高摻量硅藻土改性瀝青VOCs釋放特征及性能評價研究

車俊杰 劉沛榮

摘要：為研究高摻量硅藻土揮發性有機物（VOCs）釋放特征和性能變化特征，文章采用不同摻量硅藻土制備硅藻土改性瀝青，通過軟化點試驗、黏度試驗、氣相色譜-質譜聯用試驗與流變試驗對改性瀝青的性能進行評價。結果表明：VOCs濃度隨著硅藻土摻量的增加而減少；當硅藻土摻量為40%時，硅藻土改性瀝青仍具有良好的儲存穩定性；硅藻土用于改性瀝青能夠有效提升瀝青黏度，改善瀝青的高溫穩定性，但對瀝青的低溫抗裂性能存在負面影響，因此建議用于南方濕熱地區道路鋪筑。

關鍵詞：道路工程；瀝青；硅藻土；瀝青煙氣；流變性能

中圖分類號：U416.03 A 20 061 3

0 引言

瀝青加熱過程會向周圍環境釋放揮發性有機物（VOCs），而VOCs已被國際癌癥研究機構列為可疑致癌物［1］。此外，VOCs能夠與氮氧化物、碳氫化合物等在光照條件下發生光化學反應，生成光化學煙霧，對環境造成危害。隨著瀝青材料在基礎設施建設中的大量應用，由瀝青產生的VOCs不容忽視，有研究表明，城市范圍內由瀝青產生的二次氣溶膠已超過機動車排放估值［2］，因此瀝青VOCs減排研究有助于推動交通綠色發展。楊錫武等［3］研究表明SBS改性劑能夠有效抑制瀝青VOCs釋放。肖月等［4］通過自行合成沸石有效抑制了瀝青VOCs釋放。硅藻土是由大量硅藻遺骸和軟泥固結而成并經過長期地質作用形成的硅質沉積巖，廣泛分布在我國華東和東北地區。硅藻土價格低廉，用于瀝青改性具有施工簡單的優勢，近年來被廣泛用于瀝青改性。王葉丹等［5］探究了硅藻土改性瀝青膠漿的力學性能與老化機理，結果表明硅藻土用于瀝青改性時具有抗老化作用。鄭南翔等［6］研究了硅藻土理化特性對瀝青混合料性能的影響，結果表明瀝青混合料的路用性能與硅藻土含量、二氧化硅含量、堆積密度與比表面積有關?，F有研究主要關注硅藻土改性瀝青與瀝青混合料的工程性能，隨著人們環保意識的增加，有必要研究硅藻土改性瀝青的環境特征。

本文研究了硅藻土改性瀝青的VOCs釋放特性與高低溫性能。選取不同摻量硅藻土用于改性瀝青，通過室內試驗對改性瀝青的儲存穩定性、黏度特征、VOCs釋放特性與高低溫性能進行研究。研究結果可為硅藻土改性瀝青在道路工程中的推廣應用提供技術支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 基質瀝青

試驗所用瀝青為廣東茂名石化的70#基質瀝青，主要技術指標參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）［7］（以下簡稱《試驗規程》），結果如表1所示。

1.1.2 硅藻土

試驗所用硅藻土產自吉林省長白礦區，外觀呈灰白色粉末。如表2所示為硅藻土技術指標。

1.2 改性瀝青制備

本研究中的硅藻土改性瀝青采用濕法工藝制備得到。將70#基質瀝青加熱至140 ℃，選取不同質量的硅藻土加入至基質瀝青中（硅藻土含量分別為基質瀝青質量的10%、20%、30%、40%），使用高速剪切機將硅藻土-瀝青混合料快速剪切1 h，剪切溫度為160 ℃、轉速為4 000轉。

1.3 試驗方法

1.3.1 基本性能試驗

針入度、軟化點測試方法參照《試驗規程》。

1.3.2 GC-MS

本研究采用氣相色譜-質譜聯用儀（GC-MS）量化不同瀝青VOCs釋放特征［8］。測試期間，GC分析的初始溫度為40 ℃并保持2 min；然后將溫度升高至120 ℃并保持4 min，升溫速率為5 ℃/min；最終溫度升高至220 ℃并保持18 min，升溫速率為10 ℃/min。質譜分析中離子源為EI（電子轟擊電離）源，電子能為70 eV，掃描方式為全掃描，質量為45～300 u。

1.3.3 高低溫性能評價

采用動態剪切流變儀（DSR）與彎曲蠕變勁度試驗（BBR）評價硅藻土改性瀝青的高低溫性能。動態剪切流變試驗采用溫度掃描模式，試驗參數設置中應變數值為12%，角頻率為10 rad/s，平行板間距為1 mm。彎曲蠕變勁度試驗測試溫度分別為-12 ℃、-18 ℃，溫度控制在試驗溫度±0.1 ℃范圍內。

