孙 吉 书， 李 文 霞， 李 宁 利， 张 俊 峰

( 1.河北工业大学 土木与交通学院， 天津 300401；2.中交一公局第六工程有限公司， 天津 300451 )

0 引 言

近年来，沥青路面凭借其表面平整无接缝、噪声低、开放交通快等诸多优点，成为我国高等级公路最为常用的路面结构形式．然而，沥青混合料在拌和、摊铺及施工过程中，会产生大量的沥青烟气[1-3]．这些沥青烟气不仅会造成空气污染，还会对施工人员的健康产生极大的危害．目前，国内外学者一直致力于新型抑烟材料及抑烟沥青的研究[4-7]．鲍金奇等[8]通过研究指出，沥青烟气的治理技术主要从沥青的生产和摊铺施工两方面入手，目前最为经济的方法是在沥青中添加抑烟剂，常见的抑烟剂主要有阻燃剂、吸附剂、聚合物抑烟剂及一些复合型抑烟剂．黄刚[9]通过研究发现，可膨胀石墨(简称EG)轻质多孔、无毒无味，具有较好的吸附性、耐腐蚀性和温度稳定性，是一种良好的抑烟剂．武斌[10]通过研究发现，氢氧化铝(简称ATH)来源丰富、价格较低，可以与多种物质起到协同抑烟的作用，且通过热重、差热扫描量热试验发现，氢氧化铝粒度越小，分解温度越低，抑烟效果越好．

在建设“资源节约型、环境友好型”社会的今天，随着对沥青抑烟制剂研究的不断深入，将不同种类、不同比例的外加剂进行复合已经逐渐成为抑烟沥青发展的方向．因此，本文以LT70#沥青为基质沥青，在沥青中添加不同的外加剂，并对优选出的EG/ATH复合抑烟沥青进行分析，旨在为我国抑烟沥青的发展提供一定的理论依据．

1 试 验

1.1 试验材料

本试验采用的基质沥青为伦特70#(简称LT70#)，由河北伦特石油化工有限公司生产．初选的抑烟剂有4种：EG、C9石油树脂(C9)、活性炭(AC)和ATH．EG，吸附型抑烟剂，350目，由青岛兴润达密封材料有限公司生产；C9石油树脂，聚合物型抑烟剂，由河北天宇化工有限公司生产；活性炭，吸附型抑烟剂，200目，由河南鼎丰净化材料有限公司生产；ATH，阻燃型抑烟剂，800目，由新乡市盛达氢氧化铝有限公司生产．其中，LT70#基质沥青的相关技术指标如表1所示．

表1 LT70#基质沥青基本性能指标Tab.1 Basic performance index of LT70# matrix asphalt

1.2 沥青烟气评测装置

基于重量法的研究思路，自主研发的沥青烟气评测装置通过称量吸收沥青烟气前后装置的质量差值，来反映沥青烟气的产生质量[11-12]．装置整体分为发生、收集与排空系统，所述3个系统依次相连．发生系统中温度传感控制器两端分别连接电磁炉和测量沥青温度的金属棒，控制沥青的加热温度，搅拌器使得沥青充分均匀受热．收集系统中保温箱内装有固态干冰，可以使沥青烟气冷却吸附在锥形瓶内的聚丙烯纤维棉上．排空系统中烧杯内装有纯净水，通过观察纯净水的颜色来判断沥青烟气是否被收集系统完全收集．沥青烟气评测装置如图1所示．

图1 沥青烟气评测装置Fig.1 Asphalt smoke evaluation device

1.3 试验方法

1.3.1 沥青四组分试验 采用沥青四组分试验可以测定沥青四组分的含量，从而分析沥青组分与沥青烟气产生之间的关系．所用的SYD-0618C型石油沥青四组分试验仪由内蒙古华科嘉诚科技有限公司生产．

1.3.2 荧光显微镜试验 荧光显微镜可以用来观察物质的分布状态和分散形貌[13-14]．采用的TiS型倒置荧光显微镜由日本Nikon有限公司生产．

1.3.3 扫描电子显微镜试验 扫描电子显微镜(简称SEM)试验可用于观察物质表面形貌及结构，其广泛应用于高分子复合材料的微观形态研究[15-16]．采用的Quanta 450 FEG型场发射环境扫描电子显微镜由FEI香港有限公司生产．

