長隧道阻燃SBS 改性瀝青混凝土性能和施工研究

王藝洋

（青海省交通工程技術(shù)服務(wù)中心，青海 西寧 810000）

0 引 言

瀝青混凝土具有優(yōu)異的抗滑性能和降噪性能，目前已被廣泛應(yīng)用于長隧道領(lǐng)域[1-2]，但也因此引入了火災(zāi)風險。由于長隧道通風系統(tǒng)不足，只要出現(xiàn)火災(zāi)，易產(chǎn)生嚴重的安全隱患[3]。為了解決該問題，隧道防火研究已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注，例如隧道路面的阻燃瀝青材料。目前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)方案主要分為2 種：（1）利用開級配瀝青磨耗層；（2）在瀝青混凝土中引入阻燃劑[4-5]。具體對于利用開級配瀝青磨耗層，由于其內(nèi)部存在很多交聯(lián)孔道，在出現(xiàn)火災(zāi)后，會有效吸收暴露在明火之中的易燃物、可燃物液體，從而阻礙火災(zāi)的擴展，降低火災(zāi)的危害程度，但其無法從根本解決火災(zāi)發(fā)生的問題。對于在瀝青混凝土中引入阻燃劑，可以阻礙其燃燒，但該方法也存在明顯的缺陷，包括阻燃劑的使用不利于環(huán)保和健康，增加隧道建設(shè)成本，同時會降低瀝青混凝土的穩(wěn)定性，降低其服役壽命等問題。

針對上述問題，本文采用環(huán)保阻燃劑制備了阻燃SBS 改性瀝青混凝土，并驗證了其阻燃性能、穩(wěn)定性和施工性，為其在長隧道領(lǐng)域的實際應(yīng)用提供了理論指導和技術(shù)支持，具有重大的工程價值。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

SBS 改性瀝青，杭州民申防水材料有限公司；高效阻燃劑（HF-216，白色粉末，含溴量≥80%，1.2 g/cm3，溶解溫度≥140 ℃，平均粒徑1~5 μm），湖北友豐科技有限公司；灰綠巖和石灰?guī)r礦粉，東莞易天新材料有限公司。

1.2 實驗儀器與設(shè)備

高速剪切機（GS-1），滄州鈺展儀器設(shè)備有限公司；溫度數(shù)顯恒溫油浴鍋（HH-S），鵬艾鑫儀器設(shè)備有限公司。

1.3 樣品制備

首先通過摻雜阻燃劑制備阻燃SBS 改性瀝青，即通過油浴鍋將SBS 改性瀝青升溫到160 ℃，降低其黏度。隨后在機械攪拌過程中，向瀝青中緩慢添加阻燃劑，使其分散均勻，再將瀝青通過高速剪切機快速攪拌，進一步提高樣品的均勻性[6]。

隨后按照一定的配比值分別稱量SBS 改性瀝青、灰綠巖、石灰?guī)r礦粉，并將其混合分散均勻后，澆鑄至不銹鋼模具中成型固化，直至樣品質(zhì)量穩(wěn)定。

1.4 阻燃性能測試

對于阻燃性能，本文基于GB/T16172-2007/ISO 5660-1：2002，ASTME 1354 和ASTME 1550 標準，采用錐形量熱計技術(shù)對阻燃SBS 改性瀝青混凝土進行了測試，即英國FTT 公司的標準型錐形量熱儀。為了減小誤差，確保試驗結(jié)果的準確性，通過模具將樣品尺寸控制為10 cm×10 cm×3 cm，并采用鋁箔包裹樣品的非測試面，同時在樣品底部放置隔熱層。測試過程中，將各項參數(shù)設(shè)置成熱流輻射強度45 kW/m2，氣流速度25 L/s。

1.5 水穩(wěn)定性測試

水穩(wěn)定性測試方法參照JTG F40－2004 和JTG E20-2011。對于浸水試驗，將樣品置于30 ℃的恒溫水槽中浸泡48 h，隨后將馬歇爾試驗儀的上下壓頭放入水槽中達到同樣溫度，啟動加載設(shè)備，使樣品承受荷載，加載速度為50 mm/min，測試樣品力學性能。對于凍融劈裂試驗，將樣品置于水槽中并通過恒溫冰箱降溫至-18 ℃保持16 h，隨后取出樣品立刻放置于60 ℃恒溫水槽中保溫，24 h 后取出樣品，以50 mm/min 加載速度測試樣品的力學性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻燃SBS 改性瀝青混凝土阻燃性能

