温拌沥青混合料路用性能与沥青烟成分特性

赖智钦

(保利长大工程有限公司,广州 510620)

0 引言

沥青路面凭借优良的路用性能在高速公路建设中占据了较大的比重，特别在较发达的区域，沥青路面的大面积应用有助于改善城市的形象，提高人们出行的行车舒适体验。传统的热拌沥青混合料需要在较高的温度下进行拌合与施工，整个过程不仅消耗较多燃料，还会产生大量有毒废气和温室气体，对环境造成严重的污染[1-2]。公路隧道空间狭窄，前期通风设施未到位导致自然通风条件下空气流通不畅，这种密闭环境下难以实施沥青混合料高温作业；与此同时，隧道内光线不足，能见度低，工作面狭小，导致施工机械难以施展，进而影响路面实体质量[3-4]。为解决上述施工安全与施工质量等问题，欧洲较早提出了温拌工艺施工沥青路面，通过添加降粘剂或发泡工艺来使得沥青胶结料降粘减阻，使其在低温状态下依然能保持良好的施工和易性[5-6]。该技术较为符合欧美国家的环保理念与能源消耗过大等问题，近年来在我国也越来越得到关注，尤其是隧道铺装应用较多。

目前关于温拌沥青混合料路用性能的研究取得丰富的成果，但是针对温拌沥青混合料的沥青烟排放改善与化学成分的定量分析研究较少。本文通过室内试验方法，选择2种市面常用的温拌剂生产温拌沥青混合料，与热拌沥青混合料的主要路用性能进行对比，并收集沥青混合料拌合过程的排放烟雾进行检测与化学成分分析，以此为隧道铺面项目的温拌工艺选用与施工组织提供参考。

1 隧道沥青混合料施工环境

1.1 温度分析

根据沥青路面的施工标准，热拌沥青混合料成品温度为155℃～180℃，摊铺温度在135℃～160℃范围。对于长隧道，施工环境较为封闭，主要体现在年温差较小、湿度比洞外高5%～15%，自然通风状态下的空气流通难以保证。热拌沥青混合料施工时，随着运料车不断地卸料、摊铺，混合料作为不断增大的热源将持续与隧洞空气产生热交换，在短时间的累积下环境温度将超过50℃。这种热量聚集状态下的施工属于高温作业，一方面加速作业人员的水盐代谢，持续的高温也对人体的代谢系统和神经系统产生损害；另一方面，空气的不流通使得人员体感温度增加，及容易促发工人的焦躁情绪，影响人体肌肉协调性和工作效率，且容易发生安全事故。因此需要做好施工期间的机械通风、照明和轮班安排，一定程度改善施工环境与减少安全隐患。

1.2 粉尘、烟、气污染

隧道路面施工在施工机械的扰动下，隧道的下承层路面和洞壁容易扬尘，主要为0.1mm以下的岩石粉末、水泥粉尘等。细小的粉尘颗粒(0.01mm以下)容易在密闭的隧道中形成气溶胶，作业人员防护不当极易呼吸入体，长时间暴露积累会引发支气管和肺部感染等健康问题。沥青路面施工过程会释放大量沥青烟，尤其是在摊铺机螺旋布料过程的烟雾浓度最大，并伴随着刺激性气味，对人体皮肤、粘膜、神经、肝脏功能均具有一定的危害性。此外，施工机械，包括运料车、摊铺机、压路机等车辆排放尾气，以及隧道岩层释放的瓦斯、甲烷、硫化氢等有害气体，对人体危害较大，且存在可燃气体遇火爆炸的安全隐患。

2 原材料的选择

2.1 沥青

采用壳牌SBS沥青，根据美国SHRP的PG分级为PG 76-22。沥青主要技术指标见表1，均能满足技术要求。

表1 SBS改性沥青技术指标

2.2 温拌剂

试验分别选用市场上目前较主流的Honeywell和Evotherm温拌剂，根据温拌剂的操作说明书配制温拌沥青混合料。Honeywell 温拌剂选择HTA型，其表观为白色粉末，掺量为矿料质量的0.2%～0.3%，物理性质指标见表2。本次试验选择掺量为0.25%，混合料拌和温度145℃。Evotherm温拌剂选用维实伟克生产的表面活性温拌剂，其性能指标见表3。Evotherm温拌剂用量为沥青质量的5%，成型温度为145℃。