1.3.4 热重试验 热重(简称TG)试验可以反映物质加热过程中质量随温度的变化，用于研究物质的热稳定性[17-18]．采用的SDT-Q600型同步热分析仪由美国TA仪器公司生产．

2 抑烟剂优选及最佳掺量确定

2.1 抑烟剂的优选

从常见的抑烟剂中初选4种：EG、C9石油树脂、活性炭、ATH．4种抑烟剂的抑烟效果如图2所示．

由图2可知：在沥青中添加EG，沥青的烟气产生量降低，当其掺量为1.5%时，烟气抑制率可达16.5%．在沥青中添加C9石油树脂，当其掺量为0.5%时，沥青烟气产生量大幅度降低；但当其掺量大于0.5%时，沥青烟气产生量反而大于基质沥青的，说明C9石油树脂对于沥青的抑烟作用不稳定．在沥青中添加活性炭，沥青的烟气产生量降低，但是当其加入沥青中进行加热搅拌时，会产生明显的刺激性气味，说明沥青中添加活性炭会产生其他气体．在沥青中添加ATH，沥青烟气的产生量降低，当其掺量为10%时，烟气抑制率可达14.8%．综合以上分析，C9石油树脂的抑烟效果不稳定，活性炭会产生其他未知气体，两者不宜作为沥青的抑烟剂；EG、ATH性质稳定，具有良好的抑烟效果，可以作为沥青的抑烟剂．EG、ATH的基本性能指标分别如表2、表3所示．

表2 EG基本性能指标Tab.2 Basic performance index of EG

表3 ATH基本性能指标Tab.3 Basic performance index of ATH

2.2 EG、ATH最佳掺量的确定

2.2.1 EG/ATH复合抑烟沥青抑烟效果分析 通过以上分析可知，在沥青中分别掺加EG、ATH，沥青烟气的产生量降低，为了达到更好的抑烟效果，拟将不同比例的EG、ATH复配加入沥青中，制备EG/ATH复合抑烟沥青，EG/ATH复合抑烟沥青的抑烟效果如图3所示．

由图3可知：

(1)在沥青中单独掺加EG，当EG的掺量小于1.0%时，烟气的产生量下降较为明显，当掺量为1.0%时，烟气抑制率为14.4%，当其掺量升至1.5%时，烟气抑制率为16.5%，说明当EG掺量大于1.0%时，虽然其对于烟气的抑制作用还在增强，但逐渐趋于平稳．

(2)在沥青中单独掺加ATH，当ATH的掺量分别为5.0%、7.5%、10.0%时，烟气抑制率分别为8.7%、13.0%、14.8%，说明当ATH掺量小于7.5%时，其对于沥青烟气的抑制效果较为明显，当其掺量逐渐上升时，这种抑制效果逐渐趋于平缓．

(3)将EG、ATH复配加入沥青中，沥青烟气的产生量逐渐下降，抑制率逐渐上升，与单掺相比，EG、ATH复配时沥青的烟气产生量低于两者单掺时，说明两种抑烟剂对沥青烟气的抑制效果具有协同作用．

(4)当EG掺量小于1.0%、ATH掺量小于7.5%时，沥青烟气产生量曲线下降明显，抑制率曲线上升明显，此后曲线逐渐趋于平缓，这说明随着EG、ATH掺量的不断增加，抑烟效果逐渐增强，但是当EG掺量大于1.0%、ATH掺量大于7.5%时，抑烟效果增强的趋势逐渐减缓．

2.2.2 EG/ATH复合抑烟沥青基本物理性能分析 抑烟剂EG、ATH不仅要有良好的抑烟效果，还应该保证沥青的路用性能，因此，对EG/ATH复合抑烟沥青进行基本物理性能测试，具体包括针入度p、软化点ts、延度d，试验结果如图4所示．

由图4可知：

(1)加入EG、ATH后，沥青的针入度下降，两者复配时，针入度下降得更为明显，说明EG、ATH的加入可以提高沥青的稠度．

(2)沥青的软化点提高，其中单掺ATH软化点的提升幅度大于单掺EG的，说明与单掺EG相比，ATH对于沥青高温性能的提高效果要好．当两者复配加入沥青时，沥青的软化点提升幅度均大于两者分别单掺时，说明两种外加剂提升沥青高温性能的效果具有协同作用．

