韋奔, 李向航, 朱世煜
(1.廣西桂龍高速公路有限公司,廣西 南寧 530000;2.佛山市交通科技有限公司;3.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院)
電氣石負(fù)離子粉(TAP)是一種具有熱電、壓電、自發(fā)極化等多功能的硅酸鹽礦物,用于瀝青混合料中可產(chǎn)生降溫、尾氣凈化與熱拌減排等多重環(huán)境功效。王朝輝等測(cè)試了TAP改性瀝青的路用性能,并分析了TAP類型與摻量對(duì)瀝青混合料環(huán)境功效與路用性能的影響;朱曲平等從微觀角度揭示了TAP對(duì)瀝青的改性機(jī)理,結(jié)果表明TAP在瀝青基體中能形成一種類似于海綿狀網(wǎng)絡(luò)的三維結(jié)構(gòu),通過(guò)熱電效應(yīng)、壓電效應(yīng)和自發(fā)極化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)降溫與熱拌減排功能;Li等采用TAP制備主動(dòng)冷卻抗車轍瀝青混合料,并通過(guò)室外光照試驗(yàn)驗(yàn)證其降溫性能,得到了室內(nèi)降溫效果最佳時(shí)的TAP摻量。
該文采用TAP改性瀝青和強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)型級(jí)配(SAS)制備得到負(fù)離子粉瀝青混合料,并測(cè)試其負(fù)離子濃度、降溫效果、尾氣凈化效果與不同溫度下的動(dòng)穩(wěn)定度,分析TAP瀝青混合料因降溫所帶來(lái)的抗車轍性能提升效果。
(1)TAP
TAP是一種具有釋放負(fù)離子、壓電性、熱電性等功能的硅酸鹽礦物,其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示、化學(xué)組成如表2所示。
表1 TAP物理指標(biāo)
表2 TAP化學(xué)成分 %
(2)瀝青
試驗(yàn)采用的瀝青為AH-70#基質(zhì)瀝青,參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果滿足規(guī)范要求。
首先,將TAP在90 ℃的烘箱里進(jìn)行干燥處理,接著把瀝青加熱到135 ℃,并將其轉(zhuǎn)移到高速剪切機(jī)內(nèi),將干燥后的TAP逐漸加到基質(zhì)瀝青中,同時(shí)加入分散劑、穩(wěn)定劑等助劑,剪切速率為1 000 r/min;保持溫度不變,增加剪切速率至3 500 r/min,剪切時(shí)間為35 min;繼續(xù)保持溫度不變,加入消泡劑,并將剪切速率降至1 000 r/min,排出氣泡,剪切時(shí)間為10 min,即得成品。此次試驗(yàn)中TAP摻量分別為瀝青質(zhì)量的0%、5%、10%、15%、20%。
采用強(qiáng)嵌擠骨架密實(shí)型級(jí)配SAS-16制備瀝青混合料,各篩孔通過(guò)率如表3所示。分別采用基質(zhì)瀝青和TAP改性瀝青制備瀝青混合料,以考察TAP在瀝青混合料中的效果。采用馬歇爾方法設(shè)計(jì)瀝青混合料,確定瀝青混合料的最佳瀝青用量,并測(cè)試其毛體積密度(γf)、空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)、瀝青飽和度(VFA)、馬歇爾穩(wěn)定度(MS)和流值(FL),結(jié)果如表4所示。
表3 SAS級(jí)配
表4 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果
