賴智欽

(保利長大工程有限公司,廣州 510620)

0 引言

瀝青路面憑借優(yōu)良的路用性能在高速公路建設中占據(jù)了較大的比重，特別在較發(fā)達的區(qū)域，瀝青路面的大面積應用有助于改善城市的形象，提高人們出行的行車舒適體驗。傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料需要在較高的溫度下進行拌合與施工，整個過程不僅消耗較多燃料，還會產(chǎn)生大量有毒廢氣和溫室氣體，對環(huán)境造成嚴重的污染[1-2]。公路隧道空間狹窄，前期通風設施未到位導致自然通風條件下空氣流通不暢，這種密閉環(huán)境下難以實施瀝青混合料高溫作業(yè)；與此同時，隧道內(nèi)光線不足，能見度低，工作面狹小，導致施工機械難以施展，進而影響路面實體質(zhì)量[3-4]。為解決上述施工安全與施工質(zhì)量等問題，歐洲較早提出了溫拌工藝施工瀝青路面，通過添加降粘劑或發(fā)泡工藝來使得瀝青膠結(jié)料降粘減阻，使其在低溫狀態(tài)下依然能保持良好的施工和易性[5-6]。該技術較為符合歐美國家的環(huán)保理念與能源消耗過大等問題，近年來在我國也越來越得到關注，尤其是隧道鋪裝應用較多。

目前關于溫拌瀝青混合料路用性能的研究取得豐富的成果，但是針對溫拌瀝青混合料的瀝青煙排放改善與化學成分的定量分析研究較少。本文通過室內(nèi)試驗方法，選擇2種市面常用的溫拌劑生產(chǎn)溫拌瀝青混合料，與熱拌瀝青混合料的主要路用性能進行對比，并收集瀝青混合料拌合過程的排放煙霧進行檢測與化學成分分析，以此為隧道鋪面項目的溫拌工藝選用與施工組織提供參考。

1 隧道瀝青混合料施工環(huán)境

1.1 溫度分析

根據(jù)瀝青路面的施工標準，熱拌瀝青混合料成品溫度為155℃～180℃，攤鋪溫度在135℃～160℃范圍。對于長隧道，施工環(huán)境較為封閉，主要體現(xiàn)在年溫差較小、濕度比洞外高5%～15%，自然通風狀態(tài)下的空氣流通難以保證。熱拌瀝青混合料施工時，隨著運料車不斷地卸料、攤鋪，混合料作為不斷增大的熱源將持續(xù)與隧洞空氣產(chǎn)生熱交換，在短時間的累積下環(huán)境溫度將超過50℃。這種熱量聚集狀態(tài)下的施工屬于高溫作業(yè)，一方面加速作業(yè)人員的水鹽代謝，持續(xù)的高溫也對人體的代謝系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生損害；另一方面，空氣的不流通使得人員體感溫度增加，及容易促發(fā)工人的焦躁情緒，影響人體肌肉協(xié)調(diào)性和工作效率，且容易發(fā)生安全事故。因此需要做好施工期間的機械通風、照明和輪班安排，一定程度改善施工環(huán)境與減少安全隱患。

1.2 粉塵、煙、氣污染

隧道路面施工在施工機械的擾動下，隧道的下承層路面和洞壁容易揚塵，主要為0.1mm以下的巖石粉末、水泥粉塵等。細小的粉塵顆粒(0.01mm以下)容易在密閉的隧道中形成氣溶膠，作業(yè)人員防護不當極易呼吸入體，長時間暴露積累會引發(fā)支氣管和肺部感染等健康問題。瀝青路面施工過程會釋放大量瀝青煙，尤其是在攤鋪機螺旋布料過程的煙霧濃度最大，并伴隨著刺激性氣味，對人體皮膚、粘膜、神經(jīng)、肝臟功能均具有一定的危害性。此外，施工機械，包括運料車、攤鋪機、壓路機等車輛排放尾氣，以及隧道巖層釋放的瓦斯、甲烷、硫化氫等有害氣體，對人體危害較大，且存在可燃氣體遇火爆炸的安全隱患。

2 原材料的選擇

2.1 瀝青

采用殼牌SBS瀝青，根據(jù)美國SHRP的PG分級為PG 76-22。瀝青主要技術指標見表1，均能滿足技術要求。

表1 SBS改性瀝青技術指標

2.2 溫拌劑

試驗分別選用市場上目前較主流的Honeywell和Evotherm溫拌劑，根據(jù)溫拌劑的操作說明書配制溫拌瀝青混合料。Honeywell 溫拌劑選擇HTA型，其表觀為白色粉末，摻量為礦料質(zhì)量的0.2%～0.3%，物理性質(zhì)指標見表2。本次試驗選擇摻量為0.25%，混合料拌和溫度145℃。Evotherm溫拌劑選用維實偉克生產(chǎn)的表面活性溫拌劑，其性能指標見表3。Evotherm溫拌劑用量為瀝青質(zhì)量的5%，成型溫度為145℃。