極限氧指數(shù)作為劃分材料易燃性的參數(shù)，是驗證阻燃SBS 改性瀝青混凝土阻燃性的重要指標，其中極限氧指數(shù)不高于21%的材料具有易燃性，介于21%~27%的材料具有可燃性，而大于27%的材料則為自熄滅材料。我們對未改性和制備得到的改性SBS 瀝青混凝土的阻燃性能測試，由圖1 可知，對于未添加阻燃劑的傳統(tǒng)SBS 改性瀝青混凝土，其極限氧指數(shù)僅為20.5%，可視為易燃材料；而阻燃SBS改性瀝青混凝土的極限氧指數(shù)明顯增加，達到27.4%，可視為自熄滅材料，說明阻燃劑的添加可以顯著提高瀝青混凝土的阻燃性能。

圖1 不同混凝土樣品極限氧指數(shù)Fig. 1 The limit oxygen index of different concrete samples

引燃時間TTI 作為評價阻燃SBS 改性瀝青混凝土阻燃性能的另一個重要指標，定義為混凝土處于某一溫度環(huán)境中受熱時，表面從受熱到持續(xù)出現(xiàn)燃燒所需要的時間。處于相同溫度下，TTI 值越高，即混凝土的阻燃性能越優(yōu)異。由圖2 可知，在相同溫度環(huán)境中，阻燃SBS 改性瀝青混凝土的TTI 值長達241±13 s，較未添加阻燃劑的對比樣提高了56 s，顯示出優(yōu)異的阻燃效果。這是由于引入的阻燃劑在受熱時會優(yōu)先發(fā)生分解反應(yīng)，內(nèi)部的化學鍵斷裂吸收大量的熱量，從而抑制了燃燒的發(fā)生。

圖2 不同混凝土樣品引燃時間Fig. 2 The ignition time of different concrete samples

基于阻燃劑的抑制作用，阻燃SBS 改性瀝青混凝土在燃燒時需要吸收更多熱量，因此也增加了其燃燒終止時間。如圖3 所示，阻燃SBS 改性瀝青混凝土的燃燒時間達到了998 s，較未添加阻燃劑的對比樣延長了58 s，對于增加時間的比例而言，這種程度的增加并不顯著（67/929=7.2%），但對于高溫環(huán)境下的可燃材料，增加的58 s 足以使逃生人員多跑出300 m 以上，可以有效地保障逃生人員的生命安全。

圖3 不同混凝土樣品燃燒終止時間Fig. 3 The termination time of combustion of different concrete samples

熱釋放速率HRR 是評價阻燃SBS 改性瀝青混凝土阻燃性能的另一個重要參數(shù)，是指混凝土在燃燒時的單位面積和時間釋放的熱量。處于相同環(huán)境中，混凝土燃燒時的HRR 值越高，則產(chǎn)生的影響越嚴重。由圖4 可知，2 種混凝土在燃燒時的熱釋放形式相同，HRR 均隨著時間先增加再降低，隨后再增加再降低，出現(xiàn)兩個拐點。然而，阻燃SBS 改性瀝青混凝土在燃燒的過程中，HRR 達到最大值需要305 s，遠慢于未添加阻燃劑的對比樣（198 s），并且HRR 保持較高水平的時間也明顯減少。更重要的是，阻燃SBS 改性瀝青混凝土的HRR 最大值僅為89.5 kW/m2，較未添加阻燃劑的對比樣（120.6 kW/m2）降低了23.3%，顯示出優(yōu)異的抑制熱量釋放作用。在長隧道這類較為密閉的環(huán)境中，如果出現(xiàn)火災(zāi)，由于熱量的快速聚集會加速火災(zāi)拓展，易產(chǎn)生爆炸的風險，因此阻燃SBS 改性瀝青混凝土的使用可以有效地緩解該問題。

圖4 不同混凝土樣品熱釋放速率Fig. 4 The heat release rates of different concrete samples

失重率是阻燃SBS 改性瀝青混凝土在燃燒時的質(zhì)量損失速度，可以顯示出其燃燒程度，即失重率越高，火災(zāi)程度和損害就越嚴重。如圖5 所示，在整個燃燒過程中，阻燃SBS 改性瀝青混凝土的失重率均低于未添加阻燃劑的對比樣；至燃燒結(jié)束時，其失重率僅為2.13%，遠低于對比樣（2.87%），意味著阻燃劑的引入能顯著減小混凝土在著火后的損失率，使其在火災(zāi)后依舊能保持良好的服役狀態(tài)，減少后期維護維修成本，有利于火災(zāi)后重建。