負(fù)離子濃度是指單位體積空氣中的負(fù)離子數(shù)目,空氣清新的標(biāo)準(zhǔn)是負(fù)離子含量達(dá)到1 500個(gè)/cm3,達(dá)到20 000個(gè)/cm3以上則具有醫(yī)療保健的功效。該文通過(guò)負(fù)離子濃度試驗(yàn)測(cè)試TAP瀝青混合料車轍板釋放的負(fù)離子濃度,以此評(píng)價(jià)TAP瀝青的環(huán)保功效。采用IT-10固體負(fù)離子測(cè)試儀測(cè)試TAP瀝青混合料表面的負(fù)離子濃度,主要步驟如下:① 推開(kāi)負(fù)離子濃度檢測(cè)器,將儀器感應(yīng)器盡量靠近試樣但不需貼上;② 輕按POWER鍵開(kāi)機(jī),并按START鍵開(kāi)始測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)顯示在屏幕上方,記錄負(fù)離子濃度即可。
(1)室內(nèi)降溫試驗(yàn)
首先采用TAP瀝青混合料制備厚度為10 cm的車轍板試件,試件分上下兩層,底層為5 cm的普通瀝青混合料,上層為5 cm的TAP瀝青混合料。先采用5 cm深度的車轍板試模制備普通車轍板,然后將制得的車轍板放入10 cm深的車轍板試模,將溫度傳感器的探頭置于車轍板表面中心位置處,覆蓋TAP瀝青混合料后再次使用輪碾成型儀進(jìn)行壓實(shí),制得10 cm厚的車轍板試件。
車轍板試件脫模后,在上下表面各采用瀝青膠漿粘貼一個(gè)溫度傳感器于中心位置處。車轍板試件表面、5 cm深度處及底部均有溫度傳感器。而后將試件移入試驗(yàn)室自制的測(cè)試箱中,測(cè)試箱采用高密度泡沫保溫板與玻璃缸阻止試件與周圍外界進(jìn)行熱交換;采用500 W碘鎢燈模擬太陽(yáng)光源置于試件上部。最后,開(kāi)啟光源進(jìn)行照射,在照射過(guò)程中采用優(yōu)利德UT325接觸式測(cè)溫儀讀取傳感器溫度,溫度的采集頻率為20 min/次。
(2)室外降溫試驗(yàn)
將制備好的車轍板試件置于陽(yáng)光直射的地方進(jìn)行光照試驗(yàn),采用測(cè)溫儀記錄在陽(yáng)光直射下TAP瀝青混合料與普通瀝青混合料車轍板試件表面與底部的溫度變化情況,試驗(yàn)中車轍板試件均為單層,厚度為5 mm,每隔3 min采集一次試件表面及底部溫度數(shù)據(jù)。
制備不同摻量下的TAP瀝青混合料車轍板試件,首先自制密封試驗(yàn)箱,然后采用汽車尾氣收集儀收集適量汽車尾氣,并將制備完成的TAP瀝青混合料車轍板試件、汽車尾氣收集儀、汽車尾氣分析儀置于密封試驗(yàn)箱中,最后打開(kāi)汽車尾氣分析儀,測(cè)試不同TAP摻量的瀝青混合料車轍板試件對(duì)汽車尾氣各成分的凈化比率。
根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行不同溫度下的車轍試驗(yàn),試驗(yàn)溫度選用50、55、60、65、70 ℃,保溫時(shí)間為6 h,采用動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)其進(jìn)行表征。
TAP摻量分別為瀝青質(zhì)量的0%、5%、10%、15%、20%,TAP瀝青混合料試件表面的負(fù)離子濃度如表5所示。由表5結(jié)果可知:試件表面所釋放的負(fù)離子隨著TAP摻量的增加而增加,當(dāng)TAP摻量上升到5%時(shí)負(fù)離子濃度為1 249個(gè)/cm3,達(dá)到空氣清新標(biāo)準(zhǔn)。
表5 TAP瀝青混合料試件表面的負(fù)離子濃度
(1)室內(nèi)降溫效果
采用TAP摻量分別為瀝青質(zhì)量的0%、5%、10%、15%、20%,制得TAP瀝青混合料車轍板試件,其加熱2 h后各部位最終溫度如圖1所示。
