姜 華，楊獻(xiàn)章2，高 瓊

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015；2.湖南省高速公路集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410022)

0 引言

目前隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的大發(fā)展，道路工程技術(shù)得到長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，在不利地形中隧道的應(yīng)用越來(lái)越多。但由于隧道內(nèi)相對(duì)封閉的環(huán)境，當(dāng)發(fā)生事故引起火災(zāi)時(shí)，將對(duì)車輛及乘客造成嚴(yán)重的傷害。阻燃瀝青在此背景下受到關(guān)注，目前阻燃瀝青仍以向?yàn)r青中摻加阻燃劑的濕法工藝為主，該種工藝下的阻燃瀝青性能均勻優(yōu)異，可以充當(dāng)阻燃的不良導(dǎo)體。添加阻燃劑后，路面更不易燃燒，煙氣排放量大大降低，有助于行車安全。目前常見(jiàn)的SBS阻燃改性瀝青混合料成本高昂，仍需尋找合適的改性替代品。近些年廢舊輪胎固棄物處理方式之一的橡膠瀝青得到了越來(lái)越多的研究，該方法利用廢舊輪胎粉末作為基質(zhì)瀝青改性劑，得到了性能優(yōu)異的新型改性瀝青，路用性能良好，環(huán)保效益突出。同時(shí)膠粉由于具有一定的“惰性”，在高溫瀝青介質(zhì)中化學(xué)不活潑，因此考慮摻入適量阻燃劑可以得到一種阻燃瀝青，在課題組的前期研究中，獲得的一種性能優(yōu)良的環(huán)保型阻燃橡膠瀝青結(jié)合料，本文將對(duì)該種混合料的多種性能進(jìn)行詳細(xì)探究，分析該種混合料的性能優(yōu)勢(shì)及路用可行性[1-5]。

1 混合料制備

阻燃瀝青采用課題組前期研究得到的一種環(huán)保型阻燃橡膠瀝青，集料采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的玄武巖碎石。利用馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法確定該種混合料最佳設(shè)計(jì)配比[6]，具體試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料礦料級(jí)配Table 1 Environmental flame retardant rubber asphalt mixture mineral grade不同篩孔(mm)時(shí)的礦料級(jí)配通過(guò)率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.0751009560292118131075

表2 最佳油石比下馬歇爾試件的試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test Results of Marshall Template in Best Oilstone油石比/%最大理論相對(duì)密度毛體積相對(duì)密度空隙率/%5.62.6042.4904.4礦料間隙率VMA/%飽和度VFA/%穩(wěn)定度/kN流值/mm14.870.411.884.7

2 基本性能分析

根據(jù)上文得到的混合料，并選取目前常用的SBS改性瀝青混合料和SBS阻燃改性瀝青混合料進(jìn)行全面的性能對(duì)比，綜合分析并全面考察環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料性能[7-12]。

2.1 高溫穩(wěn)定性

采用瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范要求的60 ℃車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)對(duì)不同類型的混合料高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 45 min和60 min車轍深度Figure 1 Rut depth at 45 min and 60 min

圖2 60 ℃車轍動(dòng)穩(wěn)定度Figure 2 Turbine stability at 60 ℃

根據(jù)圖1、圖2，環(huán)保型橡膠瀝青混合料第45分鐘和第60分鐘的車轍深度是3種混合料中最小的，說(shuō)明該種混合料抵抗溫度變形的能力更強(qiáng)。從高溫動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)來(lái)看，環(huán)保型橡膠瀝青混合料的高溫性能略優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，且與SBS阻燃改性瀝青混合料無(wú)差別?？紤]隧道內(nèi)無(wú)陽(yáng)光直射，溫度普遍偏低，對(duì)高溫車轍要求不高，因此可知環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料的高溫性能完全滿足隧道路面的使用。

2.2 低溫抗裂性

防止或延緩瀝青路面在低溫下的開(kāi)裂，要求瀝青混合料具有較好的低溫抗裂性能。采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)中的破壞應(yīng)變指標(biāo)，評(píng)價(jià)3種改性瀝青混合料的低溫抗裂性能。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 3種改性瀝青混合料的疲勞破壞應(yīng)變Figure 3 Fatigue failure strain of three modified asphalt mixtures

