阻燃溫拌SBS改性瀝青開發(fā)及影響因素研究

摘要：為改善SBS改性瀝青在隧道瀝青路面中的應(yīng)用效果，文章開展了阻燃劑與溫拌劑種類優(yōu)選，并基于正交試驗(yàn)，以阻燃劑摻量、溫拌劑摻量及剪切溫度為研究因素，進(jìn)行了阻燃溫拌SBS改性瀝青開發(fā)研究。結(jié)果表明：DBDPE阻燃抑煙效果較好，Sasobit在高溫區(qū)降黏效果優(yōu)良，分別選用作為阻燃劑與溫拌劑；提高DBDPE阻燃劑與Sasobit溫拌劑摻量有利于SBS改性瀝青高溫性能與阻燃性能，結(jié)合pearson相關(guān)性分析確定DBDPE摻量為10%，Sasobit摻量為2%，剪切溫度為160 ℃。

關(guān)鍵詞：阻燃；改性瀝青；正交實(shí)驗(yàn)；相關(guān)性

中圖分類號(hào)：U414 A 21 077 4

0 引言

21世紀(jì)以來，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到迅速發(fā)展，公路建設(shè)事業(yè)也突飛猛進(jìn)，隨著我國東部及南部地區(qū)公路交通系統(tǒng)日益完善，公路建設(shè)事業(yè)逐漸西移。而我國中西部地區(qū)地形主要為山地、高原及丘陵，因此隧道在路線中的占比相對(duì)較高。公路隧道環(huán)境相對(duì)封閉，內(nèi)部空氣流通不佳，視線效果不好，在其建設(shè)過程中，特別是瀝青路面鋪筑施工時(shí)，高溫瀝青混合料產(chǎn)生大量有毒煙霧不能排出而影響施工人員健康安全，運(yùn)營期間發(fā)生交通事故易引起瀝青路面燃燒，造成火災(zāi)事故而導(dǎo)致更大傷亡［1］。因此用于鋪筑隧道路面的瀝青混合料應(yīng)具備溫拌及阻燃特性，從而減少施工期有毒煙霧排放及防止交通事故導(dǎo)致火災(zāi)［2］。因此，本文以瀝青路面常用SBS改性瀝青為原樣瀝青，開展阻燃溫拌SBS改性瀝青開發(fā)研究，以期對(duì)隧道路面工程提出指導(dǎo)建議。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

本文瀝青采用思特立有限公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青，其主要性能指標(biāo)見表1。

1.1.2 阻燃劑

本文選用4種常見的阻燃劑，分別為十溴二苯乙烷（DBDPE）、十溴二苯醚（DBDPO）、聚磷酸銨（APP）及氫氧化鋁（ATH）阻燃劑，其主要性能指標(biāo)見表2。

1.1.3 溫拌劑

根據(jù)溫拌劑對(duì)瀝青降黏原理的不同，選擇機(jī)蠟類、沸石類、表面活性劑類及稀釋類4種溫拌劑，分別為Sasobit、Aspha-min、EWMA-1及芳烴油，其主要性能指標(biāo)見表3。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 阻燃溫拌瀝青制備

將SBS改性瀝青加熱至液態(tài)后，按試驗(yàn)比例摻入阻燃劑與溫拌劑，然后使用高速剪切機(jī)在試驗(yàn)溫度下對(duì)瀝青進(jìn)行剪切30 min，使改性劑在瀝青中充分分散、溶解，制得阻燃溫拌SBS改性瀝青。

1.2.2 瀝青燃燒性能試驗(yàn)

瀝青材料為一種高分子有機(jī)物，其燃燒過程極其復(fù)雜。本文采用極限氧指數(shù)試驗(yàn)與煙密度試驗(yàn)分別測定瀝青的極限氧指數(shù)與光密度指標(biāo)評(píng)價(jià)改性瀝青的阻燃抑煙性能。極限氧指數(shù)越高，光密度越小，說明瀝青燃燒過程產(chǎn)生的煙霧量越小。

1.2.3 瀝青常規(guī)性能試驗(yàn)

溫拌劑是通過降低瀝青黏度，從而實(shí)現(xiàn)降低瀝青施工溫度，因此本文采用布氏黏度試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同溫拌劑對(duì)瀝青改性效果，并通過軟化點(diǎn)試驗(yàn)及延度試驗(yàn)（5 ℃）評(píng)價(jià)溫拌阻燃瀝青高低溫性能。

2 阻燃劑與溫拌劑種類選擇

2.1 阻燃種類優(yōu)選

以SBS改性瀝青為對(duì)照組，根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)［3］，選用8%摻量（質(zhì)量比），采用DBDPE、DBDPO、APP及ATH四種阻燃劑對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行阻燃改性，并進(jìn)行極限氧指數(shù)試驗(yàn)與煙密度試驗(yàn)。極限氧指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如見表4，煙密度試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由表2可知，阻燃劑提升了SBS改性瀝青的阻燃性能。4種外摻阻燃劑的SBS改性瀝青的極限氧指數(shù)均大于SBS改性瀝青，極限氧指數(shù)由大到小排序?yàn)椋篋BDPO阻燃劑gt;DBDPE阻燃劑gt;APP阻燃劑gt;ATH阻燃劑，其中前3種阻燃劑改性的瀝青的極限氧指數(shù)值接近，且明顯高于ATH-SBS改性瀝青，說明ATH阻燃劑對(duì)瀝青阻燃性能的改善效果不及其他3種阻燃劑。

