0 引言

沥青作为公路建设的主要原材料，通常与骨料结合为沥青混合料用于道路面层的铺装与养护，但其在生产、储存及使用的过程中，由于高温条件和自然因素的作用会产生沥青烟气。沥青烟气的主要成分为挥发性有机化合物(VOCs)，通常以气溶胶的形式悬浮于空气中^[1]。沥青烟气中的主要有害成分为多环芳烃(PAHs)，国际癌症研究机构的相关研究指出芳烃环数是衡量烟气危害性的关键指标^[2]，2环以上的PAHs均具有刺激性及致癌性。此外，Li等^[3]还发现沥青烟气中不仅PAHs具有致癌作用，一些含氧、氮的杂环烃类化合物也具有一定的致癌性。沥青烟气主要通过刺激人体的皮肤和呼吸系统对人体造成危害，长期暴露于沥青烟环境中的从业人员体内致癌物质表征远大于正常水平^[4-6]。同时，沥青烟气还会对生态环境造成严重破坏，悬浮在空气中的烟气伴随着雨水和微尘降落地面，造成水体和土壤的污染^[7]，且扩散迅速，不易富集。

目前国内外对于沥青烟气的富集没有统一的方法和标准，通常采用现场富集和实验室富集2种形式。由于沥青烟气在高温条件下以气溶胶的形式悬浮于空气中，受外界环境因素的影响，烟气呈现无序扩散状态，且遇低温物体时极易粘附于其表面，形成胶状固体，因此现场富集的难度较大。而室内试验的变量因素可控性高，设备齐全且仪器操作性强，能够实现对沥青烟气的直接检测，因此在开展相关研究时，学者们大多在实验室内制备和富集沥青烟。徐永丽等^[8]采用微孔PTFE滤膜吸附沥青烟气，基于质量法自制了实验室沥青烟收集装置，探究了沥青种类、加热温度、加热时间等因素对烟气释放量的影响。黄刚等^[9]为探究沥青烟释放量的影响因素，从5种吸附材料中优选出聚丙烯纤维棉对沥青烟气进行吸附，根据烟气的物理吸附原理和特点，基于质量法研发出了一体化沥青烟气富集系统。Li等^[10]和李菁若等^[11]通过设计室内试验，将锥形烧瓶作为烟气的发生装置，并将聚丙烯纤维作为吸附材料，最终实现了不同加热温度下沥青烟气的富集。

在沥青混合料烟气的富集方面，Paranhos等^[12]和刘兴东等^[13]在实验室拌料机上安装带有PAHs和有机化合物取样探针的沥青烟取样设备，并使用便携式碳氢化合物自动检测仪对热拌沥青混合料烟气进行取样分析。郑莘荑等^[14]同样选择在实验室拌料机上安装烟气取样设备测量烟气浓度，以探究烟气排放与沥青力学性能的关系。崔培强^[15]结合沥青混合料的拌和特点及摊铺规律，借鉴室内纯沥青产烟试验设计了沥青混合料烟气收集装置，该装置通过真空泵的负压作用抽取此过程中产生的烟气，最后采用化学萃取的方法对烟气进行富集。

目前针对沥青混合料的产烟试验研究相对较少，大多数学者通过纯沥青的产烟试验结果来揭示沥青混合料产烟的普遍规率，这显然是不合适的。在纯沥青产烟试验中，通常会将一个2 L以内、底面积较小的锥形瓶作为沥青烟气的发生装置，置于其中的沥青样品通常会被加热2 h以上^[10]。然而在实际拌和生产中，沥青混合料的拌和时间极短，常在45~60 s之间，沥青呈现的是薄膜状态而非锥形瓶内的堆积状态。这就使得纯沥青试验条件下沥青的黏附状态(厚度)、暴露面积和工作时长等细节与沥青混合料的实际厂拌工况相差甚远，从而导致试验结果仅能够揭示纯沥青在不同条件下的产烟规律，如果将其应用于实际工程中沥青混合料的产烟分析是不可靠的。

