李清茂

(南平高速建設(shè)有限公司，南平 354200)

近年來(lái)，由于瀝青路面優(yōu)異的駕駛舒適性，降噪性以及彩色瀝青等技術(shù)的發(fā)展[1]，瀝青混合料被廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)大隧道內(nèi)作為路面鋪裝材料。 然而由于隧道內(nèi)相對(duì)閉塞和有限的空間環(huán)境， 隧道路面的安全問(wèn)題日益受到行業(yè)內(nèi)的關(guān)注[2-4]。瀝青具有較高的閃點(diǎn)，但一旦隧道內(nèi)起火會(huì)在短時(shí)間內(nèi)形成高溫及大量包括CO、CO2和CH4等有害氣體，封閉隧道內(nèi)突發(fā)性火災(zāi)，不僅對(duì)隧道內(nèi)行駛的車(chē)輛造成嚴(yán)重的安全隱患，而且會(huì)危害國(guó)家公共財(cái)產(chǎn)，因此阻燃瀝青路面的使用對(duì)于人類(lèi)安全及財(cái)產(chǎn)安全都有著重大的意義。

阻燃瀝青的研究開(kāi)展于19 世紀(jì)50 年代， 最早采用鹵素及磷作為阻燃劑用于屋頂毛氈和瀝青涂層， 是一種有效抑制燃燒的添加材料， 主要作用是抑制可燃性物質(zhì)的燃燒，防止火焰的擴(kuò)散[5]。 目前常用的阻燃劑主要包括鹵素阻燃劑、磷阻燃劑、金屬氫氧化物、膨脹系阻燃劑以及納米阻燃劑。金屬氫氧化物是一種重要的礦物阻燃劑，可以降低材料瀝青自身的助燃成分，此外它可以改變?yōu)r青的粘度、導(dǎo)熱性以及物理性能。 MH 與ATH 是目前最常用的金屬氫氧化物阻燃劑， 在燃燒過(guò)程中，MH 與ATH 會(huì)吸收熱量產(chǎn)生大量的水蒸氣，不僅減少了向?yàn)r青材料熱量的傳遞，同時(shí)不可燃蒸汽會(huì)稀釋可燃?xì)怏w進(jìn)一步減少燃燒的可能。 另一方面，ATH 與MH 均具有較高的熔點(diǎn)，裹服在瀝青表面的金屬氫氧化物可以阻隔熱量傳遞從而起到阻燃的作用[6]。 但是作為添加劑加入到原有的瀝青結(jié)合料中會(huì)改變?cè)袨r青的物理性能， 甚至發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而改變?cè)械目臻g結(jié)構(gòu)， 因此需要進(jìn)一步的研究確定添加劑對(duì)瀝青結(jié)合料及混合料性能的影響。

本文先通過(guò)極限氧指數(shù)儀(LOI) 測(cè)定了不同摻量下ATH 與MH 對(duì)SBS 改性瀝青氧指數(shù)的影響，分析了瀝青阻燃性能的變化；再通過(guò)高溫車(chē)轍試驗(yàn)，低溫梁彎曲試驗(yàn)以及浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)研究了AC-13 級(jí)配在最佳油石比下，MH 與ATH 阻燃劑對(duì)混合料路用性能的影響，為MH 與ATH 阻燃劑的選取和用量控制提供一定的參考性。

1 原材料

1.1 集料及瀝青結(jié)合料

試驗(yàn)采用礦質(zhì)集料選用福建產(chǎn)石灰?guī)r，依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范實(shí)施手冊(cè)》(JTG F40-2004)對(duì)其常規(guī)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。試驗(yàn)所用瀝青為殼牌SBS 改性瀝青。

1.2 阻燃劑

金屬氫氧化物阻燃劑采用分析純ATH 與MH，其中ATH 的密度為2.40 g/cm3，熔點(diǎn)為300℃，莫氏硬度為3.0。MH 密度為2.36 g/cm3，熔點(diǎn)為350℃，莫氏硬度為2.0。

1.3 瀝青混合料配合比

為制備阻燃瀝青混合料， 選用福建產(chǎn)石灰?guī)r集料與SBS 改性瀝青制備AC-13 瀝青混合料， 目標(biāo)空隙率為4%。 AC-13 級(jí)配如表1 所示，按照馬歇爾設(shè)計(jì)法確定最佳油石比為5.1%，分別在最佳油石比下?lián)郊?0%、15%、20%及25%的2 種阻燃劑，制備阻燃瀝青混合料。

