基于MH的阻燃改性瀝青上面層(SMA-13)路用性能研究

袁 玲

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣州 510507)

近年來，隨著全國高速公路的快速發展，長大公路隧道的比例迅速上升。與水泥混凝土路面相比，瀝青混凝土路面具有抗滑性能好、噪音低、表面平整性好、行車舒適、維修迅速等優點，逐漸用于隧道路面。但因隧道半封閉空間及瀝青燃燒產生的大量有毒濃煙，致使在隧道路面中的全面推廣受到一定的制約，因此針對瀝青材料的阻燃改性處理方面開展了諸多研究[1-3]，如鹵系、磷系等阻燃劑被添加至瀝青中，這些阻燃劑阻燃效果顯著，但卻釋放出大量有毒的氣體和煙塵，給施工人員的身心健康帶來嚴重威脅，大力開展研究環保的阻燃劑是瀝青混凝土隧道路面推廣應用的趨勢[4]。

目前，無機阻燃劑年消費量較多的是氫氧化鋁(ATH)，它不僅有阻燃、抑煙和填充等優點，還無毒、無腐蝕。而氫氧化鎂(MH)既有ATH的優點，又制作簡單、儲量豐富、價格低廉、分解溫度高達320 ℃，且能與多種成分復配，性價比更高等特點[5]。因此，在大力發展環境友好型阻燃劑的趨勢下，MH在隧道瀝青路面的應用越來越受到關注。本文結合某高速公路隧道實體工程，采用MH和膨脹型阻燃劑復配為阻燃劑，研究單一MH摻量對SBS改性瀝青的燃燒性能及MH與膨脹型阻燃劑復配時對SMA-13改性瀝青混合料燃燒性能、路用性能的影響[6]。

1 原材料選擇及技術指標

瀝青采用廣東新粵PG76-22 SBS改性瀝青，集料采用自產凝灰巖，礦粉采用石灰巖礦粉，水泥采用P·O 42.5水泥，原材料的物理性能指標見表1、表2。纖維穩定劑采用0.3%的木質素纖維。MH的粒徑在3 μm～5 μm，視密度為2.36 g/cm3。

表1 SBS 改性瀝青的物理性能

表2 集料物理性能

2 試驗方案

本文選取單一阻燃劑MH、APP、MA、PER及復配阻燃劑來驗證其對SMA-13阻燃性能和路用性能的影響。

單一阻燃劑SBS改性瀝青制備：將稱量好的MH、膨脹型阻燃劑(聚磷酸胺(APP)、三聚氫胺(MA)、季戊四醇(PER))分別緩慢加入到(170±5)℃的SBS改性瀝青中，以2 000 r/min的轉速恒溫攪拌30 min。

極限氧指數試件的試樣制備：先制作一塊長15 cm、寬15 cm、厚5 mm的鋼模板，放在規格為150 g/m2的玻璃纖維氈上，鋼模板底部及內壁均勻涂抹隔離劑，將阻燃瀝青加熱到170 ℃～180 ℃攪拌均勻后澆附在模板內，再在瀝青表面覆蓋一層玻璃纖維氈。待冷卻至室溫后，將其剪成長12 cm、寬(6.5±5)cm的氧指數試樣[7]。

3 MH阻燃性能的試驗結果與分析

3.1 單一阻燃劑對SBS改性瀝青阻燃性能的影響

選取單一的MH、APP、MA、PER分別添加至瀝青中，摻量范圍為0%～35%，研究不同摻量下SBS改性瀝青極限氧指數的變化情況。試驗過程參考GB/T 2406—2006《塑料燃燒性能試驗方法氧指數法》。

通過室內極限氧指數試驗可知：4種不同阻燃劑對SBS改性瀝青的阻燃效果分別是APP>PER>MA>MH。摻加10%APP時，SBS改性瀝青極限氧指數已經為32.7%，而摻加10%MH時，SBS改性瀝青極限氧指數僅為21.7%，只比純瀝青提高了1.4%。當MH摻量為30%時，氧指數達到23.8%>23%，對于隧道阻燃瀝青，已滿足阻燃要求[2]。通過試驗過程中觀察試樣的生煙情況，APP生煙量較少，而MH幾乎沒有生成黑煙，說明MH具有良好的抑煙性能。試驗結果見圖1。

