摘要
针对沥青路面施工现场烟气排放监测比较随意的情况，结合净味沥青在长大隧道热拌热铺沥青路面施工中对烟气减排的工程应用，研究沥青路面施工现场的烟气采集与测评方法，并对净味沥青减排效果进行评价。在摊铺机的不同位置，采用苏玛罐对沥青烟气进行采集，通过 GC-MS气质联用仪对沥青烟气进行定量分析。结果表明：与同源非净味沥青相比，使用净味沥青进行路面施工时，在摊铺机边位、侧翼中位、摊铺机上位 3个采集点，沥青烟挥发性有机气体的总质量浓度减排了 57.0%、22.6%、27.4%。摊铺机边位处，净味沥青混合料的施工现场中，1、2类致癌物气体的总质量浓度减排了 62.3%，且其恶臭强度仅为非净味沥青混合料的 1/3左右。通过研究，建议在沥青路面施工现场的烟气排放监测中，采用摊铺机边位处的总挥发性有机物质量浓度、2类以上致癌物总质量浓度及恶臭强度作为关键的环境影响评价指标。
Abstract
In view of the random monitoring of fume emission in asphalt pavement construction sites， combined with the engineering application of fresh asphalt in the construction of hot-mixed and hot-spread asphalt pavement in large and long tunnels for fume emission reduction， the fume collection and evaluation method of asphalt pavement construction sites were studied， and the emission reduction effect of fresh asphalt was evaluated. The Summa tanks were used to collect the asphalt fume at different positions of the paver， and the asphalt fume was quantitatively analyzed by gas chromatograph-mass spectrometer （GC-MS）. The results show that compared with the non-fresh asphalt from the same source， the fresh asphalt reduces the total mass concentration of volatile organic compounds （VOCs） in the asphalt fume at the edge of the paver， the middle of the paver flank， and the upper position of the paver by 57.0%，22.6%， and 27.4% during pavement construction， respectively. The fresh asphalt mixture reduces the total mass concentration of class 1 and 2 carcinogens by 62.3% at the edge of the paver during construction， and the odor intensity is only about 1/3 of the non-fresh asphalt mixture. The study suggests that the total mass concentration of VOCs， the total mass concentration of carcinogens exceeding class 2， and the odor intensity at the edge of the paver should be used as the key environmental impact assessment indexes for fume emission monitoring in the asphalt pavement construction site.