(3)沥青的延度降低，单掺EG比单掺ATH下降更为明显，当EG的掺量分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%时，沥青延度分别为131.0、51.7、44.9、37.0 cm，当ATH的掺量分别为0%、5.0%、7.5%、10.0%时，沥青延度分别为131.0、120.7、115.2、109.6 cm，说明单掺EG、ATH时，沥青低温性能都下降，其中单掺EG时下降趋势更为明显，两者复配时，低温下降趋势进一步增强．因此，EG、ATH的掺量不宜过高．

综合EG、ATH的抑烟效果和基本物理性能，考虑经济效益、工程实际等因素，确定单掺时，EG、ATH的建议掺量分别为1.0%、7.5%，烟气抑制率分别为14.4%、13.0%，复配时抑烟效果更佳，两种抑烟剂的最佳复配比例为1.0%EG+7.5%ATH，烟气抑制率可达18.7%．

3 沥青烟气的产生及抑制机理分析

3.1 沥青烟气的产生

沥青是由不同相对分子质量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的复杂混合物，根据沥青对不同溶剂溶解度的差异，可将沥青划分为沥青质、胶质、饱和分和芳香分，饱和分和芳香分也被统称为轻质组分．根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)试验方法[19]，对所选用的LT70#基质沥青进行四组分试验，试验结果如表4所示．

表4 沥青四组分试验结果Tab.4 Four components test results of asphalt

由表4可知：LT70#基质沥青中，饱和分和芳香分的总质量分数为54.35%，说明沥青中轻质组分质量分数可达沥青总量的一半以上．由于轻质组分的沸点小于沥青质和胶质的，当沥青加热到160 ℃时，沥青中的轻质组分就会以沥青烟气的形式挥发出来．在加热条件下，沥青中一些相对分子质量较大的分子会发生裂解反应，生成相对分子质量更小、沸点更低的小分子，这些小分子化合物挥发形成沥青烟气[20]．沥青本身成分的复杂性，导致其所释放的沥青烟气成分也十分复杂．沥青烟气是液固态颗粒物和气态烃类物质的混合物，主要成分为多环芳烃，少量含氮、氧、硫的杂环化合物，以及一些微粒物质[21]．

因此，抑制沥青烟气的产生，就需要通过抑烟剂的作用，提高沥青的热稳定性，降低沥青轻质组分的挥发和沥青中一些较大分子的裂解．

3.2 荧光显微镜分析

对LT70#基质沥青、EG/ATH复合抑烟沥青进行荧光显微镜试验，试验结果如图5所示．

由图5(a)可知，基质沥青在荧光显微镜下呈现黑色，不会出现任何荧光点；由图5(b)可知，将EG、ATH加入沥青中，由于EG、ATH的存在，出现荧光点，且荧光点分布较为均匀，没有出现过度聚集的现象，说明EG、ATH加入沥青后，EG、ATH能够在沥青中均匀分布，与沥青具有良好的相容性，不会发生团聚现象，从而证明EG/ATH复合抑烟沥青具有良好的储存稳定性能．

(a) EG

(a) 产生量

(a) 针入度

(a) LT70#基质沥青

3.3 SEM分析

对EG、ATH两种抑烟剂进行SEM试验，试验结果如图6所示．

由图6(a)可以看出，EG整体为片状结构，内部呈现层状结构，且有堆叠，每层层片的厚度较大，解理层清晰可见．由图6(b)可以看出，ATH呈不规则颗粒状，颗粒大小不一，主要由不同尺寸的柱状、球状及附着于其表面的细小颗粒组成，分布较为均匀，每个颗粒形貌规整，棱角不太分明．

(a) EG

(a) 2 000倍

对EG/ATH复合抑烟沥青进行SEM试验，试验结果如图7所示．

由图7(a)可以看出，红色矩形框内为EG，EG被沥青很好地裹覆，其中左下角EG整体轮廓较为清晰，呈现片状；蓝色矩形框内为ATH，ATH呈白色颗粒状，颗粒大小不一．图7(b)为放大5 000倍的EG/ATH复合抑烟沥青的SEM图像，红色矩形框内为EG，蓝色矩形框内为ATH，EG、ATH形貌较为清晰，分布均匀．