由圖3可知，DBDPE、APP及ATH阻燃劑可以提高SBS改性瀝青的抑煙效果，而DBDPO阻燃劑劣化了SBS改性瀝青的抑煙性能。4種阻燃瀝青及SBS改性瀝青的光密度曲線由低至高排序?yàn)椋篈THgt;DBDPEgt;APPgt;SBSgt;DBDPO，說明ATH-SBS改性瀝青試驗(yàn)煙霧量最小，抑煙性能最好，其次是DBDPE-SBS改性瀝青與APP-SBS改性瀝青；而DBDPO-SBS改性瀝青的煙霧量較未摻阻燃劑的SBS改性瀝青更大，其抑煙性能較差。

綜上述分析，DBDPE阻燃劑與DBDPO阻燃劑的阻燃性能較好，而DBDPO阻燃劑制備的SBS改性瀝青試驗(yàn)煙霧量較大，抑煙性能較差，因此本文采用DBDPE作為改性瀝青研究的阻燃劑。

2.2 溫拌劑種類優(yōu)選

利用布氏黏度計(jì)測定SBS改性瀝青與摻入Sasobit、Aspha-min、EWMA-1及芳烴油4種溫拌劑的SBS改性瀝青的黏度，進(jìn)行溫拌劑種類優(yōu)選。Sasobit、Aspha-min、EWMA-1及芳烴油摻量分別為2.5%、4%、0.3%及6%。布氏黏度試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖4可知：EWMA-1與芳烴油在全域溫度范圍內(nèi)降低了SBS改性瀝青黏度；而在低溫區(qū)（＜135 ℃）內(nèi)，Aspha-min與Sasobit增大了SBS改性瀝青黏度，而到高溫區(qū)時(shí)（＞135 ℃），Aspha-min與Sasobit對(duì)SBS改性瀝青具有較明顯的降黏作用，且其黏溫曲線明顯低于EWMA-1及芳烴油的黏溫曲線。說明在低溫區(qū)，EWMA-1與芳烴油對(duì)SBS改性瀝青降黏效果較優(yōu)，而在高溫區(qū)Aspha-min與Sasobit對(duì)SBS改性瀝青的降黏效果更好。

一般來說，瀝青黏度越低，瀝青混合料施工和易性越好，溫拌劑使瀝青在相對(duì)低溫條件下達(dá)到了施工黏度要求，從而實(shí)現(xiàn)降低瀝青混合料施工溫度的目的。由圖4可知，在高溫區(qū)4種溫拌劑中降黏效果最好的為Sasobit，且其在低溫區(qū)對(duì)瀝青有一定的增黏效果，低溫增黏可提高瀝青與集料的粘附性，改善瀝青的路用性能。因此，本文選用Sasobit作為本文改性瀝青研究的溫拌劑。

3 阻燃溫拌SBS改性瀝青制備

3.1 正交試驗(yàn)

采用前文溫拌阻燃SBS改性瀝青制備方法，DBDPE阻燃劑與Sasobit溫拌劑作為改性劑，以阻燃劑摻量、溫拌劑摻量及瀝青制備剪切溫度作為試驗(yàn)因素，以軟化點(diǎn)、延度、極限氧指數(shù)作為高低溫性能及阻燃性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，展開阻燃溫拌SBS改性瀝青制備研究。根據(jù)廠家推薦制備參數(shù)，本文擬定DBDPE阻燃劑試驗(yàn)摻量分別為8%、10%、12%，Sasobit溫拌劑試驗(yàn)摻量分別為2%、3%、4%，制備剪切溫度分別為140 ℃、150 ℃、160 ℃。為提高試驗(yàn)效率，本文采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。表5為正交試驗(yàn)因素水平表，表6為L9（33）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表。

3.2 正交結(jié)果分析

按照表6試驗(yàn)參數(shù)制備阻燃溫拌SBS改性瀝青，并進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)、延度試驗(yàn)及極限氧指數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果見表7。

采用均值分析法進(jìn)行各因素水平對(duì)瀝青性能的影響研究。均值分析法是指選擇單一因素不同影響水平為研究對(duì)象，計(jì)算相同水平試驗(yàn)組指標(biāo)結(jié)果均值，以該均值表征該因素水平對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的影響［4］。對(duì)表7試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行均值分析，繪制影響因素-指標(biāo)結(jié)果關(guān)系曲線見圖3～5。