表1 AC-13 級(jí)配

2 阻燃性能分析

2.1 阻燃SBS 瀝青的制備

首先將SBS 改性瀝青恒溫至170℃， 稱(chēng)取一定量的ATH 與MH， 將2 種阻燃劑勻速且均勻地加入SBS 改性瀝青中， 在油浴中保溫并通過(guò)磁力攪拌器在恒溫條件下先以1000 r/min 進(jìn)行初攪， 再以3000 r/min 進(jìn)行二次攪拌以使阻燃劑與瀝青混合均勻， 從而制得添加量分別為10%、15%、20%及25%的MH 和ATH 阻燃瀝青。

2.2 阻燃SBS 改性瀝青極限氧指數(shù)試驗(yàn)

極限氧指數(shù)試驗(yàn)是規(guī)定的條件下在氧和氮混合氣體中進(jìn)行燃燒所需要的最低氧濃度，計(jì)算公式如式(1)：

極限氧指數(shù)被應(yīng)用于瀝青阻燃性能的研究， 并制定了相應(yīng)的級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)。 金屬氫氧化物在受熱燃燒過(guò)程中會(huì)發(fā)生式(2)和式(3)化學(xué)反應(yīng)，受熱分解后產(chǎn)生大量的水蒸氣達(dá)到降溫，稀釋作用降低溫度，吸收熱量。 此外氧化金屬產(chǎn)物包裹在瀝青表面可以達(dá)到反射熱量的作用，從而起到阻燃的效果。 我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于阻燃瀝青的要求為極限氧指數(shù)≥23%。

本文極限氧指數(shù)試驗(yàn)按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《瀝青阻燃性能測(cè)定》(SH/T 0815-2010)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 阻燃劑摻量對(duì)LOI 影響

由圖1 的試驗(yàn)結(jié)果可知，2 種阻燃劑對(duì)于LOI 結(jié)果有所不同， 綜合表現(xiàn)可知MH 在相同摻量下對(duì)于SBS 瀝青阻燃性能更為優(yōu)異， 其中ATH 在15%摻量下，LOI 可達(dá)23.2%，MH 為23.9%，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。MH 與ATH 摻量的增加，會(huì)進(jìn)一步提高瀝青燃燒所需氧氣程度，即瀝青阻燃性的提高。

ATH 的分解溫度一般在220℃～320℃，低于MH 的分解溫度。 因此早期ATH 會(huì)較快分解，從而通過(guò)分解過(guò)程中產(chǎn)生的水蒸氣及氧化產(chǎn)物綜合達(dá)到阻燃的作用，但MH 反應(yīng)過(guò)程中吸熱量高于ATH，因此會(huì)略?xún)?yōu)于ATH 的阻燃效果。

3 路用性能試驗(yàn)

3.1 高溫穩(wěn)定性

隧道內(nèi)與外界空氣不流通，溫度傳遞性差，相對(duì)外界瀝青路面溫度相對(duì)較低， 但仍然需要考慮隧道內(nèi)瀝青路面的高溫性能。 高溫車(chē)轍試驗(yàn)以60℃溫度下，0.7 MPa 荷載作用循環(huán)碾壓作為試驗(yàn)條件， 以動(dòng)穩(wěn)定度作為高溫性能的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)， 對(duì)最佳油石比下制備的不同阻燃劑摻量的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍板試件進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 阻燃瀝青混合料高溫穩(wěn)定性結(jié)果

由圖2 的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)， 阻燃劑摻量的增加有利于提高瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度， 主要是由于阻燃劑的添加提高了瀝青混合料的彈性成分， 從而有利于提高荷載作用后的應(yīng)變恢復(fù)能力，且隨著阻燃劑摻量的進(jìn)一步增加，抗變形能力逐漸提升， 均遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。 相同摻量的ATH 高溫穩(wěn)定性略高于MH，其中ATH 動(dòng)穩(wěn)定度分別提升4.41%、2.35%、3.42%和2.20%， 主要是由于ATH 具有更高的莫氏硬度(3.0)。

