)配的紅外光譜圖Fig.8 Infrared spectra of ZB single-dopedand compounded

圖9 納米TiO2單摻與復(fù)配的紅外光譜圖Fig.9 Infrared spectrogram of nano TiO2single-doped and compounded

圖10 MH單摻與復(fù)配紅外光譜圖Fig.10 MH single-doped and compoundinfrared spectroscopy

3 結(jié)論

本研究通過(guò)在瀝青中摻加 Evotherm、SBS、ZB、MH、納米TiO2，開發(fā)出一種抑煙復(fù)合改性瀝青，通過(guò)上述研究得出以下主要結(jié)論。

(1)Evotherm、SBS、ZB、MH、納米TiO2在單摻及復(fù)配時(shí)，均能起到抑煙作用，復(fù)配時(shí)抑煙效果最佳，且最佳組合為L(zhǎng)T70#+4%SBS+3%ZB+0.6%Evotherm，通過(guò)熱重實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，其瀝青質(zhì)量剩余率比基質(zhì)瀝青的提高了13.33%，比另外兩種復(fù)配瀝青的提高了9.32%和0.46%。

(2)LT70#+4%SBS+3%ZB+0.6%Evotherm在瀝青三大指標(biāo)實(shí)驗(yàn)中，針入度比基質(zhì)瀝青的降低了20.4×0.1 mm，比另外兩種復(fù)配瀝青的提高了9.8%和5.3%；軟化點(diǎn)比基質(zhì)瀝青的提高了26 ℃，比另外兩種復(fù)配瀝青的提高了1.5 ℃和0.8 ℃；15 ℃時(shí)的延度較基質(zhì)瀝青降低了6.4 cm，比另外兩種復(fù)配瀝青的提高了10.3 cm和17.5 cm。

(3)LT70#+4%SBS+3%ZB+0.6%Evotherm在動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，70 ℃時(shí)的車轍因子比另外兩種復(fù)配瀝青的提高了19.5%和20.5%，表現(xiàn)出良好的高溫抗車轍能力。

(4)LT70#+4%SBS+3%ZB+0.6%Evotherm復(fù)合改性瀝青受熱后，ZB會(huì)形成B2O3和ZnO減少瀝青煙氣，SBS會(huì)與瀝青發(fā)生作用形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，限制了瀝青輕組分的揮發(fā)。ZB、SBS和Evotherm的共同作用，使瀝青煙氣減少。