沥青VOC减排新材料的研究可追溯到2010年,如图14所示,沥青VOC的减排材料由最初最普遍用于环境气体吸附的多孔类活性炭材料逐渐发展到10余种,包括具有改善沥青内部结构的高分子聚合物,以及基于纳米效应的沥青VOC纳米减排剂等,沥青VOC的减排方式正趋于多样化,更多具有减排潜力的新材料正被逐渐开发。
当前用于沥青VOC减排的添加剂可根据其减排机理分为结构多孔类、高分子聚合物类、纳米表面效应类以及化学抑制剂类这4种减排新材料。结构多孔类材料主要包括活性炭、沸石等三维孔道材料和双氢氧化物等层状孔隙材料,由于材料自身的多孔结构,对沥青VOC的减排突出表现在物理吸附上,同时也存在少量化学吸附和催化效应。减排效果达到20%~85%,其中活性炭的减排不具备选择性,对于大部分VOC均有吸附效应,减排效果为20%~50%;分子筛材料由于其可定向调节和修饰的孔道结构被认为是一种极具选择性吸附潜力的多孔新材料,减排效果普遍大于40%,其中微-介孔分子筛的内部孔结构更丰富,故可设计性更强,可综合吸附-催化的多重功效用于特定化设计制备;层状材料中膨胀石墨由于其层间卷曲作用和丰富的膨胀孔道结构,能实现60%~70%减排。
高分子聚合物类材料掺入沥青最初并非用于减排VOC,而是提升沥青的路用性能指标,后续研究者发现SBS、聚氨酯、聚乙烯等高分子聚合物的添加能同时降低沥青VOC排放,这是由于其具有受热溶胀交联形成网状结构的特点,形成的网状结构一方面能有效禁锢部分轻质VOC分子,减少其逸出,另一方面提升了沥青的相容性和稳定性,减少VOC分子释放几率,其减排效率可达40%。
纳米表面效应类材料的VOC减排主要归因于其表面效应和纳米效应,包括电气石、中空介孔SiO2中空纳米球、纳米碳酸钙等材料。其中电气石作为一种具有表面静电场效应的材料,能实现40%~80%的VOC减排。化学抑制剂类材料包括三聚氰胺和磷钼酸铵,其减排机理是促进沥青分子间化学反应、自身受热分解或生成不助燃气体,从而降低周围温度和氧浓度,间接实现VOC减排,抑制效果通常达到20%~30%,但由于高温下化学反应复杂不可控,且易导致各类副反应频发,故当前化学抑制剂类材料并不建议广泛用于沥青VOC减排。
4.2.3净味沥青材料
沥青施工加热及夏季高温服役时通常会伴随着恶臭气味,对人体呼吸系统和皮肤等有极大的刺激作用。沥青烟气中的恶臭主要来源于含硫物质,包括苯并噻唑等,这些含硫有机物易在高温下分解为H2S气体,散发刺激性气味。沥青净味剂的功效在于能实现减少硫化物的排放,从而抑制臭味产生。由于橡胶沥青中硫化物含量较高,且与沥青相容性较差,极易挥发大量含硫物,故净味剂通常用于橡胶沥青的除味。目前,常见的沥青材料净味剂及其净味机理及减排效果总述为如表5所示。
净味剂根据其净味机理可分为三大类:完全清除型、替代型和消减型。完全清除型是通过高科技形成空腔气味包覆臭味分子,同时在介质表面形成屏蔽网,吸附或去除臭味源,达到除臭效果。替代型是通过添加物的香味替代臭味,达到赋予舒适的感官效果的目的。消减型则是能够提高混合物中挥发沥青净味剂能在一定温度下直接与活性基团反应,如含氨基氮及硫化氢官能团等,从而降低这些官能团从链上脱落的几率,螯合低分子物质,进而大幅降低施工散发的刺激性气味。除此之外,一些研究者基于除味机理,以蓖麻油酸锌为主要成分,并添加其他各类有净味成分的有机无机物原料的方式,自制净味剂[364],也可实现对硫化氢、氨、甲硫醇分别约38%、62%和9%的抑制。
4.2.4未来发展趋势
