抗滑、阻燃、降噪瀝青混合料(AFNA)在隧道路面中的應用

李青芳

(陜西交通職業技術學院公路工程系,陜西 西安 710018)

0 引 言

近幾年,通過相關調查發現隧道內部一旦發生交通事故,引起車輛火災,將造成嚴重的人員傷亡與經濟損失。如對浙江省隧道及交通事故進行調查發現,在全省的31座隧道中,水泥混凝土路面鋪裝24座,瀝青路面鋪裝7座,全長約32.9 km,占全省高速公路總里程的4.6%,而事故率卻占到了13.7%。因此,對隧道鋪裝提出了很高的要求,鋪裝材料與結構不但要求良好的路用性能和足夠耐久性,還應符合以下幾點要求:

(1)路面抗滑性能好,特別在潮濕環境下的抗滑性能,降低交通事故率;

(2)具有優異的防火阻燃功能,甚至對于隧道火災具有一定的控制作用,降低隧道火災中人員傷亡和經濟損失;

(3)具有一定的降噪功能,提高隧道路面的行車舒適性。

滬蓉西(湖北宜昌-重慶萬州)高速公路建設項目是迄今為止湖北省投資最大、工程最為艱巨、地質最為復雜、建設周期最長的高速公路建設工程,也是近幾年全國建設難度最大的高速公路項目之一。隧道比例達到27.6%,對隧道鋪裝采取必要的阻燃處理,并提高磨耗層的抗滑、降噪功能對提高隧道行車的安全性和舒適性有重大意義。

1 路面結構

1.1 原設計路面結構

1.2 變更后推薦方案

從以上結構圖中可以看出,變更方案僅對磨耗層材料進行變更,鋪裝層的結構不發生任何變化。

2 抗滑、阻燃、降噪瀝青混合料(AFNA)性能

抗滑、阻燃、降噪瀝青混合料(AFNA)是在大孔隙瀝青混合料基礎上開發的。開級配瀝青磨耗層(Open-graded Asphalt Friction Course,OGFC)是一種采用開級配礦料級配設計,自身具有大量連通孔隙的瀝青路面材料,其空隙率多在18%～25%,能夠有效排除路面積水,消除弦光、水霧,提高路面的雨天行車舒適性與安全性,由于大空隙連通孔結構,OGFC能夠吸收噪聲、消除輪胎與車輛的泵浦效應,對于路面降噪非常有效,同時發達的表面構造改善了路面的抗滑性能,降低道路交通事故率。因此,該方案被歐美國家廣泛采用,并被證明是降噪及抗滑的最佳路面材料。抗滑、阻燃、降噪瀝青混合料(AFNA)是按以下設計思路開發的。

2.1 阻燃性能

據調查,隧道火災主要是由液體可燃物泄露并燃燒引起的,針對隧道火災中汽油等可燃液體提出利用OGFC的大空隙排除路面汽油以消除或抑制汽油等可燃液體火災,達到阻燃和人員逃生的目的,即在大孔隙瀝青混合料的基礎上,在混合料中加入一種在特定溫度下(250℃～300℃)受熱分解的無機阻燃礦物材料,通過熱分解降低環境燃燒溫度[1]。采用無機阻燃礦物粉體替代一定比例的礦粉,進一步提高瀝青混合料的阻燃能力。

2.2 抗滑、降噪性能

排水(排油)、抗滑、降噪對空隙率、孔結構及骨料粒徑等指標的要求也存在一定差別,通過對不同空隙率和孔結構條件下大孔隙瀝青混合料的阻燃、抗滑、降噪性能的對比研究和數理回歸分析,優化開發出集阻燃、抗滑、降噪于一體的多功能瀝青混合料AFNA[2]。

