阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土耐久性試驗研究

周志剛，夏永勝，羅根傳，2，俞文生，3

(1.長沙理工大學道路結構與材料交通行業重點實驗室，湖南　長沙　410004；2.廣西交通投資集團有限公司，廣西　南寧　530000；3.江西省高速公路投資集團有限責任公司，江西　南昌　330000)

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阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土耐久性試驗研究

周志剛1，夏永勝1，羅根傳1，2，俞文生1，3

(1.長沙理工大學道路結構與材料交通行業重點實驗室，湖南長沙410004；2.廣西交通投資集團有限公司，廣西南寧530000；3.江西省高速公路投資集團有限責任公司，江西南昌330000)

為保證長大隧道路面施工、運營期間的安全和環保，推廣應用阻燃溫拌瀝青混凝土技術。文章結合某高速公路長隧道瀝青路面工程實例，針對該路表面層所使用的阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土AC-13和原設計的熱拌SBS改性瀝青混凝土AC-13材料，開展常規路用性能(高溫穩定性、水穩定性、低溫抗裂性)、劈裂疲勞和耐油污腐蝕等試驗，對比分析阻燃劑和溫拌劑復合改性措施對SBS改性瀝青混凝土AC-13耐久性的影響。試驗結果表明：阻燃劑和溫拌劑不會影響SBS改性瀝青混凝土的高溫穩定性與水穩定性，而對低溫抗裂性能有一定程度的負面影響，但常規路用性能指標仍滿足相關技術規范的要求；這兩種改性劑會削弱SBS改性瀝青混凝土的抗劈裂疲勞性能，但有益于其耐油污腐蝕性能。

SBS改性瀝青混凝土；阻燃溫拌瀝青混凝土；耐久性；劈裂疲勞；耐油污腐蝕

0　引言

隨著我國高速公路的迅猛發展，高等級公路正逐步從沿海平原微丘區向西南、西北等山嶺重丘區延伸，公路隧道的數量在不斷增加且建筑規模越來越大。由于瀝青路面較水泥路面具有更為優良的綜合路用性能，所以瀝青路面在隧道中的應用將越來越廣泛。但是在隧道內(尤其是長隧道)進行熱拌瀝青混凝土施工時，由于熱拌瀝青的施工溫度比較高，在施工過程中會產生許多煙塵，而隧道又是一個相對封閉的環境，所以這些煙塵將很難有效排除，從而影響施工人員的身體健康。另外，隧道瀝青路面在使用過程中，還需要重點防范交通事故引發的火災，因為瀝青一旦被引燃，將會產生大量的熱量和濃煙，進而加劇火災的危害性，隧道的特殊環境又非常不利于逃生和救援[1]。所以為了降低能源消耗和廢氣粉塵的排放，保證環境質量和施工人員的身體健康，并降低隧道火災風險及其對人員的傷害程度，有必要在隧道瀝青混凝土鋪裝中引入阻燃溫拌瀝青混凝土技術。由于隧道內瀝青路面維修相對麻煩，對交通干擾較大，因此需要重視隧道瀝青路面材料與結構的耐久性問題。許多研究人員對此進行了研究，例如長安大學的王春對不同的溫拌劑與級配進行了水穩定性、高溫穩定性和低溫抗裂性能研究[2]；武漢理工大學朱祖煌通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂強度比試驗、三點彎曲試驗、馬歇爾穩定度、車轍試驗以及四點彎曲疲勞試驗對比分析了阻燃溫拌瀝青混合料和普通熱拌瀝青混合料的路用性能[3]；俞文生對阻燃溫拌瀝青混合料進行了高溫、低溫、水損害等試驗，證明了其路用性能與普通熱拌瀝青混合料相比沒有顯著降低等[4]。但是對于阻燃溫拌瀝青混合料的耐久性的研究較少。因此，本文結合某高速公路長隧道瀝青路面工程實例，針對表面層所使用的阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土AC-13和原設計的熱拌SBS改性瀝青混凝土AC-13材料，通過瀝青混凝土的常規路用性能(高溫穩定性、水穩定性、低溫抗裂性)試驗、劈裂疲勞試驗和耐油污腐蝕試驗，對比分析阻燃劑和溫拌劑復合改性措施對SBS改性瀝青混凝土AC-13耐久性的影響，為阻燃溫拌瀝青混凝土技術的推廣提供依據。