高摻量硅藻土改性瀝青VOCs釋放特征及性能評價研究/車俊杰，劉沛榮

2 結果與討論

2.1 基本性能

2.1.1 儲存穩定性

聚合物改性瀝青的高溫儲存穩定性關乎后期瀝青路面施工質量。本文參考《試驗規程》中T0661規定，對改性瀝青的儲存穩定性進行評價。將硅藻土改性瀝青試樣置于鋁管中密封，并在烘箱中靜置48 h，烘箱溫度為160 ℃。靜置完成后測試鋁管頂部與底部瀝青試樣的軟化點，以鋁管頂部與底部瀝青試樣的軟化點差值判斷硅藻土改性瀝青的儲存穩定性。如圖1所示為不同硅藻土摻量改性瀝青的軟化點差值變化趨勢，結果表明，隨著硅藻土摻量的增加，軟化點差值逐漸增大，當然硅藻土摻量為40%時，軟化點差異達到最大值2.4 ℃。由于不同硅藻土摻量的改性瀝青軟化點差值均＜2.5 ℃，符合規范要求，表明高摻量硅藻土改性瀝青具備良好的儲存穩定性。

2.1.2 黏度

布氏黏度用來表征瀝青的粘滯程度，布氏黏度值越大，表明瀝青抵抗流動的能力越強。本文通過測試不同硅藻土改性瀝青135 ℃下的布氏黏度值對瀝青的粘滯特性評價。如圖2所示為不同硅藻土改性瀝青的布氏黏度變化特征。觀察圖2可知，不同瀝青的布氏黏度值按硅藻土摻量從大到小依次為40%＞30%＞20%＞10%＞0，硅藻土改性瀝青的布氏黏度值大于基質瀝青，表明采用硅藻土改性瀝青能夠提升瀝青的黏度。隨著硅藻土摻量的增加，布氏黏度值逐漸增大，表明硅藻土能夠改善瀝青的抵抗流動變形的能力。

2.2 瀝青VOCs釋放特征

根據VOCs中不同組分官能團結構特征，將其分為脂肪烴（ALH）、芳香烴（ARH）、烴類衍生物（HYD）和其他揮發性有機物（OTH），以上4種揮發性有機物濃度的總和為VOCs濃度［9］。不同摻量硅藻土改性瀝青的VOCs濃度特征如圖3所示。結果表明，VOCs濃度隨著硅藻土摻量的增加而減少。當硅藻土摻量從0增加至10%、20%、30%和40%時，瀝青VOCs的釋放量分別降低11.83%、17.90%、22.95%與27.09%，采用硅藻土改性瀝青能夠顯著降低瀝青VOCs釋放量。這是由于硅藻土具有多孔結構，對瀝青VOCs具有吸附作用。因此，采用硅藻土改性瀝青能夠降低VOCs對人體健康與環境的危害性。此外，不同VOCs組分隨硅藻土摻量變化特征不同。由圖3可知，硅藻土降低VOCs釋放量主要通過抑制ALH與HYD釋放量。當硅藻土摻量從0增加至10%、20%、30%和40%時，ALH釋放量分別降低11.64%、18.00%、18.55%與21.45%，HYD釋放量分別降低9.80%、15.49%、27.54%與30.79%。

2.3 瀝青流變性能

2.3.1 高溫流變性能

車轍因子是用來評估瀝青高溫性能重要參數之一。相同溫度下，車轍因子值越大，表明抗高溫車轍能力越好［10］。如圖4所示為不同硅藻土改性瀝青在不同溫度下的車轍因子變化特征。由圖4分析可知，相同溫度下硅藻土改性瀝青的車轍因子均大于基質瀝青，表明采用硅藻土改性瀝青能夠明顯改善基質瀝青的高溫性能。隨著硅藻土摻量的逐漸增加，車轍因子增加幅度逐漸變小。此外，硅藻土改性瀝青的車轍因子隨著溫度的升高而逐漸降低，這表明硅藻土改性瀝青的抗車轍性能逐漸下降。

2.3.2 低溫流變性能

通過BBR試驗測試不同摻量硅藻土改性瀝青在-12 ℃與-18 ℃的蠕變勁度與蠕變速率，其中S值越小，m值越大，表明瀝青的低溫抗裂性能更好［11］。試驗結果如圖5所示。分析圖5表明，在-12 ℃、-18 ℃試驗溫度下，隨著硅藻土摻量的增加，瀝青的蠕變勁度S逐漸增大，蠕變速率m逐漸減小。這表明與基質瀝青相比，硅藻土改性瀝青的低溫抗裂性能下降。這主要是由于硅藻土具有多孔結構，對瀝青中芳香分與飽和分具有吸附作用［12］，一定程度上降低了瀝青的流動性，改性得到的瀝青更為粘稠，從而導致瀝青應力松弛性能降低，對瀝青的低溫性能不利?？紤]到硅藻土改性瀝青的低溫性能較差，因此建議大摻量硅藻土改性瀝青更適合用于南方濕熱地區。

3 結語

（1）硅藻土改性瀝青的軟化點差值與布氏黏度值隨硅藻土摻量的增加而增大，當硅藻土摻量為40%時其儲存穩定性仍滿足規范要求。

（2）硅藻土能夠有效降低瀝青VOCs釋放量。瀝青VOCs中不同化合物組分受硅藻土影響不同，硅藻土主要通過抑制ALH與HYD化合物進而降低VOCs釋放率，硅藻土對ARH與OTH化合物釋放影響較弱。

（3）采用硅藻土改性瀝青能夠有效提升瀝青的高溫抗車轍能力，損害瀝青的低溫性能。綜合考慮硅藻土改性瀝青的高低溫性能，建議其用于南方濕熱地區道路鋪筑。

參考文獻

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收稿日期：2023-07-17