拌和站作为沥青烟气集中产生的场所，相较于沥青混合料的摊铺阶段，对沥青烟气的收集与处置将更为便利，因此研究沥青混合料拌和过程中的烟气释放规律对解决拌和楼环境治理问题是很有必要的。本研究将以沥青混合料为试验原料，通过综合考虑现有烟气收集装置的优点与不足，自行设计试验装置在实验室内模拟厂拌沥青混合料拌和过程中烟气的产生，基于质量法探寻不同拌和工况对烟气释放量的影响，以期为沥青混合料厂拌和站的环境治理提供数据支撑。

1 试验设计 1.1 原材料性能及配合比设计 1.1.1 沥青

研究使用的基质沥青为韩国SK-90号(以下简写为SK)和克炼KL-90号(以下简写为KL)道路用石油沥青，分别采用SBS对2种基质沥青进行改性，制备SK-SBS和KL-SBS改性沥青。根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求，对基质沥青和改性沥青基础路用性能指标进行测试，各项技术指标均满足规范要求。为了对比分析基质沥青与改性沥青老化前后延度变化，根据JTG F40—2004要求，基质沥青延度测试温度为10 ℃，SBS改性沥青延度测试温度为5 ℃。本研究使用的SBS改性沥青采用湿法工艺^[16]制备，并依据现行规范对各项技术指标进行检测，测试结果表明各项基本技术指标均满足规范要求。基质和改性沥青技术指标测试结果见表 1。

1.1.2 沥青混合料配合比设计

研究使用的粗、细骨料均来自甘肃定西某采石场，矿粉选用石灰岩矿粉。通过试验测试了粗、细集料和矿粉的针片状含量、坚固度、含水率等指标。骨料及矿粉的各项性能均能够满足现行技术规范要求。选用AC-13，AC-16，AC-20这3种密级配沥青混合料作为试验对象，并按照马歇尔配合比设计法进行配合比设计，级配结果如图 1所示。马歇尔试验计算结果表明，3种级配类型沥青混合料的最佳油石比分别为5.0%，4.5%，4.3%。

1.2 烟气的富集与测定装置

本研究自主设计组装了一套沥青烟气的产生-富集联用装置，该装置可以较为真实地模拟拌和站沥青混合料的拌和过程及产烟状态，并能够对拌和过程中产生的烟气进行有效的富集。烟气的释放量测定采用目前常用的质量法，该方法可控性强、操作简便，能够直观反映不同拌和条件下烟气的释放量变化。

1.2.1 试验装置及工作原理

本研究自行设计组装的沥青混合料烟气生成-富集装置结构原理图如图 2所示。

(1) 烟气生成装置

烟气生成装置由实验室用沥青混合料拌料机改装而成，拌料缸的容量为20 L，将拌料缸排气孔改装为烟气的富集口。拌料机自带温控及保温功能，温度可达200 ℃，拌和电机功率为550 W，拌机初始拌和频率为76 r/min。

(2) 烟气富集装置

烟气富集装置主要由滤管、U型玻璃试管、吸收瓶、输气导管和真空泵等组件构成。滤管主要用以富集粒径大于2 μm的烟气组分，本研究中称为重组分，吸收瓶则负责富集粒径小于2 μm的烟气组分，本研究中称为轻组分。

本研究所使用的滤管由滤膜和溶液滴管组合而成，滤膜裹附于均匀开小孔的溶液滴管外。对于吸附性滤膜材料的选取，本研究参考了黄刚等^[9]和张红丽^[17]的选材结果，选用具有吸附烟气能力强，疏水性好等优点的聚丙烯纤维滤膜对沥青烟气重组分进行富集。滤膜尺寸为50 mm×80 mm，型号为2^#，孔径为2 μm。所选用溶液滴管的材质为PVC材料，该材质具有质量轻、体积小的特点，可以捕捉到滤膜的微小质量变化，同时满足沥青烟质量测定的精度要求。

U型玻璃试管与滤管通过橡胶塞相连并罩于滤管外，既起到导管传输气体的作用，又可以保护滤膜不受外部环境的污染。

目前对沥青烟轻组分浓度的测定广泛使用紫外分光光度法，该方法利用沥青烟经有机溶剂提取出后溶质的量来表示沥青烟的浓度。李晓虹^[18]通过试验发现，沥青烟在苯溶液中的溶解性优于环己烷等其他有机溶剂，其最大吸收峰在波长286 nm处，符合郎伯比尔定律且重现性较好。因此本试验对紫外分光光度法进行简化，借助苯溶液对沥青烟气的良好吸收性能来对沥青烟中轻组分的质量进行表征，将加入苯溶液的锥形瓶作为烟气轻组分的吸收瓶。