1　原材料技術性能

1.1瀝青

瀝青采用SBS(I-D)改性瀝青，其性能指標試驗測試結果為：針入度(25 ℃，100 g，5 s(0.1 mm))指數為5.6 mm，延度(5 cm/min，5 ℃)為28 cm，軟化點為78.1 ℃，閃點319 ℃，135 ℃黏度為2.68 Pa·s，密度(25 ℃)為1.037 g/cm3，旋轉薄膜烘箱老化后殘留物質量變化為0.1%，殘留針入度比(25 ℃)88%，殘留延度(5 ℃)63.55 cm，各項指標均符合規范要求[5]。

1.2集料與級配

隧道表面層SBS改性瀝青混凝土AC-13的粗集料為輝綠巖，分為兩檔規格：10～15 mm，5～10 mm。細集料為石灰巖加工所得的石屑，規格為0～3 mm。AC-13級配設計見表1，4.7%油石比下SBS改性瀝青混凝土AC-13的馬歇爾試驗指標結果見表2。

表1　AC-13級配組成表

表2　AC-13最佳瀝青用量及其它性能指標表

1.3阻燃劑

選用的阻燃劑FRMAXTM為深圳海川公司研發，類型為以適當的有機、無機阻燃劑組合后的白色復合型阻燃劑，作用機理為以磷、氮為主要活性組分，不含鹵系，也不采用氧化銻為協效劑，將膨脹型阻燃劑添加至瀝青后，瀝青受熱時表面能生成一層均勻的炭層泡沫層，此層隔熱、隔氧、抑煙，并能防止瀝青的融滴現象，故具有良好的阻燃性能。FRMAXTM阻燃劑物化性質指標為：密度為0.8～1.8 g/cm3，溶解溫度>130 ℃，有效含量>85%。其添加量為瀝青摻量的7%。

1.4溫拌劑

選用的溫拌劑Sasobit由德國Sasol-Wax公司于1997年研發，是一種新型有機降粘型瀝青溫拌劑，降溫機理為加入低熔點的聚烯烴類添加劑到瀝青或者混合料中，Sasobit溫拌劑熔入瀝青中起到潤滑作用，降低了瀝青的黏度，從而降低瀝青混合料拌合溫度。Sasobit溫拌劑性能指標測試結果為：熔點為115 ℃，閃點為286 ℃，135 ℃粘度(Pa·s)為5.47×10-3℃，密度為0.9 g/cm3。其添加量為瀝青摻量的3%。

2　常規路用性能

2.1高溫穩定性

瀝青混合料屬于粘彈性材料，在夏季高溫條件下，瀝青會軟化呈流動的狀態，從而導致瀝青混合料穩定性下降，產生推移、搓板、泛油、擁包、車轍等現象，而車轍的產生會嚴重影響瀝青路面的使用壽命和服務質量。瀝青路面的高溫穩定性主要是指瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力。高溫穩定性的問題主要就是表現在車轍，因此采用車轍試驗方法，以動穩定度為指標來評價瀝青混合料的高溫穩定性能。用輪碾儀成型300 mm×300 mm×50 mm試樣，試驗溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa[6]，試驗結果如表3所示。

表3　瀝青混凝土動穩定度試驗結果表

由表3可以看出，熱拌SBS改性瀝青混凝土AC-13動穩定度次數略高于阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土AC-13的動穩定度次數，但均符合規范中動穩定度>2 800次/mm的要求[5]。已有研究表明，瀝青混凝土的高溫穩定性影響影響因素有瀝青性質、瀝青用量、集料級配和空隙率[7]，其中集料級配和空隙率是主要影響因素。本試驗中瀝青混凝土的集料級配一致，而且Sasobit溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑對瀝青混凝土的空隙率沒有影響，所以總體上熱拌瀝青混凝土與阻燃溫拌瀝青混凝土的抗車轍性能相差不大。

2.2水穩定性

瀝青路面水損壞主要包括兩種過程：(1)水侵入到瀝青中會使瀝青的粘附性下降，引起混合料的強度與勁度下降；(2)當水進入到瀝青薄膜與集料間時，會阻礙瀝青跟集料的粘結，因為集料的表面對水的吸附力比對瀝青的吸附力要強，所以減少瀝青跟集料的接觸面，從而使得瀝青從集料的表面剝落。因此以瀝青混合料的物理力學性能下降的大小來表征瀝青混合料的水穩定性。本文分別采用浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗來評價瀝青混凝土的水穩定性[5]。按照規范要求進行試驗[6]，試驗結果如表4所示，其中RT1為未凍融組試件的劈裂強度值，RT2為凍融組試件的劈裂強度值，TSR=RT2/RT1為凍融劈裂強度比。