3.2 水穩(wěn)定性

隧道內(nèi)空間相對(duì)封閉，不易接觸到陽(yáng)光照射，空氣流動(dòng)性差造成了隧道內(nèi)獨(dú)特的空間環(huán)境特性， 尤其是在陰雨過(guò)后，外界天氣放晴，隧道外瀝青路面上的積水可以通過(guò)坡度或者下滲排出大部分路表積水， 殘余的路表水可以通過(guò)陽(yáng)光照射蒸發(fā)。 而隧道內(nèi)瀝青路面上的積水難以通過(guò)蒸發(fā)作用排出， 長(zhǎng)時(shí)間的積水會(huì)對(duì)瀝青路面造成嚴(yán)重的水損壞， 因此對(duì)于阻燃瀝青路面的水穩(wěn)定性因著重考慮。 試驗(yàn)采用浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)(TSR)來(lái)測(cè)試不同阻燃瀝青的水穩(wěn)定性。 試驗(yàn)結(jié)果分別如圖3～4所示。

圖3 阻燃瀝青混合料殘留穩(wěn)定度結(jié)果

圖4 阻燃瀝青混合料TSR 結(jié)果

由圖3 的殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果可知，無(wú)論是ATH 還是MH，摻量的增加都會(huì)減小瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度，表明金屬氫氧化物阻燃劑的加入會(huì)降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性，當(dāng)摻量達(dá)到25%時(shí)，殘留穩(wěn)定度分別為81.4%和82.7%， 僅略高于 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)。 2 種阻燃瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度并無(wú)明顯的優(yōu)劣，數(shù)值基本接近，表明2 種阻燃劑對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響接近， 并無(wú)明顯的優(yōu)劣之分。 圖4 為T(mén)SR的試驗(yàn)結(jié)果， 總體趨勢(shì)表現(xiàn)出與浸水馬歇爾試驗(yàn)相同的特征，凍融劈裂強(qiáng)度比隨著阻燃劑摻量的增加而降低，當(dāng)摻量達(dá)到25%是，TSR 結(jié)果分別為78.6%與79.2%， 高于規(guī)范中要求的75%。

4 結(jié)論

本文選取MH 與ATH 作為阻燃瀝青的添加劑，復(fù)配SBS 改性瀝青，通過(guò)極限氧指數(shù)(LOI)試驗(yàn)對(duì)不同摻量的SBS 改性瀝青進(jìn)行阻燃性能測(cè)試。 基于馬歇爾試驗(yàn)確定的瀝青混合料最佳油石比，通過(guò)高溫車(chē)轍試驗(yàn)，浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)了多種摻量下ATH 和MH阻燃瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性， 主要得到以下結(jié)論：

(1)通過(guò)極限氧指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果可知ATH 和MH 的加入對(duì)于SBS 改性瀝青的LOI 有所提升， 能有效提高SBS改性瀝青的阻燃性能，2 種阻燃劑摻量為15%時(shí)，分別可以達(dá)到23.2%和23.9%， 滿(mǎn)足規(guī)范 《瀝青阻燃性能測(cè)定》(SH/T 0815-2010)要求中≥23%的規(guī)定，可以起到很好的阻燃效果， 其中MH 相比于ATH 具有更好地阻燃性能，主要是由于MH 反應(yīng)過(guò)程中吸熱量高于ATH，因此會(huì)略?xún)?yōu)于ATH。

(2)高溫車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果表明ATH 和MH 的加入對(duì)于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有所提高， 主要是由于2 種阻燃劑的加入提高了瀝青混合料的彈性水平， 能夠在高溫環(huán)境下抵抗荷載引起的永久變形， 且隨著摻量的進(jìn)一步增加而提升，其中ATH 具有更強(qiáng)的抗變形能力，可能是由于ATH 的莫氏硬度(3.0)高于MH(2.0)。

(3)浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)的結(jié)果綜合表明ATH 及MH 的摻加降低了瀝青混合料的水穩(wěn)定性，2 種阻燃劑對(duì)性能的影響極為接近，當(dāng)摻量達(dá)到25%時(shí)，殘留穩(wěn)定度及TSR 結(jié)果均略高于規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中的最低要求，因此摻量的進(jìn)一步增加會(huì)造成不滿(mǎn)足規(guī)范要求的可能。