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Hans Journal of Civil Engineering

2326-3458 2326-3466

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10.12677/hjce.2024.138170

hjce-95252

Articles

工程技术

抑烟剂对高原高速公路沥青路面性能影响研究
Research on the Effect of Smoke Suppressants on the Performance of Asphalt Pavement on High Altitude Freeways

朱绍奇

四川省交通建设集团有限责任公司，四川成都

14 08 2024

13 08 1576 1582 27 7 ：2024 18 7 ：2024 18 8 ：2024

2024

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

为减少“沥青烟”的排放，研究以久马高速工程为依托，通过研究在沥青中掺入碱式硫酸镁晶须、膨胀石墨、活性炭3种不同抑烟剂，分析不同抑烟剂和不同掺量对沥青三大性能指标的影响，确定最佳抑烟剂为碱式硫酸镁晶须，最佳掺量为3%；为测定抑烟改性沥青的路用性能，采用车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验与未掺入抑烟剂沥青进行对比，发现抑烟剂的掺入对其高温稳定性能、水稳定性性能、低温抗裂性能影响并不大，所有试验结果都均满足相关技术要求。为从源头上遏制或减少沥青烟的排放研究提供一些试验相关数据。
In order to reduce the emission of “asphalt fume”, this study is based on the Jiuma Expressway project. By studying the addition of three different smoke suppressants, namely basic magnesium sulfate whiskers, expanded graphite, and activated carbon to asphalt, the influence of different smoke suppressants and their dosages on the three major performance indicators of asphalt is analyzed. The optimal smoke suppressant is determined to be basic magnesium sulfate whiskers, with an optimal dosage of 3%; To determine the road performance of smoke-suppressed modified asphalt, a comparison was made between the rutting test, immersion Marshall test, freeze-thaw splitting test, low-temperature bending test and asphalt without smoke suppressant. It was found that the addition of smoke suppressants had little effect on its high-temperature stability, water stability, and low-temperature crack resistance performance. All test results met the relevant technical requirements. To provide some experimental data for research on curbing or reducing asphalt smoke emissions from the source.

沥青烟，抑烟剂，碱式硫酸镁晶须，路用性能
Asphalt Fume
Smoke Suppressants Basic Magnesium Sulfate Whiskers Road Performance

1. 概述

久马高速工程起于青海久治，止于四川马尔康，全长219公里，道路规划较大部分都处于藏区，而藏区大多处于山岭高原区域且隧道较多，对生态环境保护要求较高。因此，对沥青道路环保要求更高。沥青路面在施工过程中会排放一定的有害气体(碳氧化物、机挥发物、硫化物等)，俗称“沥青烟” [1] [2] ，对施工人员及周边生态环境都会带来极大影响。从源头上遏制或减少沥青烟的排放，不仅响应了国家提倡的绿色低碳环保发展，还降低了在施工工程中对施工人员的身体健康影响。因此，对于环保净味沥青的研究及应用拥有巨大的意义。本次研究以久马高速为依托，通过研究添加不同抑烟剂，设计一种更环保的改性沥青。

2. 原材料 2.1. 沥青

沥青选择东海70#沥青，并对其进行三大指标进行检测，检测结果见表1 。

Table 1 <xref></xref>Table 1. Testing results of three major indicators of asphaltTable 1. Testing results of three major indicators of asphalt 表1. 沥青三大指标检测结果

检测项目	检测结果	规范标准
针入度(25℃, 100 g, 5 S) (0.1 mm)	68.4	60~80
软化点TRB/℃	49.5	≥ 46
延度5℃，5 cm (min/cm)	12.6	-

2.2. 抑烟剂

国内对抑烟剂已有大量试验研究 [3] [4] ，本次试验从中选择最优的3种抑烟剂：碱式硫酸镁晶须、膨胀石墨、活性炭，分别以1%、2%、3%、4%掺量添加至基础沥青中，计算沥青烟抑制率和对比沥青三大指标确认最佳抑烟剂。计算公式见式1；抑烟率见图1 ；沥青三大指标影响见表2 。

$α = \frac{Δ m - Δ m_{i}}{Δ m} \times 100 %$ (1)

式中： $Δ m$ ——沥青产烟量(mg)；

$Δ m_{i}$ ——第i抑烟沥青产烟量(mg)；

$α$ ——抑烟率(%)。

Figure 1 Figure 1. Different smoke suppressants with different dosages and smoke suppression rates--图1. 不同抑烟剂不同掺量抑烟率--

Table 2 <xref></xref>Table 2. Results of the influence of different smoke suppressants and dosages on the three major indicators of asphaltTable 2. Results of the influence of different smoke suppressants and dosages on the three major indicators of asphalt 表2. 不同抑烟剂不同掺量对沥青三大指标影响结果