根據(jù)圖3的試驗(yàn)結(jié)果，3種瀝青混合料的疲勞破壞應(yīng)變均超過(guò)了規(guī)范在冬嚴(yán)寒區(qū)中規(guī)定的破壞應(yīng)變值，說(shuō)明3種混合料均能在低溫地區(qū)使用。其中環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料的低溫抗裂性能要優(yōu)于SBS改性瀝青及SBS阻燃改性瀝青混合料，說(shuō)明適量膠粉的摻入，在改善瀝青結(jié)合料的同時(shí)，增強(qiáng)了低溫抵抗性，在混合料的成型過(guò)程中起到了較好的加固作用，顯著增強(qiáng)了對(duì)低溫裂縫的抵抗能力。

2.3 水穩(wěn)定性

由于隧道環(huán)境中常有地下水、拱頂滲水、雨水灌入等，因此應(yīng)著重考慮隧道瀝青路面的水穩(wěn)性能。按照施工技術(shù)規(guī)范的方法為主對(duì)比評(píng)價(jià)3種改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比Figure 4 Marshall residue stability ratio

圖5 凍融劈裂殘留強(qiáng)度比Figure 5 Residual strength ratio of freeze-thaw splitting

根據(jù)圖4、圖5的試驗(yàn)結(jié)果，3種改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性指標(biāo)均滿足規(guī)范的要求。摻入膠粉后，由于橡膠粉主要通過(guò)物理作用分散在瀝青中，一般摻量甚至大于10%，其界面連接相對(duì)不足，與集料的粘附作用沒(méi)有瀝青直接粘附強(qiáng)，在經(jīng)歷高溫水作用后，會(huì)影響混合料間的粘結(jié)，從而會(huì)水穩(wěn)定性呈現(xiàn)出小幅度折減的趨勢(shì)。但環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料由于摻入了一些助劑，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，一定程度上彌補(bǔ)了膠粉的缺陷。試驗(yàn)結(jié)果表明該混合料具有的水穩(wěn)定性可以滿足隧道路面的使用。

2.4 抗疲勞性能

路面在經(jīng)受自然環(huán)境及車輛重載的反復(fù)作用下，往往是抗疲勞性能越好的混合料，使用期限越長(zhǎng)。采用MTS進(jìn)行梁式試件四點(diǎn)彎試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 3種瀝青混合料在不同應(yīng)力比下的疲勞壽命Figure 6 Fatigue life of three asphalt mixtures under different stress ratios

由圖6可知，SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命大于另外兩種混合料。同時(shí)盡管膠粉與集料界面粘結(jié)效果差，但膠粉富有彈性，在經(jīng)歷多次荷載疲勞作用后，仍具有較好的恢復(fù)變形能力，疲勞壽命并未有較大衰減。綜合來(lái)看，3種混合料疲勞壽命差別不大。

2.5 APA浸水車轍試驗(yàn)

綜合考慮隧道內(nèi)瀝青路面所處的特殊環(huán)境，為進(jìn)一步研究環(huán)保型阻燃瀝青混合料水損變形性能，采用APA試驗(yàn)對(duì)比分析不同改性瀝青混合料在水和荷載共同作用下的性能變化。利用在高溫水荷載環(huán)境下產(chǎn)生的車轍深度變化趨勢(shì)等指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性和抗水損壞能力。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 APA浸水車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 3 APA Results of rutting test under immersion conditions混合料類型最大車轍深度RD/mm時(shí)間t /h車轍變形率rRD/(mm·h-1)SBS改性瀝青混合料5.8722.2112.656SBS阻燃改性瀝青混合料5.5362.2062.510環(huán)保型橡膠瀝青混合料5.1922.2022.358

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，兩種摻加阻燃劑的混合料車轍深度均小于SBS改性瀝青混合料的，說(shuō)明摻加阻燃劑能適當(dāng)提高混合料的高溫抗變形能力。最后計(jì)算得到，環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料的車轍變形率最小，說(shuō)明環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料試件在溫度和水荷載作用下，抵抗破壞變形的能力最強(qiáng)，與傳統(tǒng)的車轍結(jié)果一致。從而可以說(shuō)明課題組設(shè)計(jì)的混合料高溫水穩(wěn)定性較好，能滿足隧道路面的使用要求。

