唐新端　冉德欽　任廣軍　李軼然　劉飛　劉方韜

摘? ????要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)瀝青路面溫拌施工減少釋放揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）量化評(píng)價(jià)，依托山東省S201東線田和至溫泉段工程項(xiàng)目的陶家夼隧道和東夼隧道的瀝青路面鋪裝工程，比較了熱拌與溫拌施工工況下的隧道內(nèi)VOCs的成分和質(zhì)量濃度。結(jié)果表明：隧道溫拌瀝青混合料技術(shù)比熱拌技術(shù)產(chǎn)生更少的VOCs，熱拌工藝采集到的各種VOCs成分都比溫拌工藝的質(zhì)量濃度大，總量上前者是后者的1.61倍。二氯甲烷、三氯甲烷、1，1，2-三氯乙烷、乙苯、間-二甲苯、對(duì)-二甲苯、鄰-二甲苯和1，2，4-三甲基苯這些VOCs的產(chǎn)生受溫度影響比較大。在采集到的VOCs中，隧道熱拌攤鋪機(jī)上采集到的VOCs質(zhì)量濃度最高的是三氯甲烷、甲苯、間-二甲苯和????? 對(duì)-二甲苯，對(duì)其VOCs總量的貢獻(xiàn)率為47.50%;隧道溫拌攤鋪機(jī)上質(zhì)量濃度最高的是甲苯、四氯乙烯和三氯甲烷，對(duì)其VOCs總量的貢獻(xiàn)率為56.49%。

關(guān) 鍵 詞：隧道;溫拌;瀝青混合料;揮發(fā)性有機(jī)物;GC-MS

中圖分類號(hào)：X513?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A????? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2020）07-1460-04

Analysis of Volatile Organic Compounds （VOCs） Based on the Warm

Mixing Process of the Tunnel Asphalt Pavement by GC-MS

TANG Xin-duan1， RAN De-qin2， REN Guang-jun1， LI Yi-ran2， LIU Fei1， LIU Fang-tao2

（1. Weihai Road Development Center， Weihai 250102， China;?? 2. Shandong Transportation Institute， Jinan 250104， China）

Abstract： In order to realize the quantitative evaluation of reducing volatile organic compounds （VOCs） released by the warm mixing construction of asphalt pavement in the tunnel， based on the Taojiakuang tunnel and Dongkuang tunnel asphalt pavement engineering of Shandong province S201 east line Tianhe-Wenquan reconstruction project， the composition and mass concentrations of VOCs in the tunnel under the hot mixing and warm mixing construction conditions were compared. The results showed that warm mixing asphalt process produced less VOCs than hot mixing process， and the VOCs components collected by hot mixing process were higher than those of warm mixing process， the former was 1.61 times higher than the latter in total. The production of dichloromethane， trichloromethane， 1，1，2-trichloroethane， ethylbenzene， m-xylene， p-xylene， o-xylene and 1，2，4-trimethylbenzene in the VOCs was greatly affected by temperature. In the VOCs collected in the hot mixing process， the components with highest mass concentration were chloroform， toluene and m-xylene， p-xylene， with the contribution rate of 47.50%; In the VOCs collected in the warm mixing process， the components with highest mass concentration were toluene， tetrachloroethylene and trichloromethane， with the contribution rate of 56.49%.

Key words： Tunnel ; Warm mixing; Asphalt; VOCs; GC-MS

近年來，在新建隧道路面和隧道路面改造工程中，瀝青混凝土路面以無接縫、噪音小、平整性好、抗滑性強(qiáng)、行車平穩(wěn)、舒適性強(qiáng)、路面養(yǎng)護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)，正越來越多地運(yùn)用到隧道路面鋪裝中^[1]。然而在隧道瀝青路面施工過程中，由于環(huán)境比較封閉，瀝青混合料溫度較高，導(dǎo)致隧道內(nèi)施工現(xiàn)場瀝青煙霧彌漫^[2]，其中瀝青煙中的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）容易污染環(huán)境，并給現(xiàn)場施工人員的身體健康帶來不可逆轉(zhuǎn)的傷害^[3-4]，這些問題一直束縛著它在隧道內(nèi)的應(yīng)用。溫拌瀝青混合料技術(shù)可以在滿足使用要求的前提下在較低溫度下對(duì)瀝青混合料進(jìn)行拌和，使瀝青的黏度降低，可有效減少瀝青在高溫下釋放VOCs^[5]。