圖5 不同混凝土樣品的失重率Fig. 5 The weight loss rates of different concrete samples

瀝青混凝土在燃燒后會快速形成煙霧，不僅影響行車人員視線，易造成車禍，行車人員在吸入煙霧后會影響身體健康，甚至導致窒息。因此，總生煙量（單位面積混凝土燃燒后產(chǎn)生的煙霧量）也是評價火災(zāi)嚴重程度的重要指標。如表1 所示，阻燃SBS改性瀝青混凝土的總生煙量為796.3 m2/m2，較未添加阻燃劑（894.6 m2/m2）的對比樣降低了10%以上，可以有效降低煙霧的產(chǎn)生。

表1 不同瀝青混凝土總生煙量Table 1 The total smoke production of different asphalt concrete samples

類似的，一氧化碳/二氧化碳生成量也同樣重要。如表2 所示，阻燃SBS 改性瀝青混凝土在著火后產(chǎn)生的一氧化碳和二氧化碳排放量分別為0.04 kg/kg 和1.58 kg/kg，較未添加阻燃劑的對比樣分別降低了40.1%和5.8%，一方面表明阻燃SBS 改性瀝青混凝土有限抑制了燃燒，另一方面表明其可以有效減少一氧化碳/二氧化碳的排放量。

表2 不同瀝青混凝土一氧化碳和二氧化碳產(chǎn)生量Table 2 The production of carbon monoxide and carbon dioxide of different asphalt concrete smples

燃燒是瀝青混凝土處于充分氧氣和外部熱源環(huán)境中，在表面產(chǎn)生的系列化反應(yīng)。當瀝青混凝土受熱后會產(chǎn)生大量的可燃氣體、小部分的一氧化碳/二氧化碳和微量的殘留物。如果可燃氣體的濃度增加至閾值以上，在足夠的外部熱源下，瀝青混凝土即出現(xiàn)燃燒。基于能量守恒定律，瀝青混凝土燃燒時具有如下關(guān)系：

其中，Q 為外部熱源提供的熱量，Qb為瀝青混凝土燃燒熱，Qd為瀝青混凝土分解熱，Ql為耗散熱。

若Qb≥Qd+Ql，即燃燒熱大于燃燒所需的能量時，瀝青混凝土即可保持自燃。這里Ql受外部環(huán)境影響，燃燒環(huán)境往往復雜多變，難以控制；而Qb和Qd由材料性質(zhì)決定，可以通過改變?yōu)r青混凝土的構(gòu)成進行調(diào)整。因此，通過引入阻燃劑，可以使瀝青混凝土受熱時優(yōu)先發(fā)生分解反應(yīng)，內(nèi)部的化學鍵斷裂吸收大量的熱量，即增大Qd并減少了Qb，從而實現(xiàn)阻燃性能。

2.2 阻燃SBS 改性瀝青混凝土穩(wěn)定性

混凝土由于其多孔結(jié)構(gòu)，極易吸附水分，在受凍后孔洞內(nèi)的水分結(jié)冰，體積發(fā)生膨脹，對混凝土產(chǎn)生應(yīng)力，在反復凍融循環(huán)后，會導致混凝土開裂，嚴重影響隧道道路的使用安全。因此，測試了阻燃SBS 改性瀝青混凝土的水穩(wěn)定性，評估其抵抗水分損傷的能力。首先將樣品置于水中浸泡，測試其機械性能的變化程度，具體測試方法可參考JTG E20-2011 和JTG F40－2004。經(jīng)測試，浸泡后阻燃SBS 改性瀝青混凝土力學強度仍保持原始樣品的91.6%，大于規(guī)范要求值（85%），有利于其實際應(yīng)用，而未添加阻燃劑的傳統(tǒng)SBS 改性瀝青混凝土則保留力學強度的92.3%，說明阻燃劑的添加對于混凝土的水穩(wěn)定性幾乎沒有影響，即阻燃SBS 改性瀝青混凝土具備優(yōu)異的水穩(wěn)定性。為了進一步驗證阻燃SBS 改性瀝青混凝土的水穩(wěn)定性，我們還測試了其凍融循環(huán)后的機械性能。阻燃SBS 改性瀝青混凝土在試驗后，力學強度仍具有試驗前樣品的93.3%，大于規(guī)范要求值（80%），而未添加阻燃劑的傳統(tǒng)樣品則保留力學強度的94.1%，因此阻燃SBS 改性瀝青混凝土可滿足實際應(yīng)用要求。