0 引言
热拌沥青混合料在施工过程中，排放的挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）包含一些致癌和有毒害气体，VOCs 达到一定浓度会威胁人体健康，同时是臭氧、灰霾形成的重要前体物[1-4]。沥青烟气抑制技术是指通过一定技术手段，降低沥青在受热情况下的烟气排放量，抑制多环芳烃（PAHs）、碳氧化物、氮氧化物和硫化物等有害物质的释放，实现公路绿色施工的技术措施之一[5-6]。目前主要有添加抑烟剂等外加剂、低温施工（温拌、冷拌）、从源头上优化原油种类、改进加工工艺等技术[7-9]。净味沥青是在沥青生产过程中添加抑烟剂，抑烟添加剂与有害烟气成分发生反应，减少有机气体及 NOx、SOx等有害气体生成，并抑制气体与颗粒物的扩散。
不论采取哪类减排技术，由于目前对沥青路面施工现场烟气排放监测比较随意，各种烟气减排技术的文献数据无法进行比较。因此，基于现场工况条件和施工人员，在施工现场的几个典型位置，规范烟气采集方法与评价指标等非常必要。目前，中国环保规范要求对沥青烟气的测试评价还只停留在国家环境保护总局标准《固定污染源排气中沥青烟的测定重量法》 （HJ/T45—1999），该标准不能定量分析沥青烟气的组成。现场施工过程中，无组织排放的沥青烟气，受不同工况影响较大，相关采集及评价方法研究较少，采集方法以注射器、气袋、吸附管和苏玛罐采样为主[10-11]。其中，气袋采集比较随意，且需要引入采样动力，所采集的气体保存时间短；吸附管采样后需要脱附解析过程，过程比较复杂；相较而言，苏玛罐无须引入采样动力即可完成采样，携带方便，对气体样品保存时间长。烟气评价方法主要分为重量法、荧光分度计法、电化学传感器方法以及气质联用仪法[12-14]。通过对长大隧道超薄磨耗层施工中净味沥青施工段与同源非净味沥青施工段沥青烟气排放对比研究，一方面，验证净味沥青产品对减少沥青路面施工现场烟气排放的效果；另一方面，研究确定的现场烟气采集方法及环境影响评估方法是否可以在沥青路面施工现场推广应用。
1 施工现场与试验材料
1.1 隧道施工现场概况
项目依托工程为江（门）罗（定）高速公路三岔顶隧道沥青路面养护工程，采用的“白改黑”方案为加铺 2 cm 的超薄磨耗层，原道路为单向三车道，隧道全长约 3 km。施工现场采用半封闭施工，净味沥青超薄磨耗层与同源非净味超薄磨耗层的施工作业方向与现场通风设备的排风及车流方向一致。为避免隧道口的大气风速对烟气采集结果产生影响，选取隧道中段作为烟气采集区域。
1.2 隧道现场沥青混合料施工温度、风速等工况条件
沥青混合料施工温度与现场风速是影响烟气采集结果的主要因素[15-17]。监测两种沥青路面施工时摊铺机熨平板前和熨平板后混合料温度，每隔 5 min 记录一次数据。监测结果显示：摊铺速度 3~4 m/min，环境温度 20~25℃，净味沥青路面施工时熨平板前、后沥青混合料施工温度分别为 145~166℃、137~162℃；非净味沥青路面施工时分别为 151~169℃、 144~161℃。采用风速仪对施工路段的风速数据进行记录，净味沥青路面施工时隧道风速为1.8~3.1 m/s，非净味沥青路面施工时风速为 2.3~3.6 m/s，因为施工现场半封闭，长隧道中段空气流动主要由通车车道行驶的车辆引起。结果表明：两个对比段施工工况条件基本一致。
1.3 沥青及混合料
试验采用的净味 SBS 改性沥青与同源非净味 SBS 改性沥青，主要技术指标如表1 所示。试验结果表明：添加净味剂对沥青主要技术指标及改性沥青的稳定性均无影响。超薄磨耗层混合料 NovaChip-B 的矿料级配组成如表2 所示，油石比 5.0%。
表1 净味剂对沥青主要技术指标的影响
Table1 Effect of fresh agent on main technical indexes of asphalt
表2 NovaChip-B 沥青混合料矿料级配组成
Table2 Aggregate composition of NovaChip-B asphalt mixture
2 监测方案
2.1 采样点的布设
