金屬氫氧化物對SBS 改性瀝青阻燃及路用性能影響研究

李清茂

(南平高速建設有限公司，南平 354200)

近年來，由于瀝青路面優異的駕駛舒適性，降噪性以及彩色瀝青等技術的發展[1]，瀝青混合料被廣泛應用于長大隧道內作為路面鋪裝材料。 然而由于隧道內相對閉塞和有限的空間環境， 隧道路面的安全問題日益受到行業內的關注[2-4]。瀝青具有較高的閃點，但一旦隧道內起火會在短時間內形成高溫及大量包括CO、CO2和CH4等有害氣體，封閉隧道內突發性火災，不僅對隧道內行駛的車輛造成嚴重的安全隱患，而且會危害國家公共財產，因此阻燃瀝青路面的使用對于人類安全及財產安全都有著重大的意義。

阻燃瀝青的研究開展于19 世紀50 年代， 最早采用鹵素及磷作為阻燃劑用于屋頂毛氈和瀝青涂層， 是一種有效抑制燃燒的添加材料， 主要作用是抑制可燃性物質的燃燒，防止火焰的擴散[5]。 目前常用的阻燃劑主要包括鹵素阻燃劑、磷阻燃劑、金屬氫氧化物、膨脹系阻燃劑以及納米阻燃劑。金屬氫氧化物是一種重要的礦物阻燃劑，可以降低材料瀝青自身的助燃成分，此外它可以改變瀝青的粘度、導熱性以及物理性能。 MH 與ATH 是目前最常用的金屬氫氧化物阻燃劑， 在燃燒過程中，MH 與ATH 會吸收熱量產生大量的水蒸氣，不僅減少了向瀝青材料熱量的傳遞，同時不可燃蒸汽會稀釋可燃氣體進一步減少燃燒的可能。 另一方面，ATH 與MH 均具有較高的熔點，裹服在瀝青表面的金屬氫氧化物可以阻隔熱量傳遞從而起到阻燃的作用[6]。 但是作為添加劑加入到原有的瀝青結合料中會改變原有瀝青的物理性能， 甚至發生化學反應從而改變原有的空間結構， 因此需要進一步的研究確定添加劑對瀝青結合料及混合料性能的影響。

本文先通過極限氧指數儀(LOI) 測定了不同摻量下ATH 與MH 對SBS 改性瀝青氧指數的影響，分析了瀝青阻燃性能的變化；再通過高溫車轍試驗，低溫梁彎曲試驗以及浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗研究了AC-13 級配在最佳油石比下，MH 與ATH 阻燃劑對混合料路用性能的影響，為MH 與ATH 阻燃劑的選取和用量控制提供一定的參考性。

1 原材料

1.1 集料及瀝青結合料

試驗采用礦質集料選用福建產石灰巖，依據《公路工程集料試驗規程》(JTG E42-2005)和《公路瀝青路面施工技術規范實施手冊》(JTG F40-2004)對其常規性能指標進行測定，均滿足規范要求。試驗所用瀝青為殼牌SBS 改性瀝青。

1.2 阻燃劑

金屬氫氧化物阻燃劑采用分析純ATH 與MH，其中ATH 的密度為2.40 g/cm3，熔點為300℃，莫氏硬度為3.0。MH 密度為2.36 g/cm3，熔點為350℃，莫氏硬度為2.0。

1.3 瀝青混合料配合比

為制備阻燃瀝青混合料， 選用福建產石灰巖集料與SBS 改性瀝青制備AC-13 瀝青混合料， 目標空隙率為4%。 AC-13 級配如表1 所示，按照馬歇爾設計法確定最佳油石比為5.1%，分別在最佳油石比下摻加10%、15%、20%及25%的2 種阻燃劑，制備阻燃瀝青混合料。

表1 AC-13 級配

2 阻燃性能分析

2.1 阻燃SBS 瀝青的制備

首先將SBS 改性瀝青恒溫至170℃， 稱取一定量的ATH 與MH， 將2 種阻燃劑勻速且均勻地加入SBS 改性瀝青中， 在油浴中保溫并通過磁力攪拌器在恒溫條件下先以1000 r/min 進行初攪， 再以3000 r/min 進行二次攪拌以使阻燃劑與瀝青混合均勻， 從而制得添加量分別為10%、15%、20%及25%的MH 和ATH 阻燃瀝青。

2.2 阻燃SBS 改性瀝青極限氧指數試驗

極限氧指數試驗是規定的條件下在氧和氮混合氣體中進行燃燒所需要的最低氧濃度，計算公式如式(1)：

極限氧指數被應用于瀝青阻燃性能的研究， 并制定了相應的級別劃分標準。 金屬氫氧化物在受熱燃燒過程中會發生式(2)和式(3)化學反應，受熱分解后產生大量的水蒸氣達到降溫，稀釋作用降低溫度，吸收熱量。 此外氧化金屬產物包裹在瀝青表面可以達到反射熱量的作用，從而起到阻燃的效果。 我國行業標準對于阻燃瀝青的要求為極限氧指數≥23%。

