抑尘抗滑型AC-13沥青混合料性能评价研究

杨 胜，雷 青,朱 赫,索 智

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院,北京 100044;2.贵州省铜仁公路管理局,铜仁 554300)

0 前言

随着经济的高速发展，建筑、交通与化工等活动产生了大量的空气污染物，恶化了大气环境[1].大气污染源分析结果显示道路扬尘为其重要的来源，其中包含机动车尾气排放与轮胎磨损产生的颗粒物，这些物质通过呼吸进入人体后会严重影响健康[2].国内外针对道路扬尘问题普遍采用的抑尘方法多为洒水或喷洒抑尘剂.然而，洒水的抑尘时间短，水资源浪费大；喷洒抑尘剂可减少水的浪费，但长久来看，仍存在耐久性不足、污染环境等问题[3-6].

洒水或喷洒抑尘剂存在耐久性不足的问题，究其根本是因为采用了路面外掺抑尘材料的方法.外掺法使抑尘材料暴露在自然环境中，在风吹日晒，雨水冲刷及车轮碾压的作用后，材料逐渐损失并失去效果.而内掺法能将抑尘材料嵌固在面层沥青混合料之中，大大提高了其耐久性能.但是国内外有关沥青混合料内掺抑尘材料的研究还是空白.

本课题组进行了沥青混合料内掺抑尘材料的研究，并开发了一种具有持久抑尘效果的沥青路面材料.其原理为将传统沥青混合料中的矿粉成分等体积置换为高效吸附改性添加剂，使其充分分散在沥青胶浆中，发挥其吸附功能，主动吸附空气中的水分，利用路表附着的水分抑制扬尘.在前期对抑尘添加剂及混合料配合比的研究基础上，最终确定了抑尘抗滑型AC-13沥青混合料[7-8].

本文就抑尘抗滑型AC-13沥青混合料，对其高温、低温、水稳定性、抑尘效果及抑尘耐久性进行评价.以此验证其路用性能及抑尘性能的有效性.

1 原材料检测及配合比

1.1 原材料检测

1.1.1 沥青材料

抑尘沥青混合料中沥青采用SBS改性沥青，含有抗剥落成分，可增加沥青和集料之间的黏附性.经检验，SBS改性沥青的性能满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的指标要求.

表1 SBS改性沥青性能指标

1.1.2 集料

本次实验采用的集料硬度高、耐久性好的玄武岩，经检验，粗细集料及矿粉的性能均能满足《公路工程集料试验规程》JTG E42—2005的指标要求.

表2 粗集料性能指标

表3 细集料性能指标

表4 矿粉性能指标

1.2 矿料级配组成及最佳沥青含量

级配组成见图1，表5，最佳沥青含量见表6.

表6 沥青混合料最佳油石比汇总表 %

图1 抗滑型AC-13沥青混合料级配设计曲线

表5 级配设计表

2 性能验证

不同内掺抑尘吸附改性剂沥青混合料路用性能检测见表7.

由表7可知两种抑尘沥青混合料的动稳定度、马歇尔稳定度、残留马歇尔稳定度比、冻融劈裂强度比、低温弯曲破坏应变、摩擦系数指标均满足设计要求.同时掺入100%天然沸石粉的沥青混合料的动稳定度提高了20%，最大弯拉应变降低了4%；掺入75%无水氯化钙的沥青混合料的动稳定度提高了10%，最大弯拉应变降低了3%.结果表明掺入抑尘吸附改性材料有利于提高抑尘沥青混合料的高温稳定性能低温抗裂性能.

表7 不同内掺抑尘吸附改性剂沥青混合料路用性能检测

图2 天然沸石粉(左)和无水氯化钙(右)

图3 普通沥青混合料(左)抑尘沥青混合料(右)湿度85%

3 抑尘效果评价

以上试验研究表明，抑尘抗滑型AC-13沥青混合料的路用性能满足规范要求.因此，进一步对抑尘抗滑型AC-13沥青混合料的抑尘性能进行评价.

通过室内扬尘模拟监测系统，以PM10浓度为指标，来评价抑尘抗滑型AC-13沥青混合料的抑尘性能.