除了水穩(wěn)定性以外，動穩(wěn)定度同樣決定了阻燃SBS 改性瀝青混凝土的服役壽命。為了說明阻燃SBS 改性瀝青混凝土的動穩(wěn)定度。基于JTG E20-2011 中的相關(guān)測試方法，開展了車轍測試。經(jīng)試驗（試驗條件：溫度60 ℃，輪壓0.7 MPa），阻燃SBS 改性瀝青混凝土的動穩(wěn)定度高達5 446 次/mm，遠高于實際應(yīng)用要求的3 000 次/mm，同時其與未添加阻燃劑的傳統(tǒng)改性瀝青混凝土的動穩(wěn)定度相近（5 524 次/mm），具有優(yōu)異的動穩(wěn)定度。

我國土地遼闊，氣候差異也極為明顯，為了使阻燃SBS 改性瀝青混凝土具有更廣泛的適用性，應(yīng)保證其具有低溫穩(wěn)定性，例如當用于東北地區(qū)，其冬季溫度可低至-40 ℃。因此采用JTG E20-2011中的相關(guān)規(guī)程標準，測試了阻燃SBS 改性瀝青混凝土的低溫穩(wěn)定性。經(jīng)測試，阻燃SBS 改性瀝青混凝土在低溫環(huán)境下的抗拉強度、抗拉應(yīng)變和勁度模量分別為9.77 MPa，3 755 με 和2 580 MPa。然而，未添加阻燃劑的傳統(tǒng)SBS 改性瀝青混凝土這3 項性能分別為8.97 MPa，3 624 με 和2 331 MPa，甚至略低于阻燃SBS 改性瀝青混凝土，說明后者提高了低溫穩(wěn)定性，可以進一步推動實際應(yīng)用。

2.3 阻燃SBS 改性瀝青混凝土施工

雖然實驗室小批量制備的阻燃SBS 改性瀝青混凝土具備優(yōu)異的阻燃性和穩(wěn)定性，滿足實際應(yīng)用要求，但批量化制備施工時，往往結(jié)果無法盡如人意，例如性能出現(xiàn)降低、混凝土發(fā)生開裂等問題。為了驗證阻燃SBS 改性瀝青混凝土的實際應(yīng)用前景，我們在實際道路上進行了施工并測試了相關(guān)性能指標。

阻燃SBS 改性瀝青混凝土施工方案與實驗室制備相似，而工藝包括：瀝青加熱溫度為160 ℃，礦料加熱溫度為200 ℃，拌合溫度為150 ℃，攤鋪溫度為180 ℃，初壓溫度為160 ℃，終壓溫度為100 ℃。施工制得的阻燃SBS 改性瀝青混凝土通過現(xiàn)場鉆芯取樣進行了測試，其表面層厚度為40 mm，壓實度95.5%，孔隙率為4.2%，平整度為0.68。根據(jù)文獻中報道的方法對施工樣品進行了評級，最終得分約為84.7，介于80 至85 分之間，因此認定該阻燃SBS 改性瀝青混凝土的工程質(zhì)量等級達到4 級，可以滿足實際應(yīng)用要求[7-8]。

3 結(jié) 論

本研究通過在SBS 改性瀝青中摻雜阻燃劑的方法，制備了一種適用于長隧道的阻燃SBS 改性瀝青混凝土，通過與未添加阻燃劑的傳統(tǒng)SBS 改性瀝青混凝土對比，發(fā)現(xiàn)前者具備良好的阻燃性、穩(wěn)定性和施工工程質(zhì)量，為解決長隧道火災(zāi)風險的問題提供了思路。具體結(jié)論如下：

(1)阻燃SBS 改性瀝青混凝土的點燃時間、熱量釋放速度、產(chǎn)生的煙霧量以及一氧化碳和二氧化碳排放量這些阻燃性能參數(shù)都遠優(yōu)于未添加阻燃劑的傳統(tǒng)樣品，具有優(yōu)異的阻燃效果。

(2)阻燃SBS 改性瀝青混凝土具有優(yōu)異的水穩(wěn)定性、動穩(wěn)定度和低溫穩(wěn)定性，說明其服役壽命與未添加阻燃劑的傳統(tǒng)樣品相近。

(3)通過在公路上施工制備了阻燃SBS 改性瀝青混凝土，經(jīng)檢驗，其表施工工程質(zhì)量達到4 級，可以滿足實際應(yīng)用需求。