隧道路面溫拌阻燃復(fù)合改性瀝青混合料性能研究

摘要：文章通過正交試驗(yàn)分析溫拌劑和阻燃劑摻量、制備溫度對溫拌阻燃SBS復(fù)合改性瀝青的三大指標(biāo)、極限氧指數(shù)的影響，確定復(fù)合改性瀝青最優(yōu)制備方案為A3B3C 并采用一系列室內(nèi)試驗(yàn)分別驗(yàn)證了溫拌劑和阻燃劑對于復(fù)合改性瀝青混合料性能的影響。結(jié)果表明，溫拌劑、阻燃劑不但能夠提高SBS改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力和低溫抗裂性，而且可以明顯提高復(fù)合改性瀝青混合料的阻燃性能、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但會降低其水穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：隧道工程；溫拌阻燃技術(shù)；復(fù)合改性；瀝青混合料；路用性能

中圖分類號：U416.217

0 引言

隨著高等級公路的快速發(fā)展，公路隧道在經(jīng)驗(yàn)技術(shù)、規(guī)模等方面也有了很大的突破，目前我國已成為世界上隧道最多的國家［1-3］。在山區(qū)修建高速公路時，由于平面線形及縱坡度的要求較為嚴(yán)格，在不采用隧道通過時會產(chǎn)生巨大的土石方量，而且還會破壞已有的生態(tài)環(huán)境，因此多采用修建隧道方式［4-6］。由于瀝青路面具備良好的抗滑降噪和行車舒適性，且容易養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，隧道路面已經(jīng)從傳統(tǒng)的水泥混凝土路面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青路面，但由于長隧道內(nèi)空間較小，通風(fēng)較差，瀝青路面材料在高溫環(huán)境中釋放的廢氣及施工過程中產(chǎn)生的粉塵和施工車輛的尾氣會在隧道內(nèi)難以排出，而且瀝青是一種可燃物，燃燒過程中會釋放大量有毒有害氣體，在封閉的空間內(nèi)極易引發(fā)火災(zāi)［7-8］。為解決這一難題，科研人員不斷探索，采用溫拌技術(shù)和阻燃技術(shù)達(dá)到降低施工溫度、減少煙塵、廢氣和降低瀝青材料的燃燒性能，保證隧道在施工過程和運(yùn)營期間的防火安全的目的。

龍云霄等［9］分析了Evotherm溫拌劑對瀝青性能的影響和降溫效果研究，并評價了溫拌劑阻燃劑對于改性瀝青混合料的綜合使用性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)摻加溫拌劑阻燃劑后能夠提高瀝青混合料的高溫、低溫和阻燃性能，但同時降低了其水穩(wěn)定性。侯寧寧［10］采用不同的試驗(yàn)方法對瀝青的阻燃性能、不同級配類型的瀝青混合料路用性能及社會經(jīng)濟(jì)效益展開研究，結(jié)果表明無機(jī)系與膨脹系的阻燃劑阻燃效果均較好，且阻燃劑溫拌劑加入后對于改性瀝青混合料的高低溫和水穩(wěn)定性均有一定改善作用；針對級配類型，SMA抑煙效果較佳，而OGFC級配在降低熱量釋放方面更好，且溫拌劑與阻燃劑加入后能夠有效降低有害氣體排放量，在加熱階段溫拌劑可節(jié)省燃油23.7%。結(jié)合已有研究［11-12］，本文將溫拌技術(shù)與阻燃技術(shù)結(jié)合在一起，進(jìn)一步分析溫拌阻燃劑對于SBS改性瀝青混合料綜合性能的影響，為實(shí)際工程提供理論參考。