富集装置各组件之间的烟气传输在输气导管内进行，导管材质包括玻璃及橡胶。试验所使用的真空泵为定流抽气真空泵，功率为120 W，抽气速度为0.5 L/s。

(3) 烟气定量仪器

采用高精度分析天平对沥青烟气轻、重组分进行定量，分析天平的测量精度为0.000 1 g，可以保证对微小质量变化的检测。

1.2.2 滤管个数的确定

为保证沥青烟气重组分的有效富集，同时避免试验材料的浪费，需要对试验所需的滤管数量进行确定。使用SK和KL这2种基质沥青制备AC-13型沥青混合料，总质量为1.2 kg，拌和温度设置为180 ℃，按照1.2.1节的试验方法进行重组分富集试验。初始滤管数设置为6个，将滤管按照距离烟源的远近进行编号(1^#~6^#)，通过对比各级滤管试验前后质量变化的大小程度判断试验所需的滤管个数，试验结果如图 3所示。

由图 3可以发现，2组试验工况下一级滤管所富集到烟气的质量均超过总富集量的70%，且前3级滤管富集质量超过了总富集量的97%，后两级滤管富集到的烟气质量几乎为0，因此最终将本试验所使用滤管的个数确定为4个。

1.2.3 装置可靠性检验

采用SK基质沥青制备AC-13型沥青混合料，总质量为1.2 kg，拌和温度设置为170 ℃，按照1.2.1节的试验方法进行烟气富集。通过对比连续3次平行试验的总产烟量、各级滤管(1^#~4^#)及吸收液(A^#)的吸附量结果来判断装置的可靠性，试验结果如图 4所示。

根据图 4中试验结果可知，同拌和条件下3次平行试验的总产烟量大致保持一致，且各滤管及吸收液的分级富集量均大致相同。由此判断，本试验自行设计的烟气生成-富集装置具有良好的稳定性，且能够保证试验结果的准确性。

1.3 烟气释放量测定试验方法 1.3.1 烟气释放量试验条件

热拌沥青混合料的制备不仅需要对沥青种类、级配类型进行合理选取，也需要根据原料及用途的不同确定适宜的拌和工况，这些因素不仅会影响沥青混合料的配制质量，同样也影响着烟气的排放特征。已有研究指出，高温是沥青产烟的前提条件，温度的变化会导致沥青产烟量的差异^[19]，温度是影响沥青混合料产烟的关键因素。厂拌沥青混合料在制备时，沥青经搅拌会在骨料表面形成薄膜结构，沥青在集料表面形成的薄膜结构是沥青混合料拌和过程中大量发烟的主体，沥青薄膜的暴露面构成了烟气逸出的通道，如果将骨料的表面积近似为沥青的暴露面积，那么骨料级配组成不同所引起骨料比表面积的改变必然会导致沥青暴露面积的差异，从而引起沥青混合料产烟量的变化^[10]。由沥青混合料的产烟机理可知^[20-21]，烟气主要来自于沥青组分的热氧化分解反应，因此推测氧气的浓度也是决定沥青混合料产烟的重要因素。拌和机的搅拌会增加沥青与氧气的接触频率，从而促进了沥青组分的热氧化逸出^[22]。

厂拌沥青混合料制备时的拌和时间基本保持不变，因此本研究不考虑拌和时间对烟气释放量的影响。由此，将研究思路确定为：以4种具有代表性的石油沥青为原料，通过室内试验研究拌和温度、骨料比表面积和拌和频率对热拌沥青混合料加工过程中烟气释放量的影响。具体试验设计如表 2所示。

1.3.2 骨料比表面积计算

《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中对集料的比表面积计算方法进行了规定，该计算方法的原理是基于美国工程师维姆所提出的假设，将集料统一简化为球形颗粒，进而统算出各粒径集料的比表面积，同时引入了美国沥青学会所给出的集料比表面积经验公式：