表2 Honeywell温拌剂基本物理性质指标

表3 Evotherm温拌剂性能指标

2.3 集料与级配

集料采用广西贵港石牛岭石场加工生产的10～18mm、5～10mm、3～5mm辉绿岩碎石和项目自加工的0～3mm石灰岩机制砂。混合料采用广东省应用较多的GAC-16C型，油石比为4.7%，矿料级配见表4。

表4 矿料级配

3 沥青混合料路用性能

3.1 高温性能

对沥青混合料进行车辙试验。按照试验规程的标准操作成型车辙板试件，并在60℃下做胶轮往返碾压测试，计算单位竖向变形下的作用次数，评定沥青路面的高温抗变形能力。测试结果见表5，可知Honeywell温拌剂和Evotherm温拌剂的混合料动稳定度略小于热拌沥青混合料约8.5%和6.1%，但均明显高于规范技术标准。

表5 沥青混合料车辙试验结果

3.2 低温性能

对混合料开展低温性能试验，按照试验规程成型小梁试件(250mm×30mm×35mm)，在-10℃进行三点弯曲加载试验。测得的弯曲破坏应变结果见表6。Honeywell温拌沥青混合料的试验结果比热拌沥青混合料高约8%，而Evotherm温拌沥青混合料略小，但三种混合料均满足规范要求(≥2 500με)。

表6 沥青混合料低温试验结果

3.3 水稳定性

通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来测试对应的稳定度、劈裂强度变化，以此评价混合料的水稳定性能。试验结果见表7。Honeywell温拌沥青混合料的残留稳定度和劈裂强度比下降1.3%和0.9%；而Evotherm温拌沥青混合料的残留稳定度和劈裂强度比下降1.7%和1.3%，主要与温拌剂对沥青与集料黏附界面的干扰及较低拌合温度引起，但是整体差别不大，均满足广东气候分区对应的技术标准。

表7 沥青混合料水稳定性试验结果

4 沥青混合料的沥青烟浓度检测与分析

为准确分析不同混合料散发的沥青烟浓度，按照《固定污染源排气中沥青烟的测定 重量法》(HJ/T 45-1999)中对沥青烟的检测方法，使用空气动力装置与采样管组合，主动吸收混合料散发的烟气，通过一定时间的累积，沥青烟颗粒将聚集在玻璃纤维滤筒中，然后可以采用高精度天平测量沥青烟颗粒的重量。

4.1 测试方法与流程

(1)空气动力装置：采集流速大且稳定的美国Thomas空气泵，采集流速设定为标准的2.5L/min。

(2)集烟装置：使用规程(HJ/T 45-1999)中规定的标准沥青烟采样管。

(3)连接方法：将空气泵的进气口与沥青烟采样管的抽气端进行对接，启动空气泵电源即可对烟气进行采集。

(4)试验准备：对玻璃纤维滤筒进行编号，置于干燥器中24h，称量至恒重。

(5)沥青烟的采集和浓度计算：沥青烟采集管中的玻璃纤维滤筒是集烟的关键部位，使用过程中为避免用手直接接触而造成测量误差，应使用镊子进行安放和夹取。启动空气泵，进行规定时间内的沥青烟采集，考虑到沥青烟散发量和天平称量精度，为减少试验误差，试验采样时间设定为20min。将采样后的滤筒放入干燥器中静置24h，用高精度天平称量至0.1mg。根据空气泵流速和实际采集时间，可计算得到采样体积，然后计算得到单位体积的沥青烟质量，即沥青烟浓度，单位为mg/m3。

4.2 沥青烟浓度分析

室内沥青烟采样过程中，对不同沥青混合料的沥青烟采样进行各3组平行试验检测(如图1所示)。其中，每组试验均采用约11kg的混合料在温拌和热拌拌和温度下进行拌和，并将沥青烟采样管的管口对准沥青拌锅的加料口,进行沥青烟采集，采集时间为20min。沥青烟采样管的采集速率为2.5L/min，并在高精度电子秤上称重计量，以确保每组试验结果的准确性。