1 原材料性能與配合比設(shè)計

1.1 原材料

選用殼牌SBS（I-D型）改性瀝青，改性瀝青技術(shù)性能見表1。溫拌劑采用EC-120，常溫為微黃色顆粒狀，其135 ℃黏度為12 cp，凝固點(diǎn)為100 ℃，這種溫拌劑不但會降低瀝青的高溫黏度，而且不會對低溫黏度產(chǎn)生不利影響，能夠明顯降低瀝青混合料的拌和、壓實(shí)溫度。阻燃劑采用FRMAXTM高效阻燃劑。

用于驗(yàn)證瀝青混合料性能的粗集料采用玄武巖碎石（1#9.5～16 mm、2#4.75～9.5 mm），細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂（3#0～2.36 mm），填料為石灰?guī)r礦粉，礦料的各項(xiàng)技術(shù)性能都滿足規(guī)范要求。

1.2 外摻劑用量的確定

為確定溫拌劑與阻燃劑的合理摻量及制備溫度，采用正交試驗(yàn)設(shè)計方法，將溫拌劑摻量、阻燃劑摻量和制備溫度作為3因素，每個因素對應(yīng)3個水平，分析不同因素對溫拌阻燃SBS改性瀝青3大指標(biāo)、極限氧指數(shù)的影響，其正交試驗(yàn)結(jié)果見表 極差分析結(jié)果見表3。

根據(jù)K值大小，可以看出針入度、軟化點(diǎn)、延度和氧指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分別對應(yīng)的最優(yōu)組合是A3B3C1、A3B3C2、A1B3C1、A2B3C3。結(jié)合極差R計算結(jié)果，溫拌劑摻量變化對于針入度、軟化點(diǎn)的影響較大，而對于延度和氧指數(shù)的影響比較小，制備溫度對于3大指標(biāo)和氧指數(shù)的影響均是最小的，且考慮到溫度過高容易使瀝青老化，綜合考慮，本次最優(yōu)制備方案采用A3B3C1。

1.3 瀝青混合料配合比設(shè)計

已有研究表明［13］，添加阻燃劑后的SMA級配在抑煙方面表現(xiàn)更好，且在高溫抗車轍能力和低溫抗裂性、抗水損害性能方面優(yōu)勢明顯，因此本研究采用SMA-13礦料級配驗(yàn)證復(fù)合改性瀝青混合料性能。粗細(xì)集料及礦粉組成為1#∶2#∶3#∶礦粉=53∶22∶15∶10，其合成級配見表4。通過測試馬歇爾物理力學(xué)指標(biāo)及與油石比的關(guān)系，確定出溫拌阻燃SBS改性瀝青混合料最佳油石比為5.86%、SBS改性瀝青混合料最佳油石比為5.63%。

2 路用性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是表征瀝青混合料在高溫條件下抵抗流動變形能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。用于評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法較多，但目前主要是采用車轍試驗(yàn)，主要是由于車轍試驗(yàn)與車輛在路面上運(yùn)行的實(shí)際狀況很相符，而且操作相對簡單，與路面的實(shí)際抗車轍性能具有較高的相關(guān)性。本文采用普通車轍試驗(yàn)對溫拌阻燃SBS改性瀝青混合料高溫性能進(jìn)行評價，試驗(yàn)溫度為60 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

由表5可知，熱拌SBS瀝青混合料的動穩(wěn)定度平均值為4 485次/mm，而溫拌阻燃SBS復(fù)合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度平均值為5 272次/mm，溫拌阻燃SBS改性瀝青混合料動穩(wěn)定度比熱拌SBS改性瀝青混合料高17.55%，說明溫拌劑和阻燃劑增加了改性瀝青的回彈變形能力，提高了SBS改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力。