目前，關(guān)于隧道內(nèi)溫拌瀝青混合料的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)點(diǎn)的報(bào)道已有很多^[6-7]，但對(duì)于隧道內(nèi)溫拌瀝青混合料減少VOCs排放、降低對(duì)大氣的污染和對(duì)施工人員身體健康的危害的研究較少。本文依托山東省S201東線田和至溫泉段改建威工程項(xiàng)目，在隧道瀝青面層施工現(xiàn)場分別對(duì)普通熱拌施工和溫拌施工下隧道內(nèi)瀝青混合料攤鋪?zhàn)鳂I(yè)現(xiàn)場的VOCs分別進(jìn)行了GC-MS對(duì)比分析，對(duì)溫拌瀝青在減少VOCs方面進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 儀器及設(shè)備

Trace GCULTRA DSQⅡ型氣相色譜-質(zhì)譜儀;熱脫附裝置：配置MARKES全自動(dòng)熱脫附裝置，帶二級(jí)冷阱能對(duì)吸附采樣管進(jìn)行二級(jí)熱脫附，并將脫附氣用載氣帶入氣相色譜，脫附溫度、脫附時(shí)間及流速可調(diào)，冷阱能實(shí)現(xiàn)快速升溫，冷阱采用電子制冷;氣體采樣泵ZR-3713;6 mm×150 mm Tenax 采樣管，Tenax管在使用前要經(jīng)過老化，吸附管老化裝置，配備Superlab吸附管老化儀SC-10，最高溫度可達(dá)到 400 ℃以上，總流量可調(diào)整范圍 0～1 000 mL·min^-1，最大升溫速率60 ℃·min^-1。

甲醇，色譜純;4-溴氟苯，質(zhì)量濃度為???????? 2 000 mg·L^-1;35 種VOCs混合標(biāo)準(zhǔn)品含：1，1，2-三氯-1，2，2-三氟乙烷、1，1-二氯乙烯、氯丙烯、二氯甲烷、1，1-二氯乙烷、順式-1，2-二氯乙烯、三氯甲烷、1，1，1-三氯乙烷、四氯化碳、1，2-二氯乙烷、苯、三氯乙烯、1，2-二氯丙烷、順式-1，3-二氯丙烯、甲苯、反式-1，3-二氯丙烯、1，1，2-三氯乙烷、四氯乙烯、1，2-二溴乙烷、氯苯、乙苯、間，對(duì)-二甲苯、鄰-二甲苯、苯乙烯、1，1，2，2-四氯乙烷、4-乙基甲苯、1，3-二氯苯、1，4-二氯苯、芐基氯、1，2-二氯苯、1，2，4-三氯苯、六氯丁二烯、1，3，5-三甲基苯、1，2，4-三甲基苯，質(zhì)量濃度均為2 000 mg·L^-1。

1.2? 樣品采集

在瀝青混合料正常攤鋪、壓實(shí)之前，將氣體采樣泵固定在熱拌或者溫拌瀝青的攤鋪機(jī)上，將Tenax吸附管與采樣泵管路正常連接后，將吸附管的進(jìn)氣口固定在攤鋪機(jī)或者壓路機(jī)上，進(jìn)氣口方向?qū)?zhǔn)瀝青混合料或路面，采樣器流量設(shè)置為???? 100 mL·min^-1，采樣時(shí)間設(shè)為20 min，在路面正常攤鋪?zhàn)鳂I(yè)過程中進(jìn)行采樣，采樣工況體積為2 L。

