公路隧道溫拌阻燃瀝青研究進展

張欣，王長偉，凌愛城，鄭軍濤，陳迪，張乾，趙品暉

（1.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南264001；2.山東建筑大學，山東 濟南250101）

我國公路建設隨著經濟快速發展和交通強國戰略實施，公路總里程截止到2021年末已超過519.81 萬公里，其中高速公路通車里程16.10 萬公里，排名世界第一。公路隧道作為公路系統的重要組成部分，其數量多達21316 處，共2199.93 萬延米。[1]然而，隧道施工過程中瀝青煙霧會對工人的身體健康造成安全隱患，隧道交通事故中瀝青路面的燃燒也會造成高溫和人員傷亡。為了解決這些問題，可以通過加入溫拌劑和阻燃劑對瀝青進行改性，以降低施工溫度和改善瀝青阻燃性能，確保隧道交通安全平穩運行。阻燃瀝青技術可通過向瀝青混合料中添加阻燃劑來實現，其阻燃機理包括吸收熱量阻燃、在燃燒表面形成覆蓋層阻燃、捕捉自由基阻燃和產生惰性氣體阻燃。目前主要的阻燃劑類型包括有機類、無機類、復合類和納米類。本論文綜述了溫拌阻燃瀝青技術的作用機理和解決的主要問題，同時展望了未來發展趨勢。

1 阻燃瀝青技術分類及研究進展

1.1 阻燃技術的分類

1.1.1 添加阻燃劑

目前，最主要的阻燃方式是向瀝青混合料中添加阻燃劑，而阻燃劑的阻燃機理主要可分為吸收熱量阻燃、在燃燒表面形成覆蓋層阻燃、捕捉自由基阻燃、產生惰性氣體阻燃。阻燃劑可按組成成分分為有機、無機、復合和納米類。

有機類阻燃劑主要分為鹵系和有機磷系。鹵系阻燃劑包括碘、氯和溴，如十溴二苯乙烷和氯化石蠟。其阻燃機理包括吸收熱量、產生惰性氣體和捕捉自由基。但其燃燒過程容易產生有害物質且放煙量大。有機磷系阻燃劑具有低鹵、高效和放煙量小的優點，可以促進表面生成炭覆蓋層以達到阻燃目的。但由于其具有毒性和致癌性，大量使用可能污染環境并對施工人員造成傷害。

無機類阻燃劑主要包括金屬氫氧化物、無機磷系和無機硼系阻燃劑。金屬氫氧化物阻燃劑環保、放煙量少、無毒，但阻燃效果較差。無機磷系阻燃劑包括聚磷酸銨和紅磷，聚磷酸銨阻燃性能好，但抑煙性差，紅磷阻燃效果好但易氧化。無機硼系阻燃劑以硼酸鋅最典型，具有良好的阻燃和抑煙性能，能形成炭覆蓋層防止瀝青熔滴。總體而言，無機類阻燃劑相對于有機類阻燃劑具有較好的環保性能，但在阻燃效果、抑煙性等方面仍需進一步優化。

納米類阻燃劑為半導體或金屬材料，因其本身結構特性，能在一定程度上減少加入傳統阻燃劑對瀝青混合料的路用性能造成的不良影響，目前常用的納米類阻燃劑可分為：蒙脫土、石墨烯、納米級金屬氫氧化物等。

復合阻燃劑是由兩種或兩種以上的阻燃劑組成，包括鹵、銻、磷、氮、金屬氫氧化物、石墨、納米材料等。其作用是消除單一阻燃劑對瀝青或瀝青混合料路用性能的不良影響，提升阻燃抑煙性能。常見的復合阻燃劑有FRMAX 和膨脹型復合阻燃劑（IFR）。IFR 是一種環保復合阻燃劑，其受熱分解時形成密實炭層，能夠阻隔可燃氣體、防止瀝青熔滴、抑煙作用，達到阻燃抑煙目的。