3 阻燃性能評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)的極限氧指數(shù)及熱重試驗(yàn)主要用于評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的阻燃特性，無(wú)法評(píng)價(jià)混合料的阻燃性能，因此難以與實(shí)際路面特性相符?；旌狭系娜紵匦耘c瀝青結(jié)合料種類、級(jí)配形式、空隙率等因素息息相關(guān)。因此，為盡可能探究實(shí)際路面的阻燃性能，采用錐形量熱試驗(yàn)(CONE)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，從而避免了傳統(tǒng)混合料試件模擬燃燒試驗(yàn)無(wú)法定量評(píng)價(jià)阻燃特性的問(wèn)題[13]。對(duì)上述3種混合料分別進(jìn)行錐形量熱試驗(yàn)，主要以點(diǎn)燃時(shí)間、總熱釋放等指標(biāo)進(jìn)行燃燒特性評(píng)價(jià)，對(duì)于混合料燃燒產(chǎn)生的煙氣，采用總煙釋放量指標(biāo)定性評(píng)價(jià)煙霧抑制能力。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 CONE試驗(yàn)參數(shù)結(jié)果Table 4 Results of CONE test parameters混合料類型點(diǎn)燃時(shí)間/s燃燒時(shí)間/s總熱釋放量/ MJ·m-2 質(zhì)量損失/%總煙釋放量/ m2·m-2 SBS改性瀝青混合料18254443.755.101 356.45SBS阻燃改性瀝青混合料19840238.394.67939.19環(huán)保型橡膠瀝青混合料21238332.844.36583.12

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，點(diǎn)燃時(shí)間方面，摻加阻燃劑后，混合料的點(diǎn)燃時(shí)間均得到增加，說(shuō)明阻燃劑通過(guò)內(nèi)部的反應(yīng)，有效拖延了易燃物在高溫火苗下的點(diǎn)燃時(shí)間。燃燒時(shí)間和總熱釋放量指標(biāo)也反映了這個(gè)規(guī)律，可以說(shuō)阻燃劑使得混合料更不容易被點(diǎn)燃，同時(shí)被點(diǎn)燃后燃燒持續(xù)時(shí)間縮短，熱釋放量減少。質(zhì)量損失越小也間接反映出燃燒被阻燃劑拖延，而導(dǎo)致可燃物被燃燒反應(yīng)掉的量減少，即意味著阻燃劑在一定程度上能更好地阻止因?yàn)槿紵龑?dǎo)致的混合料質(zhì)量降低。燃燒時(shí)煙氣的排放也是造成事故嚴(yán)重程度的重要因素。發(fā)煙量越少，表明混合料越不容易燃燒發(fā)煙。通過(guò)總煙釋放量指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，課題組研發(fā)的混合料發(fā)煙量要明顯更少。綜合比較試驗(yàn)結(jié)果，阻燃劑的加入，有效增強(qiáng)了混合料的耐燃燒特性，縮短了燃燒時(shí)間，降低了煙氣排放，從而最大程度降低人員傷亡。同時(shí)環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料各項(xiàng)燃燒指標(biāo)均與成品的阻燃混合料類似，說(shuō)明課題組研發(fā)的混合料產(chǎn)品，能夠達(dá)到市場(chǎng)和隧道路面的使用要求，具有較好的應(yīng)用空間。

4 結(jié)論

a.通過(guò)馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法，獲得了適合環(huán)保型阻燃橡膠瀝青的混合料配比。

b.通過(guò)混合料性能對(duì)比試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料具有較小的高溫車轍深度，動(dòng)穩(wěn)定度較大，低溫疲勞破壞應(yīng)變大，抗水損能力強(qiáng)，疲勞壽命大，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均不亞于目前主流的混合料，APA浸水車轍試驗(yàn)也佐證了該混合料具備良好使用性能，在隧道特殊環(huán)境中滿足各項(xiàng)使用要求。

c.通過(guò)錐形量熱試驗(yàn)定量評(píng)價(jià)了3種瀝青混合料的阻燃性能，環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料更不容易點(diǎn)燃，燃燒時(shí)間短，質(zhì)量損失小，總煙釋放量少，說(shuō)明該種混合料較一般混合料更不容易燃燒，能夠充分實(shí)現(xiàn)隧道路面的難燃性，保障隧道內(nèi)行車安全。