1.3? 采樣條件

采樣時(shí)的溫度20 ℃，氣壓為101 kPa，熱拌和溫拌瀝青混合料施工時(shí)的采樣條件基本一致。熱拌時(shí)路面攤鋪時(shí)路面溫度約180 ℃左右，采樣位置為陶家夼隧道。攤鋪時(shí)溫拌路面溫度約為160 ℃左右，采樣位置為東夼隧道。兩個(gè)新建隧道的路面結(jié)構(gòu)均為4 cm SBS改性瀝青瑪蹄脂碎石（SMA-13）+?? 6 cm中粒式SBS改性瀝青混凝土（AC-20）+26 cm水泥混凝土+20 cm水泥穩(wěn)定碎石。

1.4? 分析條件

熱脫附條件：吸附管初始溫度為室溫，聚焦冷阱初始溫度為室溫，干吹流量為40 mL·min^-1，干吹時(shí)間為2 min，吸附管脫附溫度為300 ℃，吸附采樣管脫附時(shí)間為3 min，脫附流量為40 mL^·min^-1，聚焦冷阱溫度為-10 ℃，聚焦冷阱脫附溫度為300 ℃，冷阱脫附時(shí)間為5 min，傳輸線溫度為150 ℃。

氣相色譜儀條件：進(jìn)樣口溫度為200 ℃，進(jìn)樣方式為分流進(jìn)樣，分流比 30∶1，柱流量為????? 1.5 mL·min^-1（恒流模式）;柱箱升溫程序?yàn)?0 ℃開始保持1 min，以5 ℃·min^-1 的升溫速率升至90 ℃，保持 3 min，以6 ℃·min^-1 的升溫速率升至140 ℃，保持 0 min，以15 ℃·min^-1 的升溫速率升至220 ℃，保持3 min，再以10 ℃·min^-1 的升溫速率升至230 ℃，保持3 min，總程序時(shí)間為34.67 min。

質(zhì)譜儀條件：掃描方式為全掃描SCAN，掃描范圍為35～300 amu，電子轟擊源EI，離子源溫度為230 ℃，傳輸線溫度為260 ℃，離子化能量為70 eV，溶劑延遲為3 min，電子倍增電壓與調(diào)諧電壓一致。

吸附管老化條件：老化溫度為300 ℃，老化時(shí)間為60 min，流量為0.8 L·min^-1。

2? 結(jié)果與分析

按1.3中的試驗(yàn)條件對(duì)隧道內(nèi)熱拌和溫拌攤鋪機(jī)上采集的VOCs成分進(jìn)行分析，得到總離子流色譜圖，見圖1、圖2、圖3和圖4。

根據(jù)上述總離子流色譜圖獲得每種VOCs的特征離子和保留時(shí)間，確定各種VOCs的定量離子和掃描時(shí)間窗口，利用時(shí)間窗口內(nèi)定量離子的峰面積通過外標(biāo)法定量，得到兩種隧道瀝青路面施工技術(shù)瀝青混合料釋放的VOCs成分的質(zhì)量濃度，見表1。

為了減少外界因素的干擾，將同一施工工藝下采集到的VOCs成分的質(zhì)量濃度求均值，并添加上各種VOCs成分的沸點(diǎn)信息，得表2。

由表2中數(shù)據(jù)可知，兩種工藝采集到的樣品中所含VOCs種類是一樣的，都是14種，分別是：1，1，2-三氯-1，2，2-三氟乙烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、苯、三氯乙烯、甲苯、1，1，2-三氯乙烷、四氯乙烯、乙苯、間，對(duì)-二甲苯、鄰-二甲苯、苯乙烯和1，2，4-三甲基苯。但是VOCs各成分的質(zhì)量濃度卻有很大的差異。

總的來說，熱拌攤鋪機(jī)上采集到的各種VOCs成分都比溫拌攤鋪機(jī)上的質(zhì)量濃度大，總量上前者是后者的1.61倍。這有力地說明了溫拌瀝青技術(shù)減少了VOCs的排放。溫度是影響瀝青VOCs釋放量和組成的主要因素^[8-9]，隨著溫度的增加，瀝青中VOCs的組分更加復(fù)雜且釋放量逐漸增加。溫度越高，黏度越小，表面張力越小，瀝青中的輕質(zhì)組分越易從內(nèi)部擴(kuò)散出氣液界面進(jìn)入到氣相中^[10]。由于溫拌瀝青混合料技術(shù)可以在滿足使用要求的前提下在較低溫度條件下進(jìn)行拌和，使得瀝青黏度降低，因此可有效減少瀝青在高溫下釋放VOCs的種類和釋放量。