圖1 單一阻燃劑對SBS改性瀝青LOI影響

3.2 復合阻燃劑對SMA-13瀝青混合料阻燃性能的影響

由圖1可知，將MH單獨添加至瀝青中，當含量小于30%時，阻燃效果改善不明顯；而當加入的MH含量超過30%后，其氧指數大于23%，滿足阻燃要求。說明較小含量MH的加入對瀝青的阻燃性能達不到要求，只有當摻量超過30%后，才可滿足阻燃要求。因此MH不適合直接添加至瀝青中去改善瀝青的阻燃性能。綜合考慮阻燃瀝青需具備阻燃、抑煙、環保的特點，本文采用在膨脹型阻燃劑(APP/MA/PER)中添加MH并等量替代礦粉的方式來研究阻燃性能。不同試驗方案見表3。

表3 不同MH替代量阻燃瀝青混合料SMA-13研究方案

3.2.1 SMA-13級配選擇

依據JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》及《廣東省高等級公路瀝青路面施工技術指南》要求，并結合本項目施工實際特點，確定最終混合料目標合成級配。

3.2.2 最佳瀝青量確定

根據設計級配，按4.76%、5.21%、5.66%、6.10%、6.54%、6.90%五個不同瀝青含量制備馬歇爾試件，礦料的加熱溫度為180 ℃，瀝青加熱溫度為165 ℃，擊實成型溫度為170 ℃。計算各項體積指標，確定最佳油石比，其試驗結果見表4。

根據廣東省的氣候條件及施工經驗，確定最佳瀝青含量為5.66%。

3.2.3 復合阻燃劑的SMA-13阻燃瀝青混合料制備

復合阻燃劑的阻燃瀝青混合料試件制備：1) 以SBS改性瀝青為基準，計算出摻量為0%、10%、20%、30%、40%、50%的6種含量的MH。先將APP、 MA、PER三種阻燃劑按比例20∶5∶1充分混合均勻后，以SBS改性瀝青為基準，添加10%的APP/MA/PER與6種不同含量的MH混合均勻，制備出APP/MA/PER/MH復合阻燃劑等量替代礦粉。2) 將制備出的APP/MA/PER/MH復合阻燃劑與礦粉混合均勻后，再與集料、瀝青進行拌和，按照規程T0701、T0702制備出表3中的6種阻燃瀝青混合料試件[9-11]。

表4 馬歇爾試驗結果

3.2.4 復合阻燃劑中MH摻量對SMA-13瀝青混合料阻燃性能影響的試驗結果與分析

試驗步驟：1) 準備2組馬歇爾試件A、B，燃燒模擬隧道路面著火的狀態，以測試MH阻燃瀝青混合料的阻燃性能；2) 澆灑適量的汽油到試件組A上點火燃燒，待其自熄冷卻，重復操作3次；3) 通過測試穩定度殘留強度比結果可知，阻燃劑添加量為0%時，瀝青混合料穩定度殘留強度比為83.95%，隨著MH摻量的增加，穩定度殘留強度比顯著提高；當MH摻量為30%時，穩定度殘留強度比為85.26%；當MH摻量為50%時，穩定度殘留強度比為86.24%，較摻量為0%時的穩定度殘留強度比提高了2.72%。由此可見，MH與膨脹性阻燃劑復配時可有效改善瀝青混合料的阻燃性能。

4 復合阻燃劑中 MH摻量對SMA-13混合料路用性能影響的試驗結果與分析

1) 馬歇爾試驗

對制備的阻燃瀝青混合料試件進行馬歇爾試驗，結果見表5。

表5 MH摻量對SMA-13瀝青混合料馬歇爾試驗結果的影響

從表5可見，隨著復合阻燃劑中MH摻量的增大，瀝青混合料的空隙率和礦料間隙率減小。當摻量為50%時，空隙率下降了0.6%，礦料間隙率下降了0.3%。這是因為MH的粒徑小于0.048 mm，較礦粉的粒徑小，MH等量替代礦粉后填料的細度增大，致使瀝青混合料試件的礦料間隙率減小[12]。MH摻量從0%變化到30%，穩定度增加了10%，從40%變化到50%時穩定度有所減小。飽和度變化很小, 加入到40%時，飽和度稍有增大。摻量大于30%后，除礦料間隙率外，空隙率、飽和度、穩定度指標均能滿足《廣東省高等級公路瀝青路面施工技術指南》及相關規范要求。