抑烟剂	掺量/%	0针入度(25℃, 100 g, 5 S) (0.1 mm)	1软化点TRB/℃	延度5℃，5 cm (min/cm)
/	0	68.4	49.5	12.6
碱式硫酸镁晶	1	67.9	50.1	12.1
	2	67.4	51.3	11.8
	3	66.8	51.9	11.2
	4	66.3	52.2	10.6
膨胀石墨	1	60.3	51.4	11.6
	2	56.4	53.8	10.4
	3	51.9	55.1	9.1
	4	49.1	56.9	7.9
活性碳	1	65.3	49.9	11.9
	2	62.6	50.3	10.7
	3	60.2	50.7	9.3
	4	59.1	51.0	8.2

由图1 可知，3种抑烟剂的抑烟率都随着掺量的增加而逐渐上升，其中膨胀石墨的抑烟率最佳。因为膨胀石墨遇高温后体积会膨胀，表面积扩大，由片状变为蠕虫状，从而提高了吸附力。增强基质沥青的三大性能指标也随着抑烟剂不同掺量的加入，而随之变化，从表2 可看出，1) 碱式硫酸镁晶须的掺入，基质沥青的针入度和延度都有所下降，但影响并不大，其中针入度的变化最小。软化点随着掺量的增加逐渐上升；2) 膨胀石墨对基质沥青的三大性能指标影响与碱式硫酸镁晶须呈现出一样的变化，针入度与延度降低，软化点上升。但膨胀石墨对基质沥青的针入度影响较大，当掺量为2%时，针入度指标已低于相关规范要求 [5] ；3) 活性碳掺入基质沥青后，沥青的三大性能指标变化和前两出现了一样的变化，但在试验中发现活性碳在试验过程中会释放出一定的气味，形成新的环境污染。综上所述，本次抑烟剂选择碱式硫酸镁晶须，最佳掺量为3%。膨胀石墨的抑烟率虽然最高，但对沥青的针入度影响太大，而活性碳会产生新的气味，造成新的污染。

2.3. 集料

本次集料规格为9.5~16 mm、4.75~9.5 mm、2.36~4.75 mm、0~2.36 mm，石料干净无杂质。细集料为机制砂与矿粉。集料筛分结果见表3 。

Table 3 <xref></xref>Table 3. Results of aggregate screening testTable 3. Results of aggregate screening test 表3. 集料筛分检测结果

集料规格/mm	通过下列筛孔(mm)的百分率/%
集料规格/mm	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
9.5~16	100	84.7	1.9	0.7	0.6	0	0	0	0	0
4.75~9.5	100	100	94.6	1.8	1.0	0.5	0.1	0	0	0
2.36~4.75	100	100	100	64.8	3.2	1.6	0.8	0.6	0.5	0.5
0~2.36	100	100	100	98.6	80.7	55.2	32.6	19.1	15.2	10.1
机制砂	100	100	100	100	100	100	100	100	94.2	80.2
矿粉	100	100	100	100	100	100	100	100	100	98.7

3. 抑烟改性沥青路用性能分析 3.1 高温稳定性能 Figure 2 Figure 2. Rut test results--图2. 车辙试验结果--

采用常规车辙试验测定抑烟改性沥青的高温抗车辙能力。试验温度设置为55℃，轮碾频率设置为(42 ± 1)次/min，轮压设置为0.7 Mpa (±0.5 MPa)。试验结果见图2 。

由图2 可知，掺入抑烟剂后的改性沥青稳定度为4673次/mm，与未掺沥青4832次/mm相比有所下降。试验结果满足相关技术要求 ≥ 3000次/mm。

3.2. 水稳定性性能

水损害是沥青路面主要的病害之一，因此，抗水损害的能力是评价沥青路面的关键之一。为测定抑烟改性沥青抗水损害能力，试验采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。分别制作2组，每组4个试件，按浸水马歇尔试验标准流程进行试验。试验结果见图3 。

Figure 3 Figure 3. Immersion Marshall test results--图3. 浸水马歇尔试验结果--

由图3 可知，未掺入抑烟剂浸水前稳定度为12.31/kN，浸水48 h后稳定度为11.18/kN；掺入抑烟剂后浸水前稳定度为13.42/kN，浸水48 h后稳定度为12.41/kN。据式2计算出浸水残留稳定度比分别为未掺入抑烟剂浸水残留稳定度比为90.8%；掺入抑烟剂后浸水残留稳定度比为92.5%。结果均满足相关技术要求 ≥ 85%。

$M S_{0} = \frac{M S_{1}}{M S} \times 100 %$ (2)