当EG加入沥青，沥青中的一些轻质组分对EG具有溶胀作用，在经过高温搅拌后，EG会发生膨胀，EG层片展开，沥青中的这些轻质组分扩散进入EG层片之间，由于范德华力的物理吸附作用，展开的EG层片会对沥青中的轻质组分产生吸附，从而抑制了沥青中轻质组分的释放溢出，减少沥青烟气的产生，达到抑烟作用．当ATH加入沥青，在高温时，ATH会发生吸热脱水反应，释放出大量的结晶水，降低改性沥青温度的升高，此外，在此过程中，ATH分解产生Al2O3覆盖在沥青表面，形成隔热屏障，使得沥青受热变慢，从而减少沥青组分的挥发，起到抑烟效果．EG、ATH的协同抑烟作用，使得沥青的烟气产生量降低，起到良好的抑烟效果．

3.4 TG分析

以LT70#沥青为基质沥青，对基质沥青、EG抑烟沥青、ATH抑烟沥青、EG/ATH复合抑烟沥青进行TG试验，试验温度为80～600 ℃，试验结果如图8所示．从图8中可以得到沥青TG试验的分析数据：沥青分解的起始温度tst、最大失重率对应的温度tmax、失重率为70%对应的温度t70%、600 ℃沥青质量剩余率M600 ℃．

图8 不同种类沥青的TG分析Fig.8 TG analysis of different kinds of asphalts

由图8可知：

(1)LT70#基质沥青的tst为250.97 ℃，EG抑烟沥青的为252.64 ℃，ATH抑烟沥青的为252.43 ℃，EG/ATH复合抑烟沥青的为259.55 ℃，与基质沥青相比，EG抑烟沥青、ATH抑烟沥青分解的起始温度分别提高了1.67、1.46 ℃，EG/ATH 复合抑烟沥青分解的起始温度提高了8.58 ℃，与单掺EG、ATH相比，EG/ATH复合抑烟沥青分解的起始温度分别提高了6.91、7.12 ℃，说明EG、ATH分别加入沥青中可以提高沥青分解的起始温度，使得沥青不易分解，两者复配加入沥青中，沥青分解的起始温度进一步提高，使得沥青更加不易分解．

(2)LT70#基质沥青的tmax为439.03 ℃，EG抑烟沥青的为445.31 ℃，ATH抑烟沥青的为443.62 ℃，EG/ATH复合抑烟沥青的为451.81 ℃，说明分别加入EG、ATH后，沥青达到最大失重率的温度逐渐变高，复配加入EG、ATH后，沥青达到最大失重率的温度进一步提高．同样，t70%也呈现相似的规律．

(3)4种沥青M600 ℃的排序为EG/ATH复合抑烟沥青>EG抑烟沥青>ATH抑烟沥青>基质沥青，EG/ATH复合抑烟沥青的质量剩余率大于EG抑烟沥青、ATH抑烟沥青，明显大于基质沥青，与基质沥青相比，质量剩余率提升了29%，说明加入EG、ATH后，沥青分解的温度升高，热稳定性增强，沥青挥发的烟气减少，所以最终的质量剩余率升高．

综合以上分析，沥青中分别加入EG、ATH，沥青分解的起始温度、最大失重率对应的温度、失重率为70%对应的温度均向高温方向移动，沥青的热稳定性增强，600 ℃沥青的质量剩余率增大，EG、ATH复配时，沥青的热稳定性进一步增强，沥青的质量剩余率进一步增大，说明EG、ATH复配时，沥青的抑烟效果更加显著．

4 结 论

(1)EG、C9石油树脂、活性炭、ATH这4种抑烟剂中，EG、ATH性质稳定，具有良好的抑烟效果，可以作为沥青的抑烟剂．

(2)单掺时，EG、ATH的建议掺量分别为1.0%、7.5%，烟气抑制率分别为14.4%、13.0%，两者复配时抑烟效果更佳，两种抑烟剂的最佳掺量为1.0%EG+7.5%ATH，烟气抑制率可达18.7%，此时沥青的稠度增加，高温性能提升，低温性能下降．

(3)沥青及沥青烟气成分复杂，抑制沥青烟气的产生，需要降低沥青轻质组分的挥发和沥青中一些较大分子的裂解．

(4)EG、ATH两种抑烟剂在沥青中分布均匀，与沥青具有良好的相容性．EG的吸附作用以及ATH发生的吸热脱水反应，使得沥青的烟气产生量降低．EG、ATH复配加入沥青中，沥青的热稳定性提高，TG试验中EG/ATH复合抑烟沥青的质量剩余率为20.74%，较基质沥青提高29%．