沥青烟气对施工现场作业人员健康影响大，烟气采集位置应考虑施工人员的工作位置。在摊铺机上共设置 3 个采样点：第 1 个采样点固定于摊铺机边栏杆处，简称摊铺机边位，此点位于下风口，调平手、地面修复工人的工作位置主要在该侧附近，高度距离地面 1 m；第 2 个采样点固定在熨平板侧翼中间装置上，简称侧翼中位。摊铺机边位和中位采样点高度维持一致；第 3个采样点位于摊铺机手旁边，位于摊铺机中线位置，采样点与摊铺机边位采样点位于同一截面，简称摊铺机上位。监测布点示意图如图1所示。
图1 施工现场气体采集位置
Figure1 Collection location of fume in construction site
2.2 采样方法
为对比分析净味沥青超薄磨耗层以及同源非净味沥青超薄磨耗层施工时沥青烟气的排放效果，在固定的采样点放置苏玛罐采集现场烟气。苏玛罐连续采集 30 min，可完成三车沥青混合料运输车的摊铺，减少现场风速、沥青混合料温度等因素的差异对烟气结果造成误差，每个测点检测 3 次。采样期间，若遇到施工间断情况，则停止采集，记录实际采集时间，正常施工后，再继续采集，直至合计 30 min。
3 结果分析
3.1 挥发性有机物组成分析
苏玛罐所采集的烟气经过大气预浓缩仪预浓缩后，进入 Agilent GC-MS 气质联用仪，根据沥青烟气各组分从色谱柱流出的时间不同进行分离定性，在质谱仪中利用带电粒子在磁场或电场的运动规律，测定离子质量及其强度，实现对烟气定性定量分析。两种沥青路面施工时采集的沥青烟色谱图如图2 所示。根据色谱峰峰值及峰面积对烟气成分进行定性定量分析。
图2 烟气采集位置与净味沥青对烟气排放的影响
Figure2 Effect of fume collection location and fresh asphalt on fume emission
由图2 可知：对于同种沥青路面施工，不同采样点收集的烟气色谱图中色谱峰个数及峰面积相差很大。其中，摊铺机边位色谱峰个数及峰面积最大，所采集烟气 VOCs 气体种类最丰富，浓度最高。对于同一采样点，净味沥青磨耗层烟气色谱图的色谱峰及峰面积明显减小，烟气减排效果显著，与现场施工人员评价一致。
对两种沥青路面不同采样点收集的烟气组成进行分类汇总，结果如表3 所示。由表3 可知：占比最高的有机物均为烷烃，其次为芳香烃。烷烃和芳香烃总排放比例占沥青烟气 VOCs总浓度的 50% 以上。
表3 不同施工断面净味沥青对烟气组成的影响
Table3 Effect of different construction sections of fresh asphalt on fume composition
3.2 致癌及毒害物质
根据 2019 年国际癌症研究机构 IARC 对致癌物的分类清单与美国环境保护署 EPA 制定的有害大气污染物排放标准，对隧道施工现场烟气中的致癌及有害气体进行了分析，这些标准共包含 187 种有害大气污染物。两种沥青混合料施工现场在不同采样点所采集到的烟气分析结果中的致癌等有害气体种类及平均质量浓度如表4 所示。非净味沥青超薄磨耗层施工时在排放的沥青烟气中检测出 12 种致癌有害气体，而净味沥青混合料沥青烟气没检测出异丙醇、氯苯、苯乙烯 3 种有害气体。在摊铺机边位采集的沥青烟中，净味沥青混合料的致癌等有害气体总质量浓度相较于非净味沥青混合料减排了 49.6%，其中 1 类强致癌物苯的浓度减排了 62.0%（摊铺机边位施工工作人员最多、沥青烟有害气体质量浓度最高）。侧翼中位及摊铺机上位的致癌等有害气体总质量浓度分别减排了 8.0%、6.8%。
3.3 挥发性有机物总质量浓度及 2 类以上致癌物总质量浓度
由于 3 类致癌物对人类致癌的影响尚无充分的人体或动物数据支持，研究选取了挥发性有机物总质量浓度以及 2 类以上致癌物的总质量浓度作为评价烟气对人类健康影响的重要指标，结果如图3 所示。
表4 不同施工断面净味沥青对致癌物等有害气体的影响
Table4 Effect of different construction sections of fresh asphalt on carcinogens and other harmful gases
图3 不同施工断面净味沥青对挥发性有机物及 2 类以上致癌物质量浓度物排放的影响
Figure3 Effect of different construction sections of fresh asphalt on mass concentration of VOCs and cancerogens exceeding class 2