若以沸點(diǎn)為121.2 ℃的四氯乙烯為分界線，沸點(diǎn)高于此沸點(diǎn)的有機(jī)物為高沸點(diǎn)VOCs，低于此沸點(diǎn)的有機(jī)物為低沸點(diǎn)VOCs，大體可以看出，熱拌攤鋪機(jī)上采集到的高沸點(diǎn)VOCs比溫拌攤鋪機(jī)上的質(zhì)量濃度大的程度較低沸點(diǎn)VOCs要高。熱拌時(shí)隧道路面攤鋪時(shí)路面溫度約180 ℃左右，攤鋪時(shí)溫拌隧道路面溫度約為160 ℃左右，低沸點(diǎn)VOCs在這兩種工藝都可以揮發(fā)出來，而高沸點(diǎn)VOCs在熱拌攤鋪時(shí)可以揮發(fā)出來而在溫拌攤鋪時(shí)則不能完全揮發(fā)出來，因此呈現(xiàn)出上述規(guī)律。

二氯甲烷、三氯甲烷、1，1，2-三氯乙烷、乙苯、間，對(duì)-二甲苯、鄰-二甲苯和1，2，4-三甲基苯這些VOCs在熱拌工藝條件下的質(zhì)量濃度都是溫拌條件下的2倍以上，其中乙苯則達(dá)到了4.01倍，這說明溫拌技術(shù)有利于抑制這些VOCs的揮發(fā)，因?yàn)樗鼈兊漠a(chǎn)生受溫度影響比較大。據(jù)熱力學(xué)定律可知溫度能加快反應(yīng)的進(jìn)行，由此而知，溫度對(duì)瀝青VOCs的揮發(fā)也有促進(jìn)作用^[11]。

在采集到的VOCs中，隧道熱拌攤鋪機(jī)上采集到的VOCs質(zhì)量濃度最高的是三氯甲烷、甲苯和? 間-二甲苯、對(duì)-二甲苯，對(duì)其VOCs總量的貢獻(xiàn)率為47.50%;隧道溫拌攤鋪機(jī)上質(zhì)量濃度最高的是甲苯、四氯乙烯和三氯甲烷，對(duì)其VOCs總量的貢獻(xiàn)率為56.49%。

3? 結(jié)論

1）隧道溫拌瀝青混合料技術(shù)比熱拌技術(shù)產(chǎn)生更少的VOCs，熱拌工藝采集到的各種VOCs成分都比溫拌工藝的質(zhì)量濃度大，總量上前者是后者的1.61倍。

2）二氯甲烷、三氯甲烷、1，1，2-三氯乙烷、乙苯、間-二甲苯、對(duì)-二甲苯、鄰-二甲苯和1，2，4-三甲基苯這些VOCs的產(chǎn)生受溫度影響比較大。

3）在采集到的VOCs中，隧道熱拌攤鋪機(jī)上采集到的VOCs質(zhì)量濃度最高的是三氯甲烷、甲苯和間-二甲苯、對(duì)-二甲苯，對(duì)其VOCs總量的貢獻(xiàn)率為47.50%;隧道溫拌攤鋪機(jī)上質(zhì)量濃度最高的是甲苯、四氯乙烯和三氯甲烷，對(duì)其VOCs總量的貢獻(xiàn)率為56.49%。

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基金項(xiàng)目： S201東線田和至溫泉段改建工程“綠色公路”課題研究項(xiàng)目，山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2018GGX105001）。

收稿日期： 2020-03-30

作者簡介：唐新端（1984-），男，山東省滕州市人，工程師， 2006年畢業(yè)于山東交通學(xué)院土木工程專業(yè)，研究方向：公路橋隧試驗(yàn)。

通訊作者：? 冉德欽，E-mail：randeqin@126.com。