(1)

式中，SA为集料的比表面积；P_i为集料在各个筛孔的通过量；FA_i为各粒径的修正表面积系数，取值范围如表 3所示；C为常数；d为筛孔尺寸；G_a为集料表观密度。

通过规范中对于集料比表面积的计算规定可知，集料比表面积的大小取决于集料粒径的分布状况。然而有研究发现^[23-24]，通过实测方法与经验公式计算得到的集料总比表面积有着不小的差异，0.3 mm以上集料的比表面积实测值与经验公式计算值相差较小，而0.3 mm以下颗粒的差距较大，尤其是0.075 mm以下的部分相差最为悬殊，实测值中0.075 mm以下集料的比表面积占到集料总比表面积的90%以上。这是由于0.3 mm以下的集料成分主要由矿粉组成，且规范中的推荐值在计算时，假定以0.03 mm为最小粒径，但实际混合料中所掺加的矿粉中粒径小于0.03 mm的颗粒超过60%，因此导致了计算值小于实际值。

因此本研究采用通过实测修正的比表面积计算方法对集料的暴露面积进行计算^[23]，计算式为：

(2)

式中各参数取值范围如表 4所示。

需要指出的是，修正后的表面积系数不再基于筛孔的集料通过量，而是由集料的分计筛余来代替，以保证计算方法的准确性。

由此，本研究中所采用的3种级配可使用上述计算方法进行骨料比表面积计算，计算结果如表 5所示。由表 5计算结果可知，AC-13配合比下的集料比表面积总和为8.778 m²/kg，AC-16配合比下集料比表面积总和为7.222 m²/kg，AC-20配合比下集料比表面积总和为6.572 m²/kg。因此，同质量骨料在3种级配下的比表面积大小顺序为：AC-13>AC-16>AC-20。

1.3.3 烟气富集及测定步骤

针对所设计的烟气产生-富集装置，通过测试研究最终确定了如下试验步骤：

(1) 按照1.1.2节的级配设计，称取试验所需的集料及沥青，每次试验沥青混合料总质量为1.2 kg。称取完成后将集料置于180 ℃烘箱内烘干水分并保温，将沥青置于145 ℃烘箱内加热并保温。

(2) 启动拌料机的加热装置，待温度上升至拌和温度后停止加热并保温。

(3) 将富集滤管和蒸发皿置于烘箱内，以60 ℃温度加热30 min，以保证滤管内水分脱除干净。烘干完成后，使用高精度分析天平称量滤管的质量，记为m₁；称量蒸发皿的质量，记为M₁。

(4) 向吸收瓶内倒入称量好的苯溶液30 mL，按照图 2所示构造对试验装置进行组装，并检查装置的气密性。

(5) 将提前称量并加热到试验温度的集料和沥青倒入拌料机内开始搅拌，同时打开真空泵开始富集烟气。初拌时长为60 s，初拌完成后，快速加入试验量的矿粉后闭合拌锅开始复拌，以保证试验的连贯性并减小温度损失，复拌时间设置为30 s。复拌完成后保持真空泵继续工作60 s，以保证拌锅内残余沥青烟气被抽尽。本试验中拌料机的容积为20 L，负压真空泵的抽气速度为0.5 L/s，因此拌和停止后至少需要40 s才可以把拌锅中残留的沥青烟全部抽尽，考虑到试验时操作误差及仪器误差的存在，将拌和完成后真空泵的继续工作时间统一设定为60 s。

(6) 烟气富集完毕后，将滤管从玻璃试管中取出放入无尘干燥盒内，并置于60 ℃烘箱中烘干30 min以脱除水分后，再次称量富集后滤管的质量，记为m₂。将轻组分吸收瓶中的吸收溶液倒入蒸发皿中，并将蒸发皿放入80 ℃烘箱中烘干，再次称量烘干后蒸发皿的质量，记为M₂。

(7) 该试验所富集的沥青混合料烟气重组分质量Q₁及轻组分质量Q₂计算如下：

(3)