表4　浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂強度試驗結果表

從以上試驗結果可以看出，阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土的殘留穩定度和凍融劈裂強度比均略小于熱拌SBS改性瀝青混凝土的，但是相差不大，且都滿足規范中規定的殘留穩定度≥85%、凍融劈裂強度比≥80%的要求[5]。因此，試驗結果說明添加Sasobit溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑的瀝青混凝土的水穩定性與熱拌瀝青混凝土的一致，這兩種改性劑的摻加不會導致SBS改性瀝青混凝土水穩定性的明顯下降。

2.3低溫抗裂性

瀝青路面在冬季氣溫比較低的條件下會產生開裂，為了防止瀝青路面的低溫開裂，應保證瀝青路面具有較高的低溫抗彎拉強度與較大的低溫彎曲變形能力。本文采用低溫彎曲試驗來評價瀝青混凝土的低溫抗裂性，根據試驗規程[6]，采用250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件，溫度為-10 ℃，在跨中單點加載速率為50 mm/min。試驗結果如表5所示。

表5　低溫彎曲試驗結果表

瀝青混凝土的小梁試件在低溫彎曲試驗中破壞時彎拉應變越大，勁度模量就越小，道路就越不容易出現低溫開裂。從表5的試驗結果數據可以看出，阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土與熱拌SBS改性瀝青混凝土的最大彎拉應變均符合規范中規定的≥2 600με的要求[5]。但熱拌SBS改性瀝青混凝土的彎拉應變略大于阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土彎拉應變，說明阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土的低溫抗裂性略差于熱拌SBS改性瀝青混凝土的低溫抗裂性，其原因是：瀝青混凝土低溫抗裂性能的主要影響因素是瀝青的低溫勁度，而瀝青的黏度與溫度敏感性是決定瀝青勁度的主要因素[8]。在SBS改性瀝青中摻入3%的Sasobit溫拌劑，然后進行瀝青黏度試驗，可以看出在高溫區Sasobit溫拌劑對原樣SBS改性瀝青有一定的降粘作用，而在低溫區黏度反而比原樣SBS改性瀝青增長[9]，其結果會導致瀝青在低溫條件下變硬、變脆，從而會使阻燃溫拌瀝青混凝土的低溫性能有所降低。

3　劈裂疲勞性能

目前室內疲勞試驗的方法主要有重復彎曲、直接拉伸、間接拉伸、簡單彎曲、重復拉伸、室內輪轍、三軸拉壓試驗等方法[10]，間接拉伸疲勞試驗因其簡單、參數能用于預測疲勞壽命而得到更多的應用。其主要原理是對規定尺寸的圓柱體試件在垂直的徑向面內重復作用平行的壓縮荷載，垂直荷載的方向會產生比較均布的拉伸壓力，從而通過重復作用壓應力的方式達到試件承受重復拉應力的效果。因此，本文采用φ63.5mm×100mm圓柱體劈裂疲勞試驗來對瀝青混凝土進行疲勞性能研究。

采用旋轉壓實成型兩種瀝青混凝土的φ63.5mm×100mm圓柱體試件，應力控制加載模式，正弦波形加載，頻率為10Hz，試驗溫度15 ℃±1 ℃，應力比為0.4、0.5、0.6、0.7。試驗結果如表6所示。

表6　劈裂疲勞試驗結果表

劈裂疲勞的應力-疲勞壽命關系呈對數線性關系，表示為：

Nf=kSn

(1)

式中：Nf——試件達到破壞時的加載次數；

S——應力水平；

k，n——回歸參數，與瀝青混凝土的組成及試驗相關條件有關。

式(1)體現的是應力水平和疲勞壽命雙對數之間的直線關系，亦稱之為S-N曲線或者Woler曲線，S-N曲線能夠體現出瀝青混凝土的疲勞特性，被廣泛應用在材料的疲勞研究以及疲勞壽命設計中。對以上兩種瀝青混凝土的劈裂疲勞試驗結果進行S-N曲線擬合，其結果如圖1、圖2所示，疲勞方程擬合系數k、n及相關系數見表7。

圖1　熱拌AC-13疲勞方程擬合曲線圖

圖2　阻燃溫拌AC-13疲勞方程擬合曲線圖

材料kn相關系數R2阻燃溫拌AC-1362.01-6.2040.866熱拌AC-13288.40-4.0280.965

事實上，k值表征了瀝青混凝土的抗疲勞性質，k值越大，說明材料的耐疲勞性能效果越好；n值是指劈裂疲勞雙對數曲線的斜率，代表瀝青混凝土所能夠承受的最大重復加載次數。針對不同應力水平的敏感度，n值越大，則疲勞曲線越是陡峭，說明了材料的疲勞壽命對應力水平的敏感程度越大。通過以上圖、表可以看出，阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土抗劈裂疲勞性能弱于普通熱拌SBS改性瀝青瀝青混凝土的抗劈裂疲勞性，且對應力的敏感度也大于后者。