图1 沥青烟采集试验过程

表8 不同工况条件下的沥青烟浓度检测结果

通过对比试验前后滤筒内壁附着物可以明显看出，在同样的室内试验检测条件下，热拌工艺下产生的沥青烟附着在滤筒内壁上呈深黄色且伴随较多的黑色颗粒物；而当采用温拌工艺时，无论是哪类温拌工艺，室内采集的沥青烟附着在滤筒内壁上的颗粒物相比热拌工艺有了明显减少，且滤筒内壁上仅呈现淡黄色。结合沥青烟浓度试验检测结果(表8)来看，在热拌工艺下，沥青烟浓度均值为108.7mg/m3，单点检测最高值可达118mg/m3；在温拌工艺下，沥青烟浓度显著降低，其中采用Honeywell、Evotherm温拌剂的沥青烟浓度均值分别为36.7mg/m3与39.3 mg/m3。根据广东省大气污染物排放标准(DB44/27-2001)，密闭车间内空气中沥青烟容许浓度为40mg/m3。热拌工艺下的沥青烟浓度值已达到允许值的2.5倍以上，而温拌工艺下的沥青烟浓度均比热拌工艺下降了50%以上，略低于容许浓度，能够有效保障人员的健康。而且，随着温拌工艺拌和温度的降低，沥青烟浓度明显下降，能够明显改善隧道内沥青路面施工的能见度。

5 沥青混合料的沥青烟成分分析

沥青烟成分复杂，主要成分为多环芳烃和杂环化合物，此外还有100多种萘、酚类物质，对人体会造成不同程度的影响。对于颗粒状化合物成分分析方法较多，其中质谱分析法是较为常用且可靠的检测分析方法[8]。因此，本项目利用质谱分析法对温拌工艺和热拌工艺下的沥青烟颗粒物成分进行各成分的毒性分析，试验过程包括沥青烟采集取样、有机溶剂抽提、抽滤定容、制作样品等，并开展质谱分析检测，如图2所示。

图2 沥青烟分析过程

经质谱分析检测得到的热拌工艺与温拌工艺下的沥青烟有效成分检测结果及影响分析见表9。

表9 沥青烟成分分析

续上表

从检测结果来看，在热拌工艺下的沥青烟主要成分共10种，它们大多属于芳香烃化合物，大部分成份各自对人体健康存在不同程度的危害。它们主要是对人体眼睛、皮肤、粘膜和呼吸道有刺激性，且氯苯和二异丙基甲烷两种成分均对中枢神经系统有抑制和麻醉作用，严重的可引起麻醉、昏迷症状甚至引起中毒性肝炎或肾脏损害等，属于高危险性成分。因此，若长期在隧道内从事热拌沥青路面施工作业，特别是当施工人员处于通风效果不良的沥青路面施工环境中时，对施工人员的健康将造成不可逆转的危害。而采用了温拌工艺后，沥青烟的有效成分虽然在总数量上没发生太大的变化，但是从沥青烟成分中对人体有害的成分有所降低，尤其是已没有高毒性成分的存在。且由于温拌工艺下，沥青混合料的施工温度有所下降，其沥青烟浓度亦有所下降，各类刺激性成分的浓度也将有所下降。采用温拌工艺虽然并不能完全避免沥青烟对人体的伤害，但在温拌工况下人体感官(眼、口鼻)的不适感已明显降低，将沥青烟对施工人员身体健康的伤害最小化。

6 结论

(1)Honeywell温拌剂和Evotherm温拌剂的掺加，可以明显降低沥青混合料的拌和温度，其路用性能(高温稳定性、低温稳定性、水稳定性)接近甚至超过热拌混合料的路用性能，且均达到广东省的气候分区要求。

(2)温拌沥青混合料的沥青烟浓度可比热拌混合料沥青烟减少50%以上，采用温拌技术可以在保证沥青混合料路用性能的同时通过降低拌和温度，可有效减少沥青烟的生成量，有助于改善隧道施工环境可见度。

(3)利用质谱分析法对温拌工艺和热拌工艺下的沥青烟颗粒物成分进行毒性分析，检测出沥青烟成分大多为芳香烃化合物，对人体都将产生一定的健康危害，使用温拌技术能较好地减少对人体损害的气体浓度。