表2 Honeywell溫拌劑基本物理性質(zhì)指標

表3 Evotherm溫拌劑性能指標

2.3 集料與級配

集料采用廣西貴港石牛嶺石場加工生產(chǎn)的10～18mm、5～10mm、3～5mm輝綠巖碎石和項目自加工的0～3mm石灰?guī)r機制砂。混合料采用廣東省應用較多的GAC-16C型，油石比為4.7%，礦料級配見表4。

表4 礦料級配

3 瀝青混合料路用性能

3.1 高溫性能

對瀝青混合料進行車轍試驗。按照試驗規(guī)程的標準操作成型車轍板試件，并在60℃下做膠輪往返碾壓測試，計算單位豎向變形下的作用次數(shù)，評定瀝青路面的高溫抗變形能力。測試結(jié)果見表5，可知Honeywell溫拌劑和Evotherm溫拌劑的混合料動穩(wěn)定度略小于熱拌瀝青混合料約8.5%和6.1%，但均明顯高于規(guī)范技術標準。

表5 瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

3.2 低溫性能

對混合料開展低溫性能試驗，按照試驗規(guī)程成型小梁試件(250mm×30mm×35mm)，在-10℃進行三點彎曲加載試驗。測得的彎曲破壞應變結(jié)果見表6。Honeywell溫拌瀝青混合料的試驗結(jié)果比熱拌瀝青混合料高約8%，而Evotherm溫拌瀝青混合料略小，但三種混合料均滿足規(guī)范要求(≥2 500με)。

表6 瀝青混合料低溫試驗結(jié)果

3.3 水穩(wěn)定性

通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來測試對應的穩(wěn)定度、劈裂強度變化，以此評價混合料的水穩(wěn)定性能。試驗結(jié)果見表7。Honeywell溫拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比下降1.3%和0.9%；而Evotherm溫拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比下降1.7%和1.3%，主要與溫拌劑對瀝青與集料黏附界面的干擾及較低拌合溫度引起，但是整體差別不大，均滿足廣東氣候分區(qū)對應的技術標準。

表7 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

4 瀝青混合料的瀝青煙濃度檢測與分析

為準確分析不同混合料散發(fā)的瀝青煙濃度，按照《固定污染源排氣中瀝青煙的測定 重量法》(HJ/T 45-1999)中對瀝青煙的檢測方法，使用空氣動力裝置與采樣管組合，主動吸收混合料散發(fā)的煙氣，通過一定時間的累積，瀝青煙顆粒將聚集在玻璃纖維濾筒中，然后可以采用高精度天平測量瀝青煙顆粒的重量。

4.1 測試方法與流程

(1)空氣動力裝置：采集流速大且穩(wěn)定的美國Thomas空氣泵，采集流速設定為標準的2.5L/min。

(2)集煙裝置：使用規(guī)程(HJ/T 45-1999)中規(guī)定的標準瀝青煙采樣管。

(3)連接方法：將空氣泵的進氣口與瀝青煙采樣管的抽氣端進行對接，啟動空氣泵電源即可對煙氣進行采集。

(4)試驗準備：對玻璃纖維濾筒進行編號，置于干燥器中24h，稱量至恒重。

(5)瀝青煙的采集和濃度計算：瀝青煙采集管中的玻璃纖維濾筒是集煙的關鍵部位，使用過程中為避免用手直接接觸而造成測量誤差，應使用鑷子進行安放和夾取。啟動空氣泵，進行規(guī)定時間內(nèi)的瀝青煙采集，考慮到瀝青煙散發(fā)量和天平稱量精度，為減少試驗誤差，試驗采樣時間設定為20min。將采樣后的濾筒放入干燥器中靜置24h，用高精度天平稱量至0.1mg。根據(jù)空氣泵流速和實際采集時間，可計算得到采樣體積，然后計算得到單位體積的瀝青煙質(zhì)量，即瀝青煙濃度，單位為mg/m3。

4.2 瀝青煙濃度分析

室內(nèi)瀝青煙采樣過程中，對不同瀝青混合料的瀝青煙采樣進行各3組平行試驗檢測(如圖1所示)。其中，每組試驗均采用約11kg的混合料在溫拌和熱拌拌和溫度下進行拌和，并將瀝青煙采樣管的管口對準瀝青拌鍋的加料口,進行瀝青煙采集，采集時間為20min。瀝青煙采樣管的采集速率為2.5L/min，并在高精度電子秤上稱重計量，以確保每組試驗結(jié)果的準確性。