1.1.2 添加不可燃礦物纖維阻燃

從瀝青路面組成成分的整體出發，集料中的木質纖維、礦粉等采用不可燃礦物纖維替代。由于礦物纖維本身含有羥基的阻燃基，受熱釋水后吸收熱量同時脫水后迅速成炭形成保護層，從而達到阻燃的目的。

1.1.3 高空隙率型路面結構阻燃

高空隙率的瀝青路面主要在三方面起到阻燃的作用：第一，當路面發生事故涉及到可燃性液體泄漏時，高孔隙率的瀝青路面結構會迅速將可燃液體吸收到內部，阻止在路面表層燃燒。第二，由于高孔隙率的路面內部氧氣含量較少，迅速吸入瀝青路面內部的燃料得不到燃燒。第三，由于液體燃料大部分被吸入，所以在路面表面得不到大面積擴散，因此而達到阻燃目的。

1.2 阻燃技術研究進展

2007年姜汶泉等人通過馬歇爾試件燃燒實驗、隧道模擬瀝青混凝土路面燃燒實驗發現阻燃瀝青混合料的阻燃性能要好于SBS 改性瀝青混合料，且隧道瀝青混凝土路面的防火和阻燃層厚度應該不小于4cm[2]。2013年，劉細軍等發現氫氧化鋁作為阻燃劑的可以提高混合料的阻燃性能，且能提高混合料的高溫穩定性[3]。2013年，AliceBonati 等學者研究了納米復合性材料與傳統阻燃劑的綜合作用對瀝青混合料阻燃性能的影響。氫氧化鋁、氫氧化鎂等與納米復合材料同時作用可以有效提升瀝青混合料的阻燃性能[4]。2014年，張婷等人對SMA 瀝青混合料的阻燃性能進行了研究，發現采用硅藻土、氫氧化鎂及硅樹脂組成的復合阻燃劑能夠提高SMA 的阻燃性能，且對瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性都有改善作用[5]。2015年，武斌發現氫氧化鋁（ATH）與氫氧化鈣（HL）按照1:1 制備的復合阻燃劑相較于單一氫氧化物阻燃劑具有較高的阻燃性與抑煙能力，并且其可以替代瀝青混合料中的部分礦粉，相較于單一阻燃劑，增強了瀝青混合料的力學性能與路用性能[6]。2021年，XiaWJ 等發現納米阻燃劑可以有效抑制瀝青在混合料中的燃燒效果，在混合料的表面形成致密穩定的炭渣，減少瀝青混合料燃燒冷凝與氣相煙氣的釋放與質量損失[7]。

2 溫拌瀝青技術分類及研究進展

2.1 瀝青路面溫拌技術分類

2.1.1 使用瀝青降粘技術

瀝青降粘技術是為了降低瀝青的高溫粘度而添加降粘劑，以實現溫拌的目的。目前常用的降粘劑有Sasobit、EC-120 和Asphaltan-B。Sasobit 在超過114 ℃時通過攪拌溶解于瀝青中，能夠降低高溫粘度，但會降低阻燃性能和長期水穩定性。EC-120 超過110℃后完全溶解于瀝青中，降低高溫粘度，提高低溫粘度，有助于抗老化。Asphaltan-B 的熔點與EC-120 接近，能夠提高瀝青流動性，實現溫拌的目的，也能提高壓實度與抗車轍能力。

2.1.2 表面活性平臺技術

Evotherm 溫拌劑是基于表面活性平臺技術的溫拌劑，通過將乳化劑添加到含水瀝青中來降低其粘度，使拌和溫度降至100 攝氏度左右。拌和過程中，表面活性添加劑、水、瀝青一起形成結構性水膜，潤滑不受溫度影響，有效防止瀝青粘度增加，提高拌和性，從而實現溫拌。