4　耐油污腐蝕性

隧道內瀝青路面表面層直接與外界環境接觸，行駛車輛滴漏的油污腐蝕基本上作用于表面層，因此本試驗采用旋轉壓實成型阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土AC-13和普通熱拌SBS改性瀝青混凝土AC-13，試件尺寸為φ63.5mm×100mm圓柱體試件，在20 ℃下浸入汽油中，測試其耐油污腐蝕性能，其質量損失率如圖3所示，不同浸泡時間劈裂強度比如圖4所示，其中劈裂強度比為瀝青混凝土浸油后的劈裂強度與浸油前劈裂強度的比值，其值越大，說明劈裂強度下降得越小。

圖3　質量損失率隨時間變化關系圖

圖4　劈裂強度比隨時間變化關系圖

通過試驗可以看出，隨著在汽油中浸泡時間的延長，瀝青混凝土的質量逐漸減少，其劈裂強度均下降，其中熱拌SBS改性瀝青混凝土AC-13的質量損失率明顯大于阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土AC-13的質量損失率，阻燃溫拌SBS改性瀝青混

凝土AC-13的劈裂強度比值明顯大于熱拌SBS改性瀝青混凝土AC-13的劈裂強度比，即阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土在浸油后劈裂強度比熱拌SBS改性瀝青混凝土的劈裂強度下降得小。因此，阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土AC-13比熱拌SBS改性瀝青混凝土AC-13更加耐油污腐蝕。

5　結語

通過對阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土AC-13和熱拌SBS改性瀝青混凝土的耐久性試驗對比，可以得出以下結論：

(1)阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土的高溫穩定性和水穩定性與普通熱拌SBS改性瀝青混凝土的一致，但是其低溫抗裂性能有一定程度的降低，這主要與溫拌劑的影響有關。

(2)阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土的抗劈裂疲勞性能弱于普通熱拌SBS改性瀝青混凝土。

(3)阻燃溫拌SBS改性瀝青混凝土的耐油污腐蝕性能強于熱拌SBS改性瀝青混凝土。

[1]王永強.阻燃材料及應用技術[M].北京：化學工業出版社，2003.

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Experimental Study on the Durability of Flame-retardant Warm-mix SBS Modified Asphalt Concrete

ZHOU Zhi-gang1，XIA Yong-sheng1，LUO Gen-chuan1，2，YU Wen-sheng1，3

(1.Transportation Industry Key Laboratory of Road Structure and Materials，Changsha University of Science & Technology，Changsha，Hunan，410004；2.Guangxi Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530000；3.Jiangxi Expressway Investment Group Co.，Ltd.，Nanchang，Jiangxi，330000)

In order to ensure the safety and environment of long and large tunnel during pavement con-struction and operations，and to promote the application of flame-retardant warm-mix asphalt concrete technology，thus，in combination with the asphalt pavement construction practices of the long tunnel in an expressway，and regarding flame-retardant warm-mix SBS modified asphalt concrete AC-13 used in this road surface layer and the original designed hot-mix SBS modified asphalt concrete AC-13 material，this article conducted the experiments such as routine road performance(high-temperature stability，water stability，low-temperature crack resistance)，splitting fatigue and oil-resistant corrosion，and com-pared and analyzed the impact of compound modified measures of flame retardants and warm-mix agents on the durability of SBS modified asphalt concrete AC-13.The experiment results showed that：the flame retardants and warm-mix agents will not affect the high-temperature stability and water stabili-ty of SBS modified asphalt concrete，while having a certain negative impact on low-temperature crack resistance，but its conventional road performance indicators can still meet the relevant technical requirements；these two modifiers will weaken the anti-splitting fatigue performance of SBS modified asphalt concrete，but good for its oil-resistant corrosion performance.

SBS modified asphalt concrete；Flame-retardant warm-mix asphalt concrete；Durability；Splitting fatigue；Oil-resistant corrosion

U416.217

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.03.001

1673-4874(2016)03-0001-05

2016-03-08

周志剛(1966—)，教授，博士生導師，研究方向：道路工程；

夏永勝(1988—)，碩士，研究方向：瀝青路面材料研究；

羅根傳(1964—)，博士，教授級高級工程師，研究方向：公路工程建設與運營管理、技術研究開發；

俞文生(1976—)，博士，教授級高級工程師，研究方向：公路工程建設管理、維修養護和技術研究開發。

項目來源

廣西交通科技計劃項目(桂交科教發〔2013〕100號)；江西交通科技計劃項目(2011C00 63)