圖1 瀝青煙采集試驗過程

表8 不同工況條件下的瀝青煙濃度檢測結(jié)果

通過對比試驗前后濾筒內(nèi)壁附著物可以明顯看出，在同樣的室內(nèi)試驗檢測條件下，熱拌工藝下產(chǎn)生的瀝青煙附著在濾筒內(nèi)壁上呈深黃色且伴隨較多的黑色顆粒物；而當采用溫拌工藝時，無論是哪類溫拌工藝，室內(nèi)采集的瀝青煙附著在濾筒內(nèi)壁上的顆粒物相比熱拌工藝有了明顯減少，且濾筒內(nèi)壁上僅呈現(xiàn)淡黃色。結(jié)合瀝青煙濃度試驗檢測結(jié)果(表8)來看，在熱拌工藝下，瀝青煙濃度均值為108.7mg/m3，單點檢測最高值可達118mg/m3；在溫拌工藝下，瀝青煙濃度顯著降低，其中采用Honeywell、Evotherm溫拌劑的瀝青煙濃度均值分別為36.7mg/m3與39.3 mg/m3。根據(jù)廣東省大氣污染物排放標準(DB44/27-2001)，密閉車間內(nèi)空氣中瀝青煙容許濃度為40mg/m3。熱拌工藝下的瀝青煙濃度值已達到允許值的2.5倍以上，而溫拌工藝下的瀝青煙濃度均比熱拌工藝下降了50%以上，略低于容許濃度，能夠有效保障人員的健康。而且，隨著溫拌工藝拌和溫度的降低，瀝青煙濃度明顯下降，能夠明顯改善隧道內(nèi)瀝青路面施工的能見度。

5 瀝青混合料的瀝青煙成分分析

瀝青煙成分復雜，主要成分為多環(huán)芳烴和雜環(huán)化合物，此外還有100多種萘、酚類物質(zhì)，對人體會造成不同程度的影響。對于顆粒狀化合物成分分析方法較多，其中質(zhì)譜分析法是較為常用且可靠的檢測分析方法[8]。因此，本項目利用質(zhì)譜分析法對溫拌工藝和熱拌工藝下的瀝青煙顆粒物成分進行各成分的毒性分析，試驗過程包括瀝青煙采集取樣、有機溶劑抽提、抽濾定容、制作樣品等，并開展質(zhì)譜分析檢測，如圖2所示。

圖2 瀝青煙分析過程

經(jīng)質(zhì)譜分析檢測得到的熱拌工藝與溫拌工藝下的瀝青煙有效成分檢測結(jié)果及影響分析見表9。

表9 瀝青煙成分分析

續(xù)上表

從檢測結(jié)果來看，在熱拌工藝下的瀝青煙主要成分共10種，它們大多屬于芳香烴化合物，大部分成份各自對人體健康存在不同程度的危害。它們主要是對人體眼睛、皮膚、粘膜和呼吸道有刺激性，且氯苯和二異丙基甲烷兩種成分均對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有抑制和麻醉作用，嚴重的可引起麻醉、昏迷癥狀甚至引起中毒性肝炎或腎臟損害等，屬于高危險性成分。因此，若長期在隧道內(nèi)從事熱拌瀝青路面施工作業(yè)，特別是當施工人員處于通風效果不良的瀝青路面施工環(huán)境中時，對施工人員的健康將造成不可逆轉(zhuǎn)的危害。而采用了溫拌工藝后，瀝青煙的有效成分雖然在總數(shù)量上沒發(fā)生太大的變化，但是從瀝青煙成分中對人體有害的成分有所降低，尤其是已沒有高毒性成分的存在。且由于溫拌工藝下，瀝青混合料的施工溫度有所下降，其瀝青煙濃度亦有所下降，各類刺激性成分的濃度也將有所下降。采用溫拌工藝雖然并不能完全避免瀝青煙對人體的傷害，但在溫拌工況下人體感官(眼、口鼻)的不適感已明顯降低，將瀝青煙對施工人員身體健康的傷害最小化。

6 結(jié)論

(1)Honeywell溫拌劑和Evotherm溫拌劑的摻加，可以明顯降低瀝青混合料的拌和溫度，其路用性能(高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性)接近甚至超過熱拌混合料的路用性能，且均達到廣東省的氣候分區(qū)要求。

(2)溫拌瀝青混合料的瀝青煙濃度可比熱拌混合料瀝青煙減少50%以上，采用溫拌技術可以在保證瀝青混合料路用性能的同時通過降低拌和溫度，可有效減少瀝青煙的生成量，有助于改善隧道施工環(huán)境可見度。

(3)利用質(zhì)譜分析法對溫拌工藝和熱拌工藝下的瀝青煙顆粒物成分進行毒性分析，檢測出瀝青煙成分大多為芳香烴化合物，對人體都將產(chǎn)生一定的健康危害，使用溫拌技術能較好地減少對人體損害的氣體濃度。