温拌抑烟沥青抑烟机理研究

　　摘要

　　为明晰温拌抑烟沥青的抑烟机制，本文以氢氧化铝(ATH)、膨胀石墨(EG)、有机蒙脱土(OMMT)组成的复合抑烟剂(EOA)及威沥士温拌剂为研究对象，通过热重试验、扫描电镜(SEM)、SEM-EDS联用、红外光谱等微观测试手段，系统探究单一抑烟组分的作用机理、沥青热解前后的微观形貌演变及残留物表面的元素分布特征，揭示温拌抑烟沥青在燃烧与常规加热状态下的抑烟本质。研究结果表明，三种抑烟组分协同作用，可通过吸热降温、吸附烟气、阻隔氧气与热量、促进致密炭层形成等多重路径抑制沥青烟气释放，为温拌抑烟沥青的工程应用提供理论支撑。

　　关键词：公路隧道;尾气降解;纳米TiO2;复合改性;性能表征;降解效率。

　　1引言

　　沥青是道路工程中应用最广泛的胶结材料，但其在生产、拌和、摊铺及高温服役过程中易发生热分解，释放含多环芳烃、硫化物、挥发性有机物等有害物质的沥青烟，不仅污染大气环境，还严重危害施工人员身体健康。传统热拌沥青施工温度通常在150-170℃，高温条件下沥青烟排放量大、扩散范围广，环保压力十分突出。

　　温拌沥青技术通过添加温拌剂，可将施工温度降低30-50℃，有效减少烟气、粉尘及能耗。但单一温拌剂仅能降低热负荷，抑烟效果有限。近年来，无机阻燃抑烟材料凭借高效、环保、低成本等优势被广泛应用于沥青改性研究，其中ATH、EG、OMMT分别具有吸热分解、膨胀隔热、催化成碳等特性，是极具潜力的复合抑烟组分。

　　目前国内外研究多集中于抑烟剂对沥青宏观性能及烟气排放的影响，对微观结构演变、元素迁移规律及协同抑烟机制的系统性研究尚不充分。基于此，本文以ATH、EG、OMMT复配制备EOA复合抑烟剂，结合威沥士温拌剂制备温拌抑烟沥青，从热分解行为、微观形貌、元素组成多维度解析抑烟机理，明确多组分协同作用机制，为高性能温拌抑烟沥青的研发与推广提供科学支撑。

　　2试验材料与方法

　　2.1试验材料

　　1)基质沥青(PA0)：70号A级道路石油沥青，基本性能满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)要求。

　　2)温拌抑烟沥青(POE6)：基质沥青中掺入2%威沥士温拌剂与5%EOA复合抑烟剂(ATH:EG:OMMT=3:2:1，质量比)，经160℃高速剪切30min制备而成。

　　3)氢氧化铝(ATH)：工业级，白色粉末，粒径10-20μm，纯度≥98%。

　　4)膨胀石墨(EG)：酸性插层改性制备，膨胀倍率200mL/g，粒径50-80目。

　　5)有机蒙脱土(OMMT)：十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改性，阳离子交换量(CEC)=120mmol/100g。

　　2.2试验方法

　　1)热重分析(TG-DTG)

　　采用梅特勒托利多TGA/DSC3+同步热分析仪，对ATH、EG、OMMT及沥青样品进行测试。试验条件：温度范围室温-800℃，氮气氛围，升温速率10℃/min，气体流速30mL/min，记录热重(TG)与微分热重(DTG)曲线。

　　2)扫描电子显微镜(SEM)

　　采用日立SU8010场发射扫描电子显微镜，对未热解、燃烧热解(800℃)、普通热解(300℃)后的沥青样品表面喷金处理后进行形貌观察，放大倍数为500×、1000×、5000×、10000×。

　　3)SEM-EDS元素分析

　　利用SEM配套的牛津X-Max50能谱仪，对沥青热解残留物表面进行元素扫描，分析C、O、S、Al、Si、Na、Ca等元素的分布及质量分数变化。

　　4)红外光谱(FTIR)

　　采用NicoletiS50傅里叶红外光谱仪，对300℃恒温加热1h后的沥青样品进行测试，波数范围4000-400cm⁻¹，分辨率4cm⁻¹，分析官能团演变规律。

　　3单一抑烟组分作用机理

　　3.1氢氧化铝(ATH)抑烟机理

　　ATH的TG-DTG曲线如图1所示。由TG曲线可知，ATH受热后质量持续下降，800℃总失重率达65.2%;DTG曲线在257℃、325℃、530℃出现三个特征峰，对应三阶段热分解：第一阶段对应DTG中的第一个峰，在该阶段ATH会失掉第一个水分子，即α-三水合氧化铝转化为α-氧化铝单水合物。第二阶段对应第二个峰，即α-三水合氧化铝分解为X-Al2O3，这一过程则又失掉一个水分子。第三阶段则对应第三个峰值，即X-Al2O3转化为γ-Al2O3，此过程中再脱去一个水分子。

　　图1ATH的TG与DTG曲线

　　三阶段分解均为强吸热反应，总吸热量约1200J/g，可显著降低沥青表面温度，延缓热解反应速率。分解生成的水蒸气可稀释烟气浓度、吸附烟尘颗粒;固体产物γ-Al2O3具有高比表面积，可吸附有机烟气组分，同时形成致密无机覆盖层，阻隔氧气与挥发性气体扩散，实现“降温-吸附-阻隔”三重抑烟效果。

　　3.2膨胀石墨(EG)抑烟机理

　　EG的TG-DTG曲线如图2所示。230℃前质量稳定，热稳定性良好;230-320℃快速失重，DTG出现单峰，归因于层间酸性插层物([SO4·7H2O·NO3]x)受热分解产生CO₂、SO₂等气体，推动石墨层片膨胀剥离;680℃后再次失重，为石墨骨架缓慢氧化分解。