式中：MS₀——试件的浸水残留稳定度比(%)；

MS₁——试件浸水48 h后的稳定度(kN)；

MS——试件的稳定度(kN)。

制作8个高度为63.5 mm，直径为101.6 mm的试件，每4个试件为一组，分为2组，按照冻融劈裂试验标准流程进行试验。试验结果见图4 。

由图4 可知，劈裂抗拉强度呈现出与浸水马歇尔试验一样的结果，都有所提升，未掺入抑烟剂未冻融时劈裂抗拉强度为0.167/MPa，冻融后劈裂抗拉强度为0.142/MPa；掺入抑烟剂后未冻融时劈裂抗拉强度为0.186/MPa，冻融后劈裂抗拉强度为0.161/MPa。据式3~5计算出冻融劈裂强度比分别为未掺入抑烟剂时为85%；掺入抑烟剂时为86.6%。结果均满足相关技术要求 ≥ 80%。

Figure 4 Figure 4. Results of freeze-thaw splitting test--图4. 冻融劈裂试验结果--

$R_{T 1} = \frac{0.006287 P_{T 1}}{h_{1}}$ (3)

$R_{T 2} = \frac{0.006287 P_{T 2}}{h_{2}}$ (4)

$TSR = \frac{{\bar{R}}_{T 2}}{{\bar{R}}_{T 1}} \times 100$ (5)

式中：₁——冻融前马歇尔试件试验荷载(N)；

₂——冻融后马歇尔试件试验荷载(N)；

ℎ₁、ℎ₂——冻融前及冻融后的马歇尔试件高度(mm)；

₁——冻融前马歇尔试件劈裂抗拉强度平均值(MPa)；

₂——冻融后马歇尔试件劈裂抗拉强度平均值(MPa)；

TSR——冻融劈裂强度比(%)。

3.3. 低温抗裂性能

因本次工程所在地位于高原地区，极端最低温度−20℃以下，因此，低温抗裂性能较为重要。本次采用低温弯曲试验测定抑烟改性沥青抗低温抗裂能力，试验在−20℃和加载速率50 mm/min条件下进行，根据式6计算出最大弯拉应变。试验结果见图5 。

$ε_{B} = \frac{6 \times h \times d}{L^{2}}$ (6)

式中： $ε_{B}$ ——试件最大弯拉应变(με)；

ℎ——跨中断面试件的高度(mm)；

——跨中断面试件的宽度(mm)；

L——试件的跨径(mm)。

Figure 5 Figure 5. Low temperature bending test图5. 低温弯曲试验

由图5 可知，抑烟剂的掺入使改性沥青的最大弯拉应变由未掺入的2916.74/με增长至3012.52/με，增长了3.28%。其原因是碱式硫酸镁晶须本身就具有较高的强度，当掺入改性沥青后，使其低温抗裂性能提高。结果均满足相关技术要求 ≥ 2800/με。

4. 结论

1) 研究先分析了碱式硫酸镁晶须、膨胀石墨、活性炭3种不同抑烟剂的抑烟率，在分别将不同抑烟剂以1%、2%、3%、4%掺量掺入基质沥青中，通过沥青三大指标试验分析不同抑烟剂在不同掺量下对基质沥青的影响。试验结果显示3种抑烟剂中的膨胀石墨抑烟效果最佳，但对基质沥青三大指标中的针入度影响较大，以低于相关规范要求；活性炭的抑烟效果最差，并在试验过程中会释放出一定的气味，形成新的污染；碱式硫酸镁晶须的抑烟效果和膨胀石墨相比低了34.5%，但其对基质沥青的三大性能影响较小，因此，本次试验抑烟剂选择为碱式硫酸镁晶须，最佳掺量为3%；

2) 研究采用车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验分析了掺入抑烟剂后的抑烟改性沥青的路用性能。试验结果显示掺入抑烟剂后：车辙试验动稳定度为4673次/mm，与未掺入相比仅下降了3.3%；浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果显示，抑烟改性沥青的浸水残留稳定度比和冻融劈裂强度比都有所提升，分别为92.5%和86.6%，与未掺入相比分别提升了1.87%和1.88%；低温弯曲试验结果最大弯拉应变为3012.52/με，与未掺入相比提升了3.28%。综上所述，碱式硫酸镁晶须抑烟改性沥青的路用性能完全满足相关技术要求，为本次工程提供了可参考数据，从源头上遏制或减少沥青烟的排放，对环境保护具有较大意义。

References 1

徐永丽, 杨松翰, 周吉森, 等. 基于重量法的沥青烟释放量影响因素研究[J]. 森林工程, 2022, 38(2): 119-124+132.

薛春丽, 路孝梅. 沥青烟测定方法研究进展[J]. 绿色科技, 2020(2): 162-163.

岳小鹏, 刘鹏杰, 蔺奕存, 等. 阻燃抑烟型聚丁二酸丁二醇酯复合材料的性能研究[J]. 中国塑料, 2017, 31(11): 84-89.

刘静, 何兆益, 黄刚, 等. 抑烟剂的开发与应用[J]. 石油沥青, 2014, 28(3): 63-67.

交通部公路科学研究所. 公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004 [S]. 北京: 人民交通出版社, 2005.