低环境影响路面材料及其应用技术发展至今,已经形成了完备的技术体系及其对应的关键新材料。随着公路工程全生命周期低环境负荷建养研究的持续深入,为推动实现路面材料在施工、建设和运营整个生命周期的低排放,亟需围绕以下3个方向开展关键科学技术攻关。
(1)建立多因素耦合条件下的道路材料污染物释放机理模型:沥青路面建设过程中的污染物释放情况受沥青种类、油石比等自身因素以及加热温度、时间等外界因素的共同影响,建立多因素耦合条件下的污染物释放模型有助于预估和推演沥青污染物的释放规律,实现在不影响路用性能的情况下,优化施工工序及建造工业,实现公路工程的高效减排。
(2)公路工程吸碳固碳新材料及其应用技术:交通运输领域碳排放在社会总碳排放中的占比超10%,已经成为了“双碳”战略实施的主战场。公路工程基础设施是交通运输的直接载体,依托基础设施开展吸碳固碳新材料研发,构建适用于交通运输领域减碳需求的应用技术,将为碳减排提供关键技术支撑。
(3)超大掺量高性能道路材料再生利用关键技术:当废旧沥青混合料再生长期面临应用等级低、层位低、掺量低以及细料利用率低等问题,解决废旧料性能波动大、抗水损害能力低、再生效果差等缺陷,推动再生利用技术向高性能、高等级、高层次和高掺量发展,是未来技术发展的核心诉求。
4.3沥青路面温拌再生技术(华南理工大学张园教授撰写)
沥青路面温拌再生是一种通过温拌沥青(Warm Mix Asphalt,WMA)降温措施来提升沥青混合料回收料(Reclaimed Asphalt Pavement,RAP)循环利用水平、保证沥青路面再生性能的新型路面再生技术。相较于传统热再生,降低混合料生产温度不仅能减少能源消耗和烟气污染,更能克服热拌沥青混合料中RAp掺量的限制,同时避免高温导致的二次老化,提高再生沥青混合料拌和性,改善再生沥青混合料的压实时间和压实效果。另外,值得注意的是,冷再生沥青混合料尽管在能耗、环保以及再生利用水平上有其显著的优势,但其路用性能与常规热拌沥青混合料相比仍有很大的差距。因此,基于温拌的沥青路面再生技术提供了一种重要的解决方案。目前,相关研究主要集中于高掺量温拌再生沥青混合料的施工和易性,不同温拌技术对再生沥青混合料性能影响,以及如何在保障再生性能的前提下提升RAp循环利用水平。
4.3.1 温拌再生技术的发展
温拌沥青技术是通过添加剂来降低沥青黏度,提升施工和易性,使沥青混合料拌和和压实温度相比于热拌沥青降低20C~40℃。20世纪90年代,欧洲开始WMA技术研究,1995年德国首次使用沸石Aspha-Min来制备泡沫沥青,随后丹麦采用乳化沥青开发了沥青发泡技术[365]。1997年有机蜡Sasobit作为添加剂实现温拌沥青的研究在德国汉堡被提出。2002年美国国家沥青铺面协会将WMA引入美国,2003年采用表面活性剂Evotherm降低沥青黏度的化学添加剂温拌技术也相继被开发出来[366]。随后美国沥青技术研究中心NCAT和联邦公路管理局FHWA分别修筑了温拌沥青路面试验路,结果表明温拌沥青混合料路用性能良好。由于WMA在减少能源消耗和降低CO2排放方面的显著作用,各种温拌技术和添加剂在2000~2015年间被广泛研发和应用。相关研究表明,采用有机蜡类添加剂的温拌沥青混合料总体上性能更好,而采用发泡和化学添加剂会对水稳定性产生负面影响,各种温拌沥青混合料的疲劳性能相较于热拌沥青混合料都有一定改善效果[367]。