本文極限氧指數試驗按照行業標準 《瀝青阻燃性能測定》(SH/T 0815-2010)進行試驗，結果如圖1 所示。

圖1 阻燃劑摻量對LOI 影響

由圖1 的試驗結果可知，2 種阻燃劑對于LOI 結果有所不同， 綜合表現可知MH 在相同摻量下對于SBS 瀝青阻燃性能更為優異， 其中ATH 在15%摻量下，LOI 可達23.2%，MH 為23.9%，均滿足規范要求。MH 與ATH 摻量的增加，會進一步提高瀝青燃燒所需氧氣程度，即瀝青阻燃性的提高。

ATH 的分解溫度一般在220℃～320℃，低于MH 的分解溫度。 因此早期ATH 會較快分解，從而通過分解過程中產生的水蒸氣及氧化產物綜合達到阻燃的作用，但MH 反應過程中吸熱量高于ATH，因此會略優于ATH 的阻燃效果。

3 路用性能試驗

3.1 高溫穩定性

隧道內與外界空氣不流通，溫度傳遞性差，相對外界瀝青路面溫度相對較低， 但仍然需要考慮隧道內瀝青路面的高溫性能。 高溫車轍試驗以60℃溫度下，0.7 MPa 荷載作用循環碾壓作為試驗條件， 以動穩定度作為高溫性能的評判標準， 對最佳油石比下制備的不同阻燃劑摻量的標準車轍板試件進行試驗，結果如圖2 所示。

圖2 阻燃瀝青混合料高溫穩定性結果

由圖2 的結果可以發現， 阻燃劑摻量的增加有利于提高瀝青混合料的動穩定度， 主要是由于阻燃劑的添加提高了瀝青混合料的彈性成分， 從而有利于提高荷載作用后的應變恢復能力，且隨著阻燃劑摻量的進一步增加，抗變形能力逐漸提升， 均遠高于規范要求。 相同摻量的ATH 高溫穩定性略高于MH，其中ATH 動穩定度分別提升4.41%、2.35%、3.42%和2.20%， 主要是由于ATH 具有更高的莫氏硬度(3.0)。

3.2 水穩定性

隧道內空間相對封閉，不易接觸到陽光照射，空氣流動性差造成了隧道內獨特的空間環境特性， 尤其是在陰雨過后，外界天氣放晴，隧道外瀝青路面上的積水可以通過坡度或者下滲排出大部分路表積水， 殘余的路表水可以通過陽光照射蒸發。 而隧道內瀝青路面上的積水難以通過蒸發作用排出， 長時間的積水會對瀝青路面造成嚴重的水損壞， 因此對于阻燃瀝青路面的水穩定性因著重考慮。 試驗采用浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗(TSR)來測試不同阻燃瀝青的水穩定性。 試驗結果分別如圖3～4所示。

圖3 阻燃瀝青混合料殘留穩定度結果

圖4 阻燃瀝青混合料TSR 結果

由圖3 的殘留穩定度試驗結果可知，無論是ATH 還是MH，摻量的增加都會減小瀝青混合料的殘留穩定度，表明金屬氫氧化物阻燃劑的加入會降低瀝青混合料的水穩定性，當摻量達到25%時，殘留穩定度分別為81.4%和82.7%， 僅略高于 《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)。 2 種阻燃瀝青混合料的殘留穩定度并無明顯的優劣，數值基本接近，表明2 種阻燃劑對瀝青混合料水穩定性的影響接近， 并無明顯的優劣之分。 圖4 為TSR的試驗結果， 總體趨勢表現出與浸水馬歇爾試驗相同的特征，凍融劈裂強度比隨著阻燃劑摻量的增加而降低，當摻量達到25%是，TSR 結果分別為78.6%與79.2%， 高于規范中要求的75%。

4 結論

本文選取MH 與ATH 作為阻燃瀝青的添加劑，復配SBS 改性瀝青，通過極限氧指數(LOI)試驗對不同摻量的SBS 改性瀝青進行阻燃性能測試。 基于馬歇爾試驗確定的瀝青混合料最佳油石比，通過高溫車轍試驗，浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗評價了多種摻量下ATH 和MH阻燃瀝青混合料的高溫穩定性及水穩定性， 主要得到以下結論：

(1)通過極限氧指數試驗結果可知ATH 和MH 的加入對于SBS 改性瀝青的LOI 有所提升， 能有效提高SBS改性瀝青的阻燃性能，2 種阻燃劑摻量為15%時，分別可以達到23.2%和23.9%， 滿足規范 《瀝青阻燃性能測定》(SH/T 0815-2010)要求中≥23%的規定，可以起到很好的阻燃效果， 其中MH 相比于ATH 具有更好地阻燃性能，主要是由于MH 反應過程中吸熱量高于ATH，因此會略優于ATH。

(2)高溫車轍試驗結果表明ATH 和MH 的加入對于瀝青混合料的高溫穩定性有所提高， 主要是由于2 種阻燃劑的加入提高了瀝青混合料的彈性水平， 能夠在高溫環境下抵抗荷載引起的永久變形， 且隨著摻量的進一步增加而提升，其中ATH 具有更強的抗變形能力，可能是由于ATH 的莫氏硬度(3.0)高于MH(2.0)。

(3)浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗的結果綜合表明ATH 及MH 的摻加降低了瀝青混合料的水穩定性，2 種阻燃劑對性能的影響極為接近，當摻量達到25%時，殘留穩定度及TSR 結果均略高于規范《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中的最低要求，因此摻量的進一步增加會造成不滿足規范要求的可能。