2 厂拌沥青混合料烟气释放量影响因素分析 2.1 拌和温度对烟气释放量的影响

为明确沥青混合料在不同拌和温度下的产烟规律，首先通过控制骨料比表面积，对4种沥青所制备的沥青混合料在不同拌和温度下的烟气释放结果进行讨论。AC-13，AC-16，AC-20级配下烟气轻、重组分释放量随温度的变化曲线如图 5所示。

由图 5中的曲线变化可以发现，各级配下沥青混合料烟气中轻、重组分释放量随拌和温度的变化趋势基本一致，均呈现出随温度的升高而非线性增加的趋势，且烟气释放的温度敏感性较强，不同温度下的产烟量表现出明显的差异。烟气释放量与温度的这种正相关规律可能是由于沥青各组分的感温性不同，对温度较为敏感的组分会在较低温度发生热解释放出沥青烟，温度敏感性较弱的组分必须达到其热解温度后才会出现分子结构破坏并释放烟气，随着温度升高，参与热氧化分解的组分越来越多，因此所释放的烟气也越多。

3种级配下轻组分烟气的释放量均处于较低水平，范围在0.24~0.70 mg之间，轻组分释放量的增长速率随温度升高呈递增态势，当温度超过175 ℃时增长速率达到极值，并在180 ℃达到释放量的最大值。重组分的释放量范围则在1.9~23.8 mg之间，同样在180 ℃达到烟气释放量的最大值，最低温度与最高温度下的量级差异非常明显，这进一步证明了烟气释放的强温度敏感性。烟气轻、重组分释放量在温度区间内都有2个跃升节点，分别为160 ℃和170 ℃。温度由150 ℃提升至160 ℃过程中，烟气轻、重组分释放量增长幅度较小且比较平稳；当温度超过160℃，轻、重组分产烟率开始增大，释放量明显增加；当温度达到170 ℃，轻、重组分产烟率达到最大值，且170~180 ℃温度范围内释放量几乎呈现线性快速增长态势。分析这一现象的原因可能为160 ℃和170 ℃是引起沥青组分挥发的关键温度节点，即沥青中大部分可热解组分能够耐受的最高热解温度值，因此达到这2个温度后烟气的产烟率与释放量均出现跃升。

通过比较烟气中轻、重组分释放量的量级发现，所富集到的烟气中重组分含量远高于轻组分，这进一步说明了沥青混合料烟气主要以粒度大于2 μm的重组分组成，轻组分烟气的粒度更加微小且含量极低。同时发现，在所有试验温度下，KL沥青混合料的烟气释放量均小于SK沥青，这表明沥青种类也会一定程度地影响到沥青混合料的拌和产烟。

值得指出的是，相较于基质沥青，由SBS改性沥青所制备的沥青混合料烟气释放量有所减少，这表明该改性剂对于沥青烟气的产生具有一定的抑制作用。这与Xu等^[25]的研究结果基本吻合，SBS改性剂对基质沥青组分的吸附作用，增强了分子键的结构稳定性，改善了沥青材料的热稳定性。同时，SBS分子也会分担热解区的热量，导致沥青基质的温度下降，从而延迟了沥青组分的温升和热氧化分解的起始时间，起到减少烟气释放量的作用。同样值得指出的是，随着温度的升高，SBS改性剂对于沥青烟气的抑制效果逐渐减弱。原因可能是高温破坏了SBS改性剂的结构，导致其对沥青基团的束缚作用逐渐失效，沥青组分达到热解的温度限值，分子键失去约束开始大量断裂释放出烟气。

2.2 骨料比表面积对烟气释放量的影响

为探究骨料比表面积对沥青混合料烟气释放量的影响，对SK及KL这2种沥青所制备的沥青混合料在相同温度下烟气释放量随骨料比表面积的变化趋势进行研究。烟气轻、重组分释放量随骨料比表面积的变化趋势如图 6所示。

由图 6可以发现，在相同沥青种类及拌和温度下，烟气轻、重组分释放量与骨料比表面积成正比。集料比表面积的大小反映了沥青暴露面积的大小，同质量下骨料的比表面积越大，沥青的暴露面积越大，沥青混合料的产烟量就越大。

