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.中鐵十四局集團有限公司,山東 泰安 271000;3.天津高速公路集團有限公司,天津 300384)
在我國的現(xiàn)有道路中,瀝青路面占比達(dá)80%以上,然而在攤鋪過程中瀝青產(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]。本文將外加劑進行復(fù)配,對外加劑復(fù)配后的基本物理性能、抑煙效果及抑煙機理進行研究。
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),測試 LT70#基質(zhì)瀝青的基本性能實驗結(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驗規(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,由美國杜邦有限責(zé)任公司生產(chǎn)。通過表面活性劑來改變?yōu)r青分子間的極性,降低黏度。宋金生[12]通過研究不同溫拌劑對瀝青技術(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由河北省邢臺市清河縣科特新材料科技有限公司提供。SBS受熱后會與瀝青中的部分組分形成交聯(lián),抑制瀝青的分解[13];MH在受熱時會吸收大量的熱,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對于瀝青煙氣有降解效果[16]。
1.1.4 實驗儀器 FJ300-SH數(shù)顯高速分散均質(zhì)機;HCT-3熱分析系統(tǒng);SYD-2806E全自動瀝青軟化點試驗器;SY-1.5B 型恒溫數(shù)顯瀝青延伸度儀;SYD-2801E瀝青針入度測試儀;Brookfield DV-Ⅱ+pro型旋轉(zhuǎn)黏度計;MCR102流變儀;TENSOR27傅里葉變換紅外光譜儀。
本實驗以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%,通過熱重實驗結(jié)果確定其最佳摻量,制備3種抑煙瀝青,從基本物理實驗和熱重實驗結(jié)果中優(yōu)選出一種抑煙效果最好的復(fù)合改性瀝青。
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。
2.1.1 單摻外加劑抑煙效果測定 熱重實驗在 50~800 ℃下對單摻和復(fù)配瀝青的質(zhì)量剩余率進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 單摻外加劑熱重實驗測試結(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進行復(fù)配,測試結(jié)果見表4、圖1~圖3。
表4 復(fù)配外加劑熱重實驗測試結(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 ℃時的質(zhì)量剩余率為12.25%,LT70#在270 ℃開始分解,此時,瀝青大分子主鏈中主要發(fā)生一些弱鍵的斷裂,同時伴有低分子烴類的物理揮發(fā);在 410 ℃質(zhì)量急劇下降,說明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,吸附瀝青中的輕組分。④SBS+MH+Evotherm在800 ℃時瀝青的質(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 為保護層,抑制煙氣產(chǎn)生。⑤SBS+ZB+Evotherm在800 ℃時瀝青的質(zhì)量剩余率為25.58%,當(dāng)受熱時,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%。
2.2.1 瀝青三大指標(biāo)測定 對單摻及復(fù)配抑煙測定結(jié)果通過瀝青三大指標(biāo)實驗進一步分析其基本物理性能,測試結(jié)果見圖4。
由圖4可知:①外加劑單摻時:SBS的加入提高了瀝青的軟化點和延度,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、針入度和軟化點均下降,表明納米TiO2會對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,軟化點有所提高,表明ZB和MH對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,但對瀝青的低溫性能和稠度有一定損害。
②外加劑復(fù)配時: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。對于軟化點,SBS+ZB+Evotherm>SBS+MH+Evotherm>SBS+納米TiO2+Evotherm>SBS>LT70#;對于延度,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。該實驗結(jié)果與熱重實驗的最佳抑煙組合相同。
圖4 單摻與復(fù)配三大指標(biāo)實驗結(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Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度計,測試溫度選擇115,135,155,175 ℃,測定最佳配比下的不同復(fù)合改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度,測試結(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摻入瀝青時會降低基質(zhì)瀝青的黏度,增大其高溫流動性,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,135 ℃時,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為SBS>SBS+ZB+Evotherm>LT70#>SBS+MH+Evotherm>SBS+納米TiO2+Evotherm,實驗結(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。該實驗結(jié)果與熱重實驗的最佳抑煙組合相同。
圖5 不同溫度下復(fù)合改性瀝青黏度測試結(jié)果Fig.5 Composite modified asphalt viscosity test resultsat different temperatures
通過動態(tài)剪切流變實驗,可以計算出瀝青的復(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。測試結(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,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 對LT70#、外加劑以及最佳配比下的復(fù)合改性瀝青進行紅外光譜測試及分析,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 本研究通過在瀝青中摻加 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,均能起到抑煙作用,復(fù)配時抑煙效果最佳,且最佳組合為LT70#+4%SBS+3%ZB+0.6%Evotherm,通過熱重實驗結(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)實驗中,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在動態(tài)剪切流變實驗結(jié)果中,70 ℃時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會形成B2O3和ZnO減少瀝青煙氣,SBS會與瀝青發(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。2.4 抑煙劑抑煙機理
3 結(jié)論