3.1 室内扬尘模拟监测系统

本课题组自主开发的室内扬尘模拟监测系统由扬尘模拟分析罐，鼓风装置，冲刷装置及冻融装置组成.扬尘模拟分析罐为试验主体，承当主要的模拟监测功能.其材质为有机玻璃制成的圆柱形外封闭式设备，外径60 cm，内径57 cm，壁厚1.5 cm，上下盖板厚2 cm，高120 cm.罐子外接扬尘的产生装置与PM10、PM2.5、PM1.0等参数测量仪器显示屏.试验可用区域为扬尘模拟分析罐15～100 cm之间约85 cm的模拟操作空间内，进行扬尘模拟分析试验，试验允许电压为220 V，鼓入的风速为模拟北京市扬尘污染最为严重的夏季地表平均风速约3 m/s.

通过胶管和鼓风机将与扬尘粒度相近的粉状颗粒吹入扬尘模拟分析罐，仅有鼓风机的进风口与外相互连通，且试验时进风口连接至罐身内部空间中，即整个装置是对外封闭的.扬尘模拟分析设备的CAD设计图、扬尘产生罐及罐内扬尘浓度测试设备的实体物如图4所示.

图4 扬尘模拟分析设备的CAD设计图及实体图

3.2 抑尘效果评价

将3块经吸湿预处理的车辙板试件分别放入扬尘模拟分析设备中用于抑尘效果对比试验的开展.其PM10浓度变化曲线如图5所示.

图5反映了随着时间的增加，扬尘模拟分析设备中PM10的浓度变化.由图可知：只掺入矿粉的吸湿混合料也会呈现出一定的降低设备内PM10浓度的现象，这是由于混合料的遇水冷凝现象.

图5 3种车辙板试件的抑尘效果

在试验进行前期，掺入75%无水氯化钙的抑尘沥青混合料比100%天然沸石粉的混合料抑尘现象明显，在试验进行到2 min45 s时曲线出现拐点，优势体现期出现，掺入100%天然沸石粉的抑尘沥青混合料比75%无水氯化钙的混合料抑尘效果更佳，2条浓度变化曲线呈X型交叉，存在着演变规律，最后在掺入100%天然沸石粉的设备环境中剩余PM10浓度更低，抑尘能力强于掺入75%无水氯化钙近15%.

同时掺加了2种材料的抑尘沥青混合料均表现出了优越的抑尘性能，掺入100%天然沸石粉的抑尘沥青混合料在4 min30 s内可完成PM10的浓度从927降至65，减少了93%的扬尘污染；掺入75%无水氯化钙的抑尘沥青混合料在5 min内均可完成PM10的浓度从916降至近79，减少了91%的扬尘污染，实现了空气质量从重度污染变为良性状态.

3.3 抑尘耐久性评价

在探究了抑尘沥青混合料的抑尘效果后，考虑其长期抑尘耐久性能同样至关重要，本研究提出了在模拟大风吹袭、降雨冲刷、浸水冻融三大自然环境条件下的抑尘沥青混合料耐久性评价体系，开展二次抑尘试验.

3.3.1 鼓风条件下抑尘性能测试

在抑尘沥青混合料的抑尘效果评价试验结束后，将吸收了扬尘的3块车辙板试件置于鼓风机前进行鼓风条件下的二次抑尘试验.

鼓风试验结束后，对试件重复进行抑尘效果对比试验，探究大风天气下抑尘沥青混合料的二次抑尘效果，同时绘制PM10浓度量变化曲线如图7所示.

图6 鼓风试验开展过程

图7 鼓风试验后3种车辙板试件的抑尘效果

由图7曲线变化情况可知：鼓风后，掺加了2种材料的抑尘沥青混合料均可继续吸收粉尘，降低设备内PM10质量浓度.掺入100%天然沸石粉的抑尘沥青混合料在6 min内可完成PM10的浓度从953 μg/m3降至90 μg/m3，减少了90%的扬尘污染；掺入75%无水氯化钙的抑尘沥青混合料在6 min40 s内均可完成PM10的浓度从947 μg/m3降至115 μg/m3，减少了88%的扬尘污染，实现了空气质量从重度污染变为良性状态.