经过统计发现，在相同沥青种类及拌和温度下，AC-16型混合料产烟量相较于AC-13型减少了20%左右，AC-20型相较于AC-16则减少了大约5%。沥青产烟面积的减小使得等量的沥青集中在了更小的区域内，沥青薄膜厚度的增大使得烟气逸出通道变长，沥青组分受热发生热氧化分解产生的游离有机碳氢化合物难以挣脱沥青表面得到释放，最终导致了烟气释放量的减少。

为验证上述试验结论对于不同沥青种类的适用性，在150 ℃及180 ℃拌和温度下，对4种沥青所制备的沥青混合料在不同骨料比表面积下的烟气轻、重组分释放量进行讨论，试验结果如图 7所示。

图 7中数据更加直观地验证了前述结论：对于不同沥青种类，烟气轻、重组分释放量与骨料比表面积大小正相关，且AC-16与AC-13级配间的烟气释放量差异相较于AC-20级配更为明显。并且在所有级配组成下，由SK沥青制备的沥青混合料的烟气释放量均大于KL沥青。SBS改性剂可以对烟气的产生起到抑制效果，但随着温度的增加，抑制剂对烟气的抑制作用逐渐减弱。

2.3 拌和频率对烟气释放量的影响

为探究不同拌和频率对沥青混合料烟气释放量的影响，对SK及KL这2种沥青所制备的AC-13级配混合料在相同温度下产烟量随拌和频率的变化趋势进行研究。烟气轻、重组分释放量随拌和频率变化结果如图 8所示。

由图 8中数据可知，各温度节点下，低频拌和时沥青混合料的烟气释放量相较于高频拌和均有所减小，相较而言拌和速率对于轻组分释放量的影响小于重组分。这可能是由于随着拌和频率的提高，骨料表面粘附的沥青与空气的接触会更加频繁，搅拌作用加速了拌和空间内的空气流动，这使得沥青组分的热氧化反应更加充分，因此烟气的释放量就相应更大。此外，沥青中负责生成轻组分烟气的基团对于氧气浓度的依赖程度较低，且轻组分烟气的颗粒微小，其逸出扩散未受到骨料堆积时长的影响，因此轻组分释放量受到拌和速率的影响也就相对较小。

值得指出的是，随温度的升高，拌和频率对沥青混合料烟气释放量的影响权重逐渐降低。以SK沥青为例，150 ℃时低频拌和时的重组分释放量约为高频拌和的60%，180 ℃时低频拌和的重组分释放量约为高频拌和的83%，由此可以判断拌和温度是影响沥青混合料烟气释放量最重要的因素。且在相同拌和频率下，烟气释放量均随温度升高而增加，这与前述结论一致。

3 结论

本研究通过采用自行组装设计的沥青混合料烟气产生-富集装置，开展烟气收集与释放规律影响因素分析，得到主要结论如下：

(1) 提出了一套能够模拟沥青混合料厂拌状态的烟气产生-富集装置，并验证了该装置的可靠性。利用物理(滤膜)及化学(苯吸收液)的富集方式对沥青烟气进行有效富集，可提升试验数据的精确性。

(2) 不同拌和工况下烟气中轻、重组分的量级差异较大，孔径为2 μm的滤膜能够富集绝大部分的沥青烟气，沥青烟气主要由重组分构成。

(3) 沥青混合料的烟气释放量受到沥青种类的影响，不同拌和条件下，SK沥青混合料的烟气释放量均大于KL沥青混合料。SBS改性剂对烟气的释放具有一定的抑制效果，SBS改性剂通过对沥青组分进行吸附，增强了分子的结构稳定性，进而增强了沥青产烟部的热稳定性。

(4) 拌和温度是影响烟气释放量最主要的因素，烟气的释放量随拌和温度的升高而增加，沥青中的化学组分会在特定的温度下热解释放，敏感性较弱的组分热解时间较早，反之亦然。

(5) 烟气释放量与级配正相关，骨料级配越大，烟气释放量越小，骨料比表面积通道决定沥青的暴露面积从而直接影响到烟气的释放量。

(6) 烟气释放量与拌和频率正相关，拌和频率越快，沥青与空气的接触越充分，沥青产烟部的热氧化反应越充分，产烟量也就越大，同时发现拌和频率对轻组分产出的影响较之重组分明显减小。