由图3 可知：两种沥青路面有机挥发气体质量浓度与 2 类以上致癌物的质量浓度大小依次为：摊铺机边位>侧翼中位>摊铺机上位，原因是摊铺机边位采样点位于沥青混合料出料口断面下风口，受旋转拌和器的影响，此处混合料堆积最多，与氧气的接触面积最大，故此处所产生的沥青烟气质量浓度最高。相比之下，位置更高的摊铺机上位，由于隧道水平风的作用，烟气会顺着风向排放，导致向上扩散的烟气质量浓度迅速降低。
净味沥青路面施工时，摊铺机边位、侧翼中位、摊铺机上位 3 个采样点采集的沥青烟有机挥发气体总质量浓度较非净味沥青路面减排了 57.0%、22.6%、 27.4%，1、2 类致癌物总浓度减排了 62.3%、19.9%、 51.3%。说明净味沥青可抑制有机气体及致癌气体的排放。
3.4 空气质量影响评价及恶臭强度评估
3.4.1 空气质量影响评价
目前缺乏开放环境空气质量标准，长隧道内部空气流通性差，有害气体难以逸出，更类似于室内环境。因此参照国家标准《室内空气质量标准》（GB/T18883—2022）中有关规定以及现场沥青烟气中所检测出的气体成分，比较现场烟气中苯、甲苯、总挥发性有机物与室内空气质量标准限值，如表5 所示。两种沥青路面施工时在 3 个采样点所采集排放的苯、甲苯浓度均满足《室内空气质量标准》（GB/T18883— 2022）要求。对于总挥发性有机物质量浓度，只有摊铺机上位满足室内空气质量要求，但净味沥青路面施工所排放的挥发性气体总质量浓度有所下降。因此为避免挥发有机物对施工人员健康影响，应加强通风，减短工人工作时长。
表5 现场烟气检测结果及室内空气质量要求
Table5 Results of fume monitoring in construction site and requirements for indoor air quality
3.4.2 恶臭强度评估
净味沥青可减少沥青烟气，同时能减少有害气体产生恶臭味，改善施工人员工作条件。为了量化分析净味沥青恶臭强度减排效果，采用恶臭强度指标对净味沥青恶臭程度进行量化评价[18]。恶臭强度指标计算如式（1）、（2）所示：
(1)
(2)
式中：S 为阈稀释倍数；I为恶臭浓度；Ci为沥青烟气体 i组分的浓度（μg/m3）；Ti为 i组分的嗅阈值（10-6 ）。
对于沥青烟不同组分的嗅阈值，中国相关数据库较少，研究引用了日本恶臭物质嗅阈值数据库[19]，对摊铺机边位收集的两种沥青路面施工所排放的沥青烟气中各组分与日本恶臭物质嗅阈值数据库进行对比，对式（1）、（2）计算结果进行汇总，如表6 所示。
表6 摊铺机边位两种沥青烟气阈稀释倍数及恶臭强度
Table6 Dilution multipliers and odor intensity of two asphalt fume thresholds at the edge of paver
续表6
由表6 可知：非净味沥青混合料施工所排放的沥青烟气恶臭强度是净味沥青混合料沥青烟气恶臭强度的 2.9 倍左右，说明净味剂可以大幅降低沥青烟气味道。其中，乙醛、1，2，3，4-四甲基苯、对二甲苯等醛类及芳香烃类物质是影响两种沥青烟气恶臭强度的主要成分。
4 结论
结合隧道沥青路面施工现场环境条件，提出了现场沥青烟气的采集和评价方法，分析了净味沥青在烟气减排及环境影响方面的作用，主要结论如下：
（1）沥青烟气的采集位置对试验结果影响显著，考虑到摊铺机边位是地面施工人员工作的主要位置，烟气浓度最高，建议采集点布设在摊铺机边位下风口处。净味沥青混合料在摊铺机边位采集的沥青烟中致癌等有害气体的总质量浓度相较于非净味沥青混合料减排了 49.6%。
（2）施工现场沥青烟气有机挥发性气体主要由烷烃、芳香烃、醛、酮、烯烃等组成，其中烷烃和芳香烃总排放比例占沥青烟气 VOCs 总质量浓度的 50% 以上。
（3）与同源非净味沥青相比，净味沥青在摊铺机边位的 1、2 类致癌物总质量浓度减排了 62.3%。醛类和芳香烃类是影响沥青烟气恶臭强度的主要物质，非净味沥青混合料施工时的沥青烟气恶臭强度是净味沥青混合料沥青烟气的 2.9 倍左右。
（4）综合考虑排放浓度、人员工作位置、有害程度等因素，建议在评价沥青路面施工现场的烟气排放时，以摊铺机边位采样点沥青烟气中的总挥发性有机物浓度、2 类以上致癌物总质量浓度及恶臭强度作为关键评价指标，用于分析各类烟气减排技术的环境影响。