3.2.1 高溫性能

DBDPE阻燃劑與Sasobit溫拌劑均可提高SBS改性瀝青高溫性能。由圖5可知，隨DBDPE摻量增加，瀝青軟化點(diǎn)增加，隨Sasobit摻量增加，軟化點(diǎn)呈現(xiàn)先增加而后略微下降現(xiàn)象，DBDPE與Sasobit的摻量水平1至水平3過程，軟化點(diǎn)整體呈現(xiàn)上升趨勢，且原樣SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)為78.8 ℃，低于阻燃劑或溫拌劑在摻量水平1時(shí)的軟化點(diǎn)。

提高制備時(shí)剪切溫度，有利于提高阻燃溫拌SBS改性瀝青高溫性能。由圖5可知，隨制備剪切溫度提高，瀝青軟化點(diǎn)均值持續(xù)升高，剪切溫度由140 ℃提高至160 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的軟化點(diǎn)由83.7 ℃提高至86.3 ℃。這可能是因?yàn)榧羟袦囟仍礁?，越利于阻燃劑和溫拌劑與瀝青融合。

3.2.2 低溫性能

DBDPE阻燃劑與Sasobit溫拌劑的摻入會(huì)劣化改性瀝青低溫性能，由圖6可知，隨阻燃劑摻量增加，瀝青延度先增大后減小，整體呈現(xiàn)下降趨勢；隨溫拌劑摻量增加，瀝青延度持續(xù)降低。說明阻燃劑與溫拌劑摻量越大，越不利于阻燃溫拌SBS改性瀝青的低溫性能。

剪切溫度對(duì)瀝青的低溫性能影響較小。由圖6可知，隨剪切溫度升高，瀝青延度均值變化曲線平緩，說明剪切溫度對(duì)瀝青延度影響較小。

3.2.3 阻燃性能

DBDPE阻燃劑與Sasobit溫拌劑均可提升瀝青的阻燃性能。由圖7可知，隨阻燃劑與溫拌劑摻量增加，極限氧指數(shù)曲線均呈現(xiàn)上升趨勢，極限氧指數(shù)越高，瀝青產(chǎn)生有焰燃燒所需的氧含量越高，從而越不易燃燒，阻燃性能越好。另一方面，阻燃劑摻量對(duì)應(yīng)的極限氧指數(shù)曲線上升斜率最大，說明阻燃劑摻量對(duì)瀝青阻燃性能影響較顯著，增大阻燃劑摻量，可有效提升瀝青的阻燃性能。

剪切溫度對(duì)瀝青阻燃性能影響甚微。圖7中剪切溫度的極限氧指數(shù)曲線先略微上升，而后下降，且變化幅度較小，說明剪切溫度對(duì)瀝青極限氧指數(shù)影響不大。

3.3 pearson相關(guān)性分析

為研究各因素對(duì)瀝青性能顯著性，優(yōu)選阻燃溫拌SBS改性瀝青制備參數(shù)，采用SPSS軟件對(duì)表7結(jié)果進(jìn)行pearson相關(guān)性分析，計(jì)算結(jié)果見表8。

阻燃劑摻量對(duì)各指標(biāo)影響程度由大到小排序?yàn)闃O限氧指數(shù)gt;軟化點(diǎn)gt;延度，且對(duì)極限氧指數(shù)與軟化點(diǎn)指標(biāo)為顯著性影響，說明阻燃劑摻量對(duì)SBS改性瀝青的高溫性能及低溫性能影響顯著，結(jié)合前文各指標(biāo)隨阻燃劑摻量變化趨勢，確定阻燃劑摻量為10%。

溫拌劑摻量對(duì)瀝青各項(xiàng)指標(biāo)影響程度排序?yàn)檠佣萭t;極限氧指數(shù)gt;軟化點(diǎn)，因此溫拌劑摻量選擇為2%；剪切溫度對(duì)瀝青各項(xiàng)指標(biāo)影響程度排序?yàn)檐浕c(diǎn)gt;極限氧指數(shù)gt;延度，因此剪切溫度選擇為160 ℃。

4 結(jié)語

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)阻燃劑與溫拌劑材料進(jìn)行優(yōu)選及開展基于正交試驗(yàn)的阻燃溫拌SBS改性瀝青制備研究，得出以下結(jié)論：

（1）DBDPE阻燃劑與DBDPO阻燃劑的阻燃性能較好，但DBDPO抑煙效果不佳；Sasobit溫拌劑在低溫區(qū)可提高SBS改性瀝青黏度，且高溫區(qū)可有明顯降黏效果，因此選擇DBDPE與Sasobit分別作為SBS改性瀝青的阻燃劑與溫拌劑。

（2）提高DBDPE阻燃劑與Sasobit溫拌劑摻量有利于SBS改性瀝青高溫性能，且在一定程度上改善其阻燃性能，但也會(huì)劣化瀝青的低溫性能；提高制備剪切溫度可提高瀝青高溫性能，而對(duì)低溫性能及阻燃性能影響較小。

（3）結(jié)合瀝青性能指標(biāo)隨研究因素變化特征及pearson相關(guān)性研究進(jìn)行分析得出：阻燃溫拌SBS改性瀝青的DBDPE阻燃劑摻量為10%，Sasobit溫拌劑摻量為2%，剪切溫度為160 ℃。

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收稿日期：2022-11-01