由圖1可知:采用TAP瀝青混合料制備的車轍板試件溫度總體比普通瀝青制備的車轍板試件低,而且TAP摻入量越大,降溫效果越明顯。試件表面降溫最大,中部次之,底部降溫變化相對(duì)較小。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知:TAP能使得路面溫度降低主要得益于自身的自發(fā)極化性能、熱電性能。當(dāng)TAP改性瀝青表面溫度升高時(shí),在溫度應(yīng)力的作用下,極性分子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷的過(guò)程中,導(dǎo)致部分能量釋放,從而使試件表面溫度降低;其次當(dāng)TAP改性瀝青表面外界溫度發(fā)生變化時(shí)釋放電荷形成靜電場(chǎng),吸收試件表面熱量轉(zhuǎn)化為電能,進(jìn)而降低瀝青道路溫度。
一般而言,在夏季中國(guó)大部分地區(qū)瀝青路面在陽(yáng)光直射的情況下路表溫度能達(dá)到60 ℃。觀察圖1(a)可發(fā)現(xiàn),采用碘鎢燈對(duì)車轍板試件照射2 h后,普通瀝青混凝土車轍板試件表面溫度能達(dá)到60 ℃左右,能較好地模擬自然環(huán)境實(shí)際情況。由于各溫度變化曲線在照射2 h時(shí),斜率仍然大于0,可以推測(cè)加長(zhǎng)照射時(shí)間車轍板試件溫度仍能上升。
圖1 不同TAP摻量改性瀝青車轍板各部位溫度變化
為了確定改性瀝青中TAP最佳摻量,采用不同摻量車轍板試件各位置于照射2 h后的溫度進(jìn)行判斷,結(jié)果如圖2所示。
由圖2可以發(fā)現(xiàn):TAP摻量與降溫值呈正相關(guān),當(dāng)TAP摻量20%時(shí),試件表面降溫達(dá)6.1 ℃;中部降溫幅度達(dá)4.1 ℃;底部溫度則下降3.3 ℃。當(dāng)TAP摻量為15%時(shí),試件表面降溫達(dá)5.4 ℃;中部降溫幅度達(dá)3.1 ℃;當(dāng)摻量大于15%時(shí),TAP摻量的增大基本難以提升降溫幅度,TAP的摻量大于15%時(shí)再增加TAP的用量是明顯不經(jīng)濟(jì)的。然而,TAP摻量太小時(shí),其降溫效果并不明顯。
圖2 不同TAP摻量車轍板試件各位置于照射2 h后的溫度
(2)室外降溫效果
制備TAP摻量為瀝青質(zhì)量15%的TAP瀝青混合料,制作5 cm厚的車轍板試件,在室外陽(yáng)光直射處進(jìn)行光照試驗(yàn),當(dāng)日氣溫為18~29 ℃,天氣晴朗。試驗(yàn)時(shí)間為11:30—15:18,每隔3 min采集一次試件表面及底部溫度數(shù)據(jù)。TAP瀝青混合料車轍板與普通車轍板的溫度變化如圖3所示,降溫幅度變化如圖4所示。從室外光照試驗(yàn)結(jié)果可以得出:當(dāng)TAP摻量為瀝青質(zhì)量15%時(shí),5 cm厚TAP瀝青混合料車轍板表面最大降溫幅度可達(dá)7.2 ℃,底部最大降溫幅度可達(dá)4.3 ℃。室外試驗(yàn)降溫效果比室內(nèi)試驗(yàn)稍有提高,且試件表面的溫度變化波動(dòng)較大。這可能是由于室外試件的溫度受到陣風(fēng)、云層及其他環(huán)境因素的影響,使得室外光照試驗(yàn)中試件溫度變化不穩(wěn)定。比較圖3、4可以發(fā)現(xiàn):瞬時(shí)降溫幅度最大對(duì)應(yīng)的時(shí)間為13:30,此時(shí)的室外氣溫為當(dāng)天氣溫的最高值,且車轍板試件的表面溫度也達(dá)到了試驗(yàn)中的最大值。由此可知當(dāng)環(huán)境溫度或?yàn)r青混合料自身溫度較高時(shí),TAP的自發(fā)極化性能、熱電性能以及釋放負(fù)離子功能越強(qiáng),有利于提高TAP瀝青混合料車轍板的路面降溫效果。
圖3 不同位置處的車轍板試件溫度變化
圖4 車轍板試件底部與頂部的降溫幅度變化
用汽車尾氣分析儀測(cè)試TAP瀝青混合料車轍板對(duì)汽車尾氣各成分的凈化比率,汽車尾氣各成分凈化比率隨TAP摻量的變化規(guī)律如圖5所示。