近年来由于对固体废弃物的利用及节约自然资源的越发重视,沥青路面再生技术受到广泛关注。沥青路面再生技术主要有厂拌热再生、就地热再生、厂拌冷再生以及就地冷再生4种。其中,厂拌热再生是国内外应用最广泛、最成熟的路面再生技术。然而,厂拌热再生沥青混合料中RAP掺量存在一定限制。美国联邦公路管理局FHWA的规范要求热再生沥青混合料中RAP掺量控制在20%以内以确保再生沥青路面的耐久性。Superpave沥青混合料设计规范AASHTOM323推荐RAP掺量低于25%时可以采用低一级PG等级的软质沥青来保障再生混合料路用性能[368]。2018年美国国家沥青铺面协会NAPA和联邦公路管理局FHWA发布的联合调查结果表明热拌沥青混合料中RAP平均利用率由2009年的15.6%增加到2018年的21.1%[369]。中国厂拌热再生沥青混合料RAP的掺量一般不超过30%。限制RAP掺量的主要原因有以下几个方面:RAP材料在实际生产过程中存在的变异性较大的问题,高掺量RAP沥青混合料低温抗裂和疲劳性能不足;高温施工带来的二次老化和施工和易性问题;再生剂对混合料性能影响机理及再生剂评价标准缺乏;实际工程应用经验有限且对其长期耐久性认识不够。
温拌剂的使用可提高再生沥青混合料低温度下的拌和性和压实度,避免高温施工造成的RAP沥青的老化及混合料变硬,进而提升高掺量RAP沥青混合料的再生性能。美国在温拌再生沥青路面技术方面的研究开展的相对较早。2008年,Mallick等[370-371]开始分别研究了使用有机蜡Sasobit和沸石Zeolite等温拌剂在125C条件下制备高掺量再生沥青混合料(75%和100%RAP),重点关注了其拌和性及高低温路用性能。2009年美国沥青技术研究中心NCAT在足尺加速加载试验道研究项目中铺筑了采用温拌发泡技术制备的温拌再生沥青路面(50%RAP),Timm等[372-373]对该项目使用的温拌再生沥青混合料实验室力学性能和现场试验段疲劳性能分别进行了研究,结果表明50%RAP温拌再生沥青混合料表现出跟传统热拌沥青混合料相同的疲劳性能。2012年,Mogawer等[374]研究了使用温拌再生技术降低高性能超薄磨耗层成本的方法,对比分析了40%RAP再生沥青混合料在热拌和温拌条件下的拌和性、动态模量、抗裂性能、水稳定性以及高温稳定性等施工和路用性能。随后,中国学者也陆续对沥青路面温拌再生技术进行了研究,季节等分析了温拌剂Sasobit对不同RAP掺量(20%~45%)的SMA沥青混合料路用性能的影响,研究发现RAp掺量越大温拌再生SMA疲劳性能越差[375-376]。顾兴宇和郭乃胜等分别使用多种化学添加剂制备了50%RAP的温拌再生沥青混合料,同时研究了考虑再生剂作用的温拌再生沥青混合料的各项路用性能[377-378]。唐伯明和郭鹏等着重从微观层面研究了温拌再生沥青混合料中集料-沥青黏附特性以及新旧沥青界面融合特性等[379-380]。当前,沥青路面温拌再生技术在工程应用之前,需要对温拌再生沥青混合料的路用性能进行全面的研究,无法通过已有的设计方法来判断其再生性能,也缺少足够的温拌再生沥青路面长期耐久性经验数据。
4.3.2温拌再生沥青混合料性能研究
由于再生沥青混合料中RAP沥青的高模量,在高掺量RAP条件下混合料的拌和性是首要关注的性能之一。温拌剂可以降低沥青黏度使温拌再生沥青混合料更易于拌和和压实。Mallick和Mogawer等分别采用设计的拌和度试验测试方法研究了高掺量RAP温拌再生沥青混合料的拌和性,结果表明温拌剂显著地提高了再生沥青混合料的拌和性,相对于热拌再生其在相对较低温度下能更好地压实成型,达到设计的体积性能[381,374]。这与其他学者通过温拌再生沥青混合料动态模量研究得出的拌和性结论一致。高掺量RAP温拌再生沥青混合料动态模量略低于同掺量条件下的热拌再生沥青混合料[382,374],其可能原因有2个方面:①较低的生产温度减少了沥青的老化;②温拌再生沥青混合料中RAR老化沥青与新沥青在拌和过程中融合不充分。但是,温拌再生沥青混合料模量仍高于未添加RAP的常规热拌沥青混合料,这对于其高温稳定性是有积极的作用。