2) 車轍試驗

MH摻量與膨脹型阻燃劑(APP/MA/PER)復配并等量替代礦粉對SMA-13瀝青混合料車轍動穩定度試驗結果見表6。

表6 MH摻量對SMA-13瀝青混合料車轍動穩定度的影響

從表6可知，隨著MH摻量的不斷增加，車轍動穩定度逐漸增大，且均滿足設計要求。MH摻量為0%時，車轍動穩定度為7 958次/mm；摻量為50%時，車轍動穩定度提高了12.93%。這是因為MH屬于堿性化合物，它的加入增強了瀝青與礦粉間的化學吸附作用；同時MH的粒徑遠比礦粉小，一定量的MH代替礦粉添加至瀝青混合料中，使瀝青混合料變成較硬的細質瀝青砂膠[12]，增強了瀝青混合料的粘聚力，從而提高了抗車轍性能[13-14]。

3) 水穩定性試驗

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗[15-17]，研究MH摻量與膨脹型阻燃劑(APP/MA/PER)復配并等量替代礦粉對SMA-13水穩定性能的影響，試驗結果見表7。

由表7可知：隨著復合阻燃劑中MH摻量的增加，SMA-13阻燃瀝青混合料的浸水殘留穩定度和殘留強度比都在不斷減小。當MH 摻量為10%、30%、50%，阻燃瀝青混合料常規穩定度和浸水殘留穩定度分別下降了1%和0.54%、2%和4.51%、6.25%和2.35%；且當MH摻量大于30%時，SMA-13阻燃瀝青混合料的浸水殘留強度和殘留強度比不滿足規范要求。說明復合阻燃劑中MH摻量對阻燃瀝青混合料的水穩定性能影響較大，MH摻量不宜大于30%。

5 某隧道實體工程案例應用

廣東某隧道右幅310 m，左幅333 m，雙向6車道高速公路，整體式路基寬度33.5 m，分離式路基寬16.75 m，設計速度100 km/h。該隧道阻燃瀝青路面試驗路于2016年11月5日—11月16日進行施工，左幅路面采用添加MH復配阻燃劑，右幅為不加阻燃劑的瀝青路面。試驗路鋪筑前進行了上述試驗，通過室內試驗可知，添加MH復配阻燃劑的瀝青路面高溫穩定性增大，阻燃性能有所提升，因隧道路面現場不宜進行燃燒試驗，后續應進一步跟蹤及研究該隧道阻燃瀝青路面的阻燃性能及路用性能，并與室內試驗數據進行對比且互相驗證。現場施工照片見圖2。

表7 MH摻量對SMA-13瀝青混合料水穩定性試驗結果的影響

圖2 阻燃瀝青路面試驗路施工

6 結束語

1) MH作為單一阻燃劑，抑煙效果優良，當MH摻量為30%時，SBS改性瀝青的極限氧指數才達到23.8%，表明MH不宜單獨用作阻燃劑。

2) 當MH與膨脹型阻燃劑(APP/MA/PER)復配使用時，復合阻燃劑等量替代礦粉后，提高了阻燃瀝青混合料燃燒前后穩定度殘留強度比，顯著改善了瀝青混合料的阻燃性能。

3) 綜合考慮阻燃性能、抑煙性能、物理性能及瀝青混合料的路用性能，采用MH與膨脹型阻燃劑(APP/MA/PER)復配等量替代礦粉時，MH摻量為30%時最佳。

4) 摻加30%的MH與膨脹型阻燃劑(APP/MA/PER)復配等量取代礦粉，SMA-13瀝青混合料與未取代的相比，空隙率減小了4.88%、礦料間隙率減小了0.59%、穩定度提高了10%，浸水后殘留穩定度比減小了4.51%、劈裂殘留強度比減小了5.17%、車轍動穩定度提高了7.8%。說明摻量30%的MH等量替代礦粉的SMA-13瀝青混合料，其高溫穩定性增大，阻燃性能有所提升，水穩定性能稍有降低，但其路用性能均能滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求，可在實際工程中進一步推廣應用。