2.2 低溫抗裂性能

瀝青路面結(jié)構(gòu)在低溫條件下不發(fā)生開裂是瀝青混合料低溫性能較好的評判依據(jù)。隨著外界環(huán)境溫度的不斷降低，路面材料也在持續(xù)收縮，路面內(nèi)部溫度應(yīng)力不斷增大，當(dāng)降到瀝青路面材料所能承受的溫度時便產(chǎn)生溫縮裂縫。本次采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)對（250×30×35） mm小梁試件進(jìn)行加載，試驗(yàn)環(huán)境溫度為-10 ℃，得到試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6可以看出，相對于熱拌SBS，溫拌阻燃SBS復(fù)合改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變相對較大，彎拉強(qiáng)度和彎曲勁度模量較小，說明加入溫拌劑和阻燃劑后有效增強(qiáng)了改性瀝青的柔韌性，提升了改性瀝青混合料發(fā)生低溫破壞所需的能量，大幅改善了低溫抗裂性能；也可能是由于熱拌SBS改性瀝青混合料在拌和攤鋪過程中較高的溫度中存在瀝青老化，增加了瀝青的黏度，對應(yīng)的低溫脆性有所增大，相對于溫拌阻燃SBS的低溫性能有所下降。

2.3 水穩(wěn)定性

一般情況下隧道內(nèi)富含地下水，當(dāng)路面內(nèi)積水時在車輛荷載和水壓力的雙重耦合作用下集料表面瀝青逐漸脫落，形成水損害。本次采用國內(nèi)推薦的浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)對溫拌阻燃SBS改性瀝青混合料的抗水損害性能進(jìn)行評價，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

從表7可以看出，相對于熱拌SBS，溫拌阻燃SBS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比相對較低，但均在規(guī)范要求值范圍內(nèi)。溫拌劑或阻燃劑加入后在一定程度降低了改性瀝青混合料的抗水損害能力，可能是由于在較低的拌和溫度下集料或?yàn)r青中的水分無法完全消除，而且溫拌劑的加入對于瀝青與集料界面的粘附性存在不利影響，在動水壓力反復(fù)作用下，瀝青膜逐漸從集料表面剝落發(fā)生水損害。

2.4 阻燃性能

由于隧道出入口的黑洞效應(yīng)，車輛都會在進(jìn)出洞口時做加減速操作，出入口處的車輛密度會較大，也很容易發(fā)生交通事故。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生事故導(dǎo)致車輛燃燒或發(fā)生其他火災(zāi)時，隧道內(nèi)空間狹小且通風(fēng)較差，產(chǎn)生的大量煙霧或有毒害氣體會迅速充滿隧道，不但會對隧道結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生威脅，甚至?xí)斐扇松砑柏敭a(chǎn)損失。本文通過試件燃燒試驗(yàn)，利用燃燒時間及試件燃燒前后的質(zhì)量損失和殘留動穩(wěn)定度進(jìn)行評價，試驗(yàn)共進(jìn)行6組，取6組平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，見表8。

從表8可以看出，溫拌阻燃SBS改性瀝青混合料的試件燃燒時間明顯小于熱拌SBS，大約比熱拌SBS減少了10%，其質(zhì)量損失也較溫拌SBS低了3.3%，而且殘留動穩(wěn)定度也比溫拌SBS高，說明阻燃劑在瀝青混合料中起到了良好的阻燃效果，不僅降低了試件燃燒時間，還保證了改性瀝青混合料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

（1）利用三因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計，分析溫拌劑摻量、阻燃劑摻量和制備溫度等三因素對溫拌阻燃SBS改性瀝青混合料三大指標(biāo)、極限氧指數(shù)的影響，通過極差分析，得到最優(yōu)制備方案采用A3B3C1。

（2）通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)分析溫拌阻燃SBS復(fù)合改性瀝青混合料路用性能，發(fā)現(xiàn)溫拌劑和阻燃劑提高了SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，并提高了復(fù)合改性瀝青混合料的阻燃性能、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但溫拌劑或阻燃劑在一定程度上降低了復(fù)合改性瀝青混合料的抗水損害能力。

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收稿日期：2023-10-19

作者簡介：何德健（1986—），工程師，主要從事交通機(jī)電設(shè)備管理與應(yīng)用工作。