　　SEM形貌对比(图3-5)显示，原样EG呈致密层状结构;热沥青剪切后洗脱的EG呈薄纱状褶皱结构，层片充分展开，比表面积提升3-5倍，可高效吸附沥青烟气中的轻质组分。膨胀后的石墨层形成疏松多孔隔热层，导热系数降低40%以上，有效阻隔热量传递，抑制沥青内部热解，减少烟气释放。

　　3.3有机蒙脱土(OMMT)抑烟机理

　　OMMT的TG-DTG曲线如图6所示。热解分为三阶段：室温-200℃为吸附水脱除，失重率3.8%;200-500℃为有机插层剂分解，DTG出现双峰值，对应两种插层剂分解，失重率28.5%;500-800℃为脱羟基反应，失重率5.2%。

　　有机插层剂通过Hofmann消除与SN2亲核取代反应分解，生成胺类、烯烃及酸性位点。酸性位点可催化沥青芳烃环化、交联、脱氢芳构化，促进致密碳层生成;碳层插入蒙脱土层间，形成含碳硅酸盐复合阻隔层，延缓热量传递与沥青老化。同时，酸性位点可捕获燃烧自由基，终止链式氧化反应，降低烟气中有害组分含量。常规加热条件下，OMMT随热流迁移至沥青表面，形成陶瓷化致密屏障，阻挡内部烟气外溢。

　　4沥青热解前后微观形貌特征

　　4.1未热解沥青微观形貌

　　未热解PA0与POE6的SEM图像如图7-12所示。PA0表面平整光滑，无明显褶皱，仅10000×下可见微小凸起;POE6表面布满密集褶皱，500×下清晰可见，褶皱深度约5-10μm。

　　POE6表面褶皱成因：一是制备过程中高速剪切、搅拌产生机械变形;二是EOA组分与沥青胶体体系相互作用，改变沥青微观聚集态结构。褶皱结构提升沥青比表面积，增强高温稳定性;POE6无抑烟剂团聚现象，表明EOA在沥青中分散均匀，体系相容性良好。

　　4.2燃烧热解后微观形貌

　　800℃燃烧热解后残留物SEM图像如图13-18所示。PA0表面形成疏松多孔碳层，布满直径5-20μm气孔及扩展性裂缝，碳层强度低，挥发性气体易击穿碳层，热量与氧气易渗透，烟气释放量大。

　　POE6表面形成致密均匀复合炭层，无明显孔洞与裂缝，炭层厚度约10-15μm，机械强度显著提升。炭层表面可见ATH分解的氧化铝颗粒、EG膨胀后的石墨片层及OMMT的硅酸盐碎片，证实EOA组分协同参与炭层构建，形成“无机颗粒-碳层-硅酸盐”复合阻隔结构，有效抑制烟气释放。

　　4.3普通热解后微观形貌

　　300℃常规加热后残留物SEM图像如图19-24所示。PA0表面存在大型凹槽(烟气溢出通道)与蜂窝状密集气孔，气孔直径1-5μm，表明常规加热下PA0热解剧烈，轻质组分大量挥发。

　　POE6残留物以片层结构为主，片层厚度约2-5μm，表面仅分布少量微小气孔，多数区域形成致密屏障层。EG与OMMT限制沥青轻质组分迁移，降低热解速率;较低加热温度进一步减少烟气生成，体现EOA在常规施工温度下的优异抑烟效果。

　　5热解残留物表面元素分布

　　5.1未热解沥青元素组成

　　SEM-EDS测试结果(图25-29)显示，未热解PA0与POE6表面元素均以C、O、S为主，质量分数分别为：PA0(85.6%C、11.2%O、3.2%S)，POE6(87.3%C、9.8%O、2.9%S)。POE6的C元素含量略高，源于EG的碳质成分;未检测到Al、Si等元素，说明EOA在沥青中均匀分散，未在表面富集，与SEM观察结果一致。

　　5.2燃烧热解后元素组成

　　燃烧热解后(图30-34)，PA0表面元素组成变化较小(82.1%C、14.5%O、3.4%S);POE6表面新增Al(4.2%)、Si(3.8%)、Na(1.5%)、Ca(1.2%)元素，Al源于ATH，Si、Na、Ca源于OMMT，证实抑烟组分参与炭层形成。POE6的O元素含量达18.6%，显著高于PA0，氧化物含量提升增强炭层致密性与热稳定性，强化阻隔效果。

　　6.结论

　　本文主要探讨了多元复配材料(ATH、OMMT、EG)在温拌沥青中的协同阻燃抑烟机理。通过TG-DSC联用综合热分析及燃烧后残留物的表观形貌和元素组成分析，揭示了三种阻燃剂复配后对沥青的阻燃与抑烟效果。首先，ATH、OMMT和EG三者在沥青中形成的复合结构，通过热运动和机械剪切作用，分别提高了沥青的高温性能和阻燃性能。ATH在燃烧过程中通过吸热分解生成Al₂O₃和H₂O，降低了可燃气体和氧气浓度，抑制了轻质组分的分解，从而发挥了良好的阻燃和抑烟作用。EG则通过膨胀吸热，形成疏松多孔的碳化层，阻隔热量并吸附沥青烟气，起到了凝聚相阻燃抑烟的作用。OMMT则通过促进成碳作用和形成无机残留物阻隔层，进一步提高了阻燃效果，并通过捕获自由基延缓了燃烧过程中的链式反应。三种材料的复配，使其各自的阻燃和抑烟机理得以互补，形成了厚实、均匀的复合炭层，有效地提高了沥青的阻燃性能并减少了烟气释放。