不同温拌剂对于WMA混合料的高温稳定性作用不同,而RAP的添加可以提高再生沥青混合料的高温性能[383],因此绝大多数研究表明温拌再生沥青混合料的高温性能显著优于不添加RAP的常规热拌沥青混合料[384-386]。虽然WMA带来的沥青混合料水稳定问题一直是关注的焦点,但是针对温拌再生沥青混合料的水稳定性研究表明[377,387]无论采用哪种温拌添加剂,温拌再生沥青混合料的水稳定性都能满足要求。这是由于RAP集料表面裹覆的沥青膜在路面服役过程中已经承受过严苛的环境荷载,RAP中沥青良好的水稳定性对温拌再生沥青混合料起到重要贡献。值得关注的是,温拌再生沥青混合料的低温和疲劳性能没有一致性的结论。部分研究认为温拌再生沥青混合料的低温抗裂性能劣于常规热拌沥青混合料,高掺量RAP的添加导致的低温性能损伤抵消了WMA的作用[388-390],而另外一些研究发现温拌再生沥青混合料的低温抗裂性能满足规范中对传统热拌沥青混合料性能的要求[391-393]。使用有机蜡添加剂对温拌再生沥青混合料的抗疲劳性能有一定的积极作用,而使用发泡和化学添加剂的温拌技术并不能改善由于添加RAP造成的疲劳性能损伤[387,394-395]。合理的使用再生剂可在一定程度上改善温拌再生沥青混合料的疲劳性能[396]。
温拌再生沥青混合料性能的实验室研究已广泛见诸报道,然而将该技术应用于实体工程的经验却并不多,导致对温拌再生沥青路面的长期耐久性认识不足。近十年来,美国一些州交通厅铺筑了少量的温拌再生沥青路面试验段,如佛罗里达州在路面养护工程中使用发泡技术铺筑了45%RAP的温拌再生沥青路面[382],马里兰州在2个温拌再生沥青路面示范工程中使用Sasobit温拌剂在沥青面层和基层中分别添加了35%和45%RAP的再生沥青混合料[397],但相关试验路段的长期性能研究报道较少。2009年,美国沥青技术研究中心NCAT在足尺加速加载环道上铺筑的温拌再生沥青路面试验段使用的是温拌发泡技术AstecDBG并添加了50%RAP,同时对比了只使用AstecDBG和Evotherm的WMA路面试验段以及50%RAP厂拌热再生沥青路面试验段。相关试验段到2011年已承受超1000次标准当量荷载,路面并未出现疲劳开裂,且车辙深度低于10mm。至2014年加载超过1700万次时,温拌再生路面试验段整体性能与热拌常规路面相当,而未添加RAP的温拌路面试验段的疲劳裂纹显著高于其他路段[398]。
4.3.3 沥青路面温拌再生技术发展前景
沥青路面温拌再生技术兼具温拌沥青和再生路面的双重优势,国内外对其实验室性能进行了大量的研究,充分证明了该技术的可行性,但仍然存在一些难点亟需攻克,主要包括:①温拌再生沥青混合料低温和疲劳抗裂性能需要进一步研究,为选择适宜的温拌剂和再生剂等材料改善再生沥青混合料抗裂性能提供更多的方向;②提升RAP在温拌再生沥青混合料中的利用水平可以更好地达到道路资源零废弃目标,并实现其在路面表面层中的高值低碳化利用;③温拌再生沥青路面的长期耐久性需要更多的工程经验和长期监测数据验证,未来沥青路面的经验-力学设计方法也需要针对温拌再生沥青路面服役性能进行修改调整;④分析和评价温拌再生沥青路面全寿命周期内的环境效益与经济成本,为温拌再生技术的推广应用提供重要技术支撑。