此外，山東建筑大學的王立志、趙品暉等人開發了新型的油溶性溫拌劑，可以直接加入到瀝青中，通過潤滑作用降低混合料的生產溫度，對混合料路用性能的影響較小。

2.1.3 瀝青發泡技術

瀝青發泡技術是通過將水與熱瀝青混合，使水迅速變成水蒸氣，從而實現瀝青體積膨脹、粘度降低的技術。常用的技術有WMA-Foam 溫拌技術、沸石降粘技術和低能量瀝青（LEA）技術。WMA-Foam 溫拌技術采用兩階段法生產溫拌瀝青混合料，而沸石降粘技術則利用沸石中的孔腔吸附水分子，在加熱過程中迅速釋放水蒸氣使瀝青發泡。LEA 技術則是先將瀝青與粗集料加熱拌和，再將水與細集料拌和，最后將濕潤的細集料加入粗集料與瀝青的混合料中，使瀝青發泡并降低粘度。這些技術都能實現溫拌效果，具有降低能耗、環保、提高路用性能等優點。

2.2 溫拌技術研究進展

2011年，劉勇制備了丙烯酸十八酯-苯乙烯-馬來酸酐（SSM）共聚物作為降粘劑，將其添加到基質瀝青中，研究了SSM 共聚物對基質瀝青性能的影響規律并探討了溫拌作用機理[8]。2013年，王玲研究發現Sasobit 降粘劑會降低瀝青的高溫粘度，改善瀝青的流變性能[9]。2014年，楊躍煥研究發現泡沫溫拌SBS 改性瀝青和表面活性劑溫拌SBS 改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力降低，低溫抗裂性增強[10]。2017年，黃剛等人則發現Sasobit 溫拌瀝青與表面活性劑型DAT 溫拌瀝青對短期水穩定性影響較小。但Sasobit 會降低長期水穩定性，且能夠提高高溫穩定性和降低低溫穩定性。而DAT 則對瀝青混合料高低溫性能影響較小[11]。韋萬峰2018年研究發現水量是影響瀝青發泡的主要因素，摻入溴化銨可提高泡沫瀝青的水穩定性，路用性能與熱拌瀝青相當[12]。

3 溫拌阻燃瀝青混合料研究進展

鄧祥明等人于2017年使用極限氧指數和黏度等實驗分析了Sasobit 溫拌劑和FRMAXTM 阻燃劑對瀝青和混合料的影響。研究表明，Sasobit 溫拌劑會提高抑煙性能，但對阻燃性能不利；Sasobit 溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑對SBS 改性瀝青混合料的高溫性能沒有影響，但會降低其低溫性能、抗疲勞性能和抗水損傷能力。[13]2020年，WanZM 等對Evotherm 溫拌劑預濕處理的氫氧化鋁阻燃劑的溫拌阻燃瀝青進行研究，發現添加顆粒狀阻燃劑和水滑石混合可提高瀝青混合料的限氧指數，形成自熄滅材料[14]。2021年，ChenR 等人對使用反應性聚合物（RPFR）阻燃劑的環保環氧樹脂瀝青（WEAB）的溫拌阻燃性能進行研究，RPFR 的加入增加了WEAB 的限氧指數與熱穩定性，且RPFR 中的環氧基團與環氧瀝青中的固化劑反應降低了瀝青的粘度，延長了施工時間，達到溫拌的目的[15]。同年，JiangQ 等得出3.5%EC-120溫拌劑與8%FRAMAX 阻燃劑與瀝青拌合達到良好的溫拌阻燃效果，可以減少45.5%的VOC 排放[16]。

4 結論與展望

溫拌阻燃瀝青技術同時實現了溫拌與阻燃效果，降低了瀝青混合料的拌和溫度，減少了有毒煙氣的排放，有效防止了在隧道工程中發生火災事故引燃瀝青路面造成的人員傷亡。但在后續的研究中重點解決以下問題：

（1）目前的評價指標體系對抑煙性能的研究較少，需要建立完整全面的溫拌阻燃、抑煙性能評價體系；

（2）亟需研究開發綠色環保、穩定且對瀝青混合料路用性能影響小的復合協同溫拌阻燃劑；

（3）缺乏對瀝青路面整體設計，在瀝青混合料中的級配選擇與面層結構方面研究較少；

（4）溫拌阻燃機理研究相對匱乏，尤其是需要從微觀層面研究相互之間的作用機理。