圖5 汽車尾氣各成分凈化率隨TAP摻量的變化
由圖5可知:TAP瀝青混合料具有凈化各類汽車尾氣功效,且凈化效果與TAP摻量呈現(xiàn)正相關(guān),其中0%~5%的TAP摻量?jī)艋俾首羁?,隨后凈化速度變緩,當(dāng)摻量高于15%,凈化效果的提升空間較小。所制得的TAP瀝青混合料對(duì)汽車尾氣中的NOx其凈化效果尤為明顯,對(duì)CO2、CO等碳氧化合物效果較弱。對(duì)比發(fā)現(xiàn),20%TAP摻量對(duì)NOx的凈化率可達(dá)83.2%,而15%摻量的TAP凈化率為79.5%,在TAP摻量提升5%的情況下,凈化率只提升3.7%,經(jīng)濟(jì)效益和凈化效果均不明顯。
為了驗(yàn)證制備的TAP瀝青混合料降低路面溫度可以有效提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能,不同溫度下的車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
由圖6可知:當(dāng)外界環(huán)境溫度相同時(shí),普通瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)于TAP瀝青混合料均有不同程度降低。結(jié)合前文試驗(yàn)研究,TAP可降低溫度5 ℃左右,當(dāng)試驗(yàn)溫度為60 ℃時(shí),普通瀝青混合料車轍板試件動(dòng)穩(wěn)定度為2 305次/mm,考慮將整體降溫幅度看作5 ℃,參考55 ℃時(shí)的車轍試驗(yàn)結(jié)果,采用TAP瀝青混合料制備的車轍板試件動(dòng)穩(wěn)定度為3 217次/mm,其抗車轍性能可提升至40%。
圖6 不同溫度下瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度變化規(guī)律
分析上述結(jié)果出現(xiàn)的主要原因如下:高溫會(huì)促進(jìn)和加重車轍的形成與發(fā)展,而TAP瀝青混合料既降低了瀝青路面溫度,又提升了其動(dòng)穩(wěn)定度,進(jìn)而車轍變形量降低,TAP瀝青混合料的抗車轍性能越好,同時(shí)考慮到降溫抗車轍改性瀝青中TAP比表面積較大,可對(duì)瀝青進(jìn)行有效的吸附,形成更多的結(jié)構(gòu)瀝青,提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性能,進(jìn)而抗車轍性能大幅提升。
(1)制備的TAP瀝青混合料可提升空氣中負(fù)離子濃度,且TAP摻量與負(fù)離子釋放量呈正相關(guān),當(dāng)TAP摻量為5%時(shí),負(fù)離子濃度為1 249個(gè)/cm3,已達(dá)到空氣清新標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)TAP摻量繼續(xù)上升至15%時(shí),其負(fù)離子濃度達(dá)到1 679個(gè)/cm3,較標(biāo)準(zhǔn)清新空氣的負(fù)離子濃度提升了12%。
(2)TAP瀝青混合料可有效降低溫度,當(dāng)TAP最佳摻量為15%時(shí),可降低試件表面溫度5.4 ℃,降低中部溫度3.1 ℃,降低底部溫度1.8 ℃。
(3)TAP瀝青混合料可有效凈化NOx、HC、CO2、CO等汽車尾氣,當(dāng)TAP摻量為15%時(shí),可凈化75%的氮氧混合物(NOx)、10%的CO2與CO等碳氧化合物以及15.8%的碳?xì)浠衔铩?/p>
(4)制備的TAP瀝青混合料既提升了試件動(dòng)穩(wěn)定度,又降低了試件表面溫度,在降溫5 ℃的情況下,其55 ℃下動(dòng)穩(wěn)定度高達(dá)3 217次/mm,抗車轍性能提升了40%。