2.3 路用性能

針對大孔隙瀝青混合料單一級配帶來的力學性能[3],特別是劈裂抗拉強度和抗剪強度下降的問題,開發出高粘度改性瀝青,提高了大孔隙瀝青混合料的路用性能和耐久性能。

3 抗滑、阻燃、降噪瀝青混合料(AFNA)材料組成

3.1 原材料

3.1.1 集料

采用堅硬、吸水率低、破碎粒形好的玄武巖或輝綠巖。

3.1.2 填料

石灰石礦粉,符合《公路工程瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)要求。

3.1.3 高粘度改性瀝青

由國創生產的高粘度改性瀝青,滿足指標要求如表1。

表1 高粘度改性瀝青技術指標

3.1.4 AMZD阻燃劑

(1)摻量:礦料質量的3%,替代等量礦粉。

(2)技術指標要求:

阻燃性能:與瀝青按質量比1∶1混合后,瀝青膠漿氧指數大于24%;

燃燒煙氣毒性:安全二級;

物理性能:符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中對瀝青混合料的相關要求。礦物阻燃劑物理性能要求如表2所示。

3.1.5 阻燃礦物纖維

(1)摻量:瀝青混合料質量的0.3%;

(2)技術指標要求:

阻燃性能:阻燃礦物纖維與瀝青按1∶15混合后膠漿氧指數不降低,并有略微升高。瀝青路面中常用的纖維穩定劑為木質素纖維和聚合物纖維,兩種纖維均為易燃物,加入瀝青后會降低瀝青的氧指數,表3為項目試驗結果。阻燃堿性礦物纖維物理性能要求如表4所示。

表2 礦物阻燃劑物理性能要求

3.2 配合比設計

3.2.1 礦料級配

施工配合比將在材料確定后施工單位進行確定,目標配合比如表5所示。

3.2.2 瀝青用量

最佳油石比為4.7%～4.9%,具體瀝青用量在施工配合比設計過程中確定。

表3 摻加纖維后瀝青膠漿氧指數

表4 阻燃堿性礦物纖維物理性能要求

表5 抗滑、阻燃、降噪瀝青混合料(AFNA-16)合成級配

4 抗滑、阻燃、降噪瀝青混合料(AFNA)性能分析

4.1 阻燃性能

4.1.1 模擬燃燒試驗

(1)逃逸汽油量及燃燒時間

進行標準車轍試件在100 g汽油下的燃燒試驗,在試驗前稱出試件的總重量,等燃燒結束后再稱出試件的重量,兩者的差值為試件的逃逸汽油量。燃燒時間使用秒表記錄,從點火開始計時,看不到明火時為終止時間。測試結果如表6所示。

表6 100g汽油燃燒逃逸汽油量

研究結果表明,各種路面材料中SMA-13的燃燒時間最長,AC-13與 C30水泥混凝土次之,而AFNA-13瀝青混合料的燃燒時間遠遠低于其他路面材料,表現出優異的阻燃性能。在逃逸汽油測試結果中,AFNA-13的逃逸汽油量最高,在80%～90%之間,遠遠高于其他三種路面材料。說明AFNA-13瀝青混凝土路面在火災發生后能夠逃逸大量的汽油,這樣就大大減少了燃燒物質,起到了很好的阻燃效果。

(2)燃燒溫度評價

把100 g汽油澆在試塊上,迅速點火并進行動態溫度監控,溫度采集點分別為試塊表面中心和試塊正上方30cm處,紅外線溫度感應器測定試塊表面中心溫度,熱電偶測定試塊上方30cm處空氣溫度。根據動態溫度監控采集的各點溫度,繪制曲線圖,根據采集的溫度,找出其峰值溫度,具體數據見表7,并分析四種路面材料各點溫度變化趨勢,對比四種路面材料的阻燃性能。

表7 100g汽油燃燒時各路面材料峰值溫度

根據上面兩圖找出各材料燃燒時的峰值溫度,比較燃燒性能。AFNA-13的各點溫度均處于較低水平。

由圖1、圖2可知,增加汽油用量后,四種路面材料各點的溫度均有較大的提高,AC-13的表面溫度甚至達到了512.2℃,其上方空氣溫度也高達278℃。相對來講AFNA-13瀝青混凝土路面材料仍然保持較低的水平,其表面溫度為172.5℃,試件上方溫度為42℃。燃燒溫度稍有增加,仍遠遠低于其他三種路面材料的燃燒時間。在較大的汽油用量下,AFNA-13還是表現出非常好的阻燃性能,大大優于其他三種路面材料。