3.3.2 冲刷条件下抑尘性能测试

在抑尘沥青混合料的抑尘效果评价试验结束后，将吸收了扬尘的3块车辙板试件置于模拟降雨冲刷装置中进行冲刷条件下的二次抑尘试验.

模拟降雨冲刷试验结束后，将试件分别置于扬尘模拟分析设备中，重复进行抑尘效果对比试验，探究降雨条件下抑尘沥青混合料的二次抑尘效果，同时绘制PM10浓度变化曲线如图9所示.

图8 冲刷试验开展过程

图9 冲刷试验后3种车辙板试件的抑尘效果

由图9曲线变化情况可知：模拟降雨冲刷后，掺加了两种材料的抑尘沥青混合料均可继续吸收粉尘，降低设备内PM10质量浓度.掺入100%天然沸石粉的抑尘沥青混合料在5′20″内可完成PM10的浓度从914 μg/m3降至78 μg/m3，减少了91%的扬尘污染；掺入75%无水氯化钙的抑尘沥青混合料在6 min10 s内均可完成PM10的浓度从887 μg/m3降至92 μg/m3，减少了89%的扬尘污染，实现了空气质量从重度污染变为良性状态.

3.3.3 冻融条件下抑尘性能测试

在抑尘沥青混合料的抑尘效果评价试验结束后，将吸收了扬尘的3块车辙板试件经冻融循环处理，进行浸水冻融条件下的二次抑尘试验.

浸水冻融循环试验结束后，将试件分别置于扬尘模拟分析设备中，重复进行抑尘效果对比试验，探究冻融循环后抑尘沥青混合料的二次抑尘效果，评价其抑尘耐久性能，同时绘制PM10浓度变化曲线如图11所示.

图10 冻融试验开展过程

图11 冻融试验后3种车辙板试件的抑尘效果

由图11曲线变化情况可知：模拟浸水冻融循环后，掺加了两种材料的抑尘沥青混合料均可继续吸收粉尘，降低设备内PM10浓度，但抑尘能力会有所降低.掺入100%天然沸石粉的抑尘沥青混合料在7 min40 s内可完成PM10的浓度从847 μg/m3降至108 μg/m3，减少了87%的扬尘污染；掺入75%无水氯化钙的抑尘沥青混合料在9 min内均可完成PM10的浓度从832 μg/m3降至134 μg/m3，减少了84%的扬尘污染，实现了空气质量从重度污染变为轻微污染.

对比3项抑尘耐久性评价试验结果，可得如下结论：经过自然条件下的狂风吹袭、降雨冲刷，浸水冻融循环后的生态主动抑尘沥青路面仍会继续保持其抑尘功能，抑尘降幅系数均能达到80%以上，效果显著；且掺入100%天然沸石粉的沥青混合料抑尘效果要更加优于掺入75%无水氯化钙的沥青混合料，其抑尘降幅系数能维持至90%左右，达到了良好的路面抑尘且效果持久的目的.

4 结论

该文以室内研究为基础，对天然沸石粉100%置换矿粉和无水氯化钙75%置换矿粉得到的两种抑尘抗滑型AC-13沥青混合料的路用性能及抑尘性能进行评价.通过试验，得到以下结论：

1)两种抑尘抗滑型AC-13沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性以及抗滑性能均满足规范要求，且掺入抑尘吸附改性材料有利于提高抑尘沥青混合料的高温稳定性能低温抗裂性能.

2)掺入100%天然沸石粉的抑尘沥青混合料初次抑尘降幅系数为93%，在大风吹袭、降雨冲刷、浸水冻融条件下的二次抑尘降幅系数分别为90%、91%、87%；掺入75%无水氯化钙的抑尘沥青混合料初次抑尘降幅系数为91%，在大风吹袭、降雨冲刷、浸水冻融条件下的二次抑尘降幅系数分别为88%、89%、84%.说明两种抑尘抗滑型AC-13沥青混合料具有持久有效的抑尘效果.