圖1 汽油燃燒試驗表面溫度變化

圖2 3100g汽油燃燒試驗表面溫度變化

4.1.2 比光密度測試

汽油燃燒過程中,隧道模擬燃燒系統內的透光率,通過光密度評價在不同路面材料在表面汽油燃燒狀況下的發煙量,煙氣包括汽油自身燃燒產生的煙氣及瀝青混合料在高溫下自身燃燒產生的煙氣,AFNA-13的原材料都經過阻燃處理或選用難燃材料,所以理論上AFNA是無法燃燒的,試驗將有效評價AFNA抑制汽油火災的能力。試驗測試結果如圖3,研究結果表明,AFNA不但可以有效抑制汽油的燃燒,而且大大減少煙氣的產生,比光密度在20以下,透光率仍保持在70以上,這對于隧道火災中人員的逃生是非常重要的,采用AFNA隧道路面材料作為高等級公路隧道面層,不但可以有效降低火災損失,還有利于人員的逃生及火災的撲救。

4.2 降噪性能

降噪性能試驗數據為湖北漢新高速公路試驗段實測值,如表8,表9所示。

圖3 封閉燃燒試驗煙密度變化

表8 車外噪聲試驗測試結果

表9 車內噪聲測試結果

通過車外、車內噪聲測試均表明多孔瀝青路面材料能夠有效消除噪聲,提高路面的行車舒適性,隨著車輛行駛速度的提高,降噪效果愈加明顯,可見采用多孔瀝青路面結構不但對于減少環境噪聲十分有利,而且對于降低車輛行駛過程中的內部噪聲,提高行車的舒適性,減少駕車疲勞,提高車輛行駛的安全系數也是非常有益的。

4.3 抗滑性能

抗滑性能試驗數據為湖北漢新高速公路試驗段實測值,抗滑性能測試分為兩方面,首先在干燥路面狀況下的構造深度及擺值測試,然后采用灑水車將路面淋濕,潮濕路面狀況下進行擺值測試。測試結果如表10所示。

試驗段測試結果表明,多孔瀝青混合料的表面構造深度大,擺值BPN值明顯高于一般的AC-13C型瀝青混凝土,抗滑性能優異,所以,采用AFNA級配設計方法設計的試驗路段的抗滑性能優異,特別是在潮濕環境下,明顯優于普通的瀝青路面材料,這對于提高隧道路面的行車安全性,降低交通事故發生率具有重要意義。

表10 試驗路段抗滑性能測試

4.4 路用性能

表11中所示AFNA室內試驗及試驗段取樣試驗結果可以看出,并與SMA-13路用性能進行對比,AFNA完全可以滿足大型公路隧道及跨江海隧道路面的結構使用性能與功能性要求。

5 經濟性分析

從表12中可以看出,雖然每噸AFNA混合料的價格高于阻燃SMA-16,但由于其密度小,所以其單方造價基本與阻燃SMA-16持平。考慮到其阻燃、降噪、抗滑性能均優于阻燃SMA-16,故其擁有更高的性價比。

表11 試驗路段路用性能測試結果

表12 AFNA經濟性分析

6 結 語

如今滬蓉高速公路已通車使用1年多,通過實踐證明,抗滑、阻燃、降噪瀝青混合料(AFNA)在隧道路面中的應用具有很好的實用性能和經濟價值,值得同行參考。

[1]陸學元,等.隧道阻燃改性瀝青上面層(AC-13C)路用性能研究[J].中外公路,2008,28(2):180-185.

[2]劉新權,等.隧道多孔結構瀝青混凝土面層防火性能的試驗研究[J].公路,2008,(12):9-12.

[3]趙志斌,等.長江隧道剛性基層瀝青路面結構阻燃特性[J].華中科技大學學報(自然科學版),2010,38(3):100-103.