袁 玲

(廣東省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，廣州 510507)

近年來，隨著全國高速公路的快速發(fā)展，長大公路隧道的比例迅速上升。與水泥混凝土路面相比，瀝青混凝土路面具有抗滑性能好、噪音低、表面平整性好、行車舒適、維修迅速等優(yōu)點，逐漸用于隧道路面。但因隧道半封閉空間及瀝青燃燒產生的大量有毒濃煙，致使在隧道路面中的全面推廣受到一定的制約，因此針對瀝青材料的阻燃改性處理方面開展了諸多研究[1-3]，如鹵系、磷系等阻燃劑被添加至瀝青中，這些阻燃劑阻燃效果顯著，但卻釋放出大量有毒的氣體和煙塵，給施工人員的身心健康帶來嚴重威脅，大力開展研究環(huán)保的阻燃劑是瀝青混凝土隧道路面推廣應用的趨勢[4]。

目前，無機阻燃劑年消費量較多的是氫氧化鋁(ATH)，它不僅有阻燃、抑煙和填充等優(yōu)點，還無毒、無腐蝕。而氫氧化鎂(MH)既有ATH的優(yōu)點，又制作簡單、儲量豐富、價格低廉、分解溫度高達320 ℃，且能與多種成分復配，性價比更高等特點[5]。因此，在大力發(fā)展環(huán)境友好型阻燃劑的趨勢下，MH在隧道瀝青路面的應用越來越受到關注。本文結合某高速公路隧道實體工程，采用MH和膨脹型阻燃劑復配為阻燃劑，研究單一MH摻量對SBS改性瀝青的燃燒性能及MH與膨脹型阻燃劑復配時對SMA-13改性瀝青混合料燃燒性能、路用性能的影響[6]。

1 原材料選擇及技術指標

瀝青采用廣東新粵PG76-22 SBS改性瀝青，集料采用自產凝灰?guī)r，礦粉采用石灰?guī)r礦粉，水泥采用P·O 42.5水泥，原材料的物理性能指標見表1、表2。纖維穩(wěn)定劑采用0.3%的木質素纖維。MH的粒徑在3 μm～5 μm，視密度為2.36 g/cm3。

表1 SBS 改性瀝青的物理性能

表2 集料物理性能

2 試驗方案

本文選取單一阻燃劑MH、APP、MA、PER及復配阻燃劑來驗證其對SMA-13阻燃性能和路用性能的影響。

單一阻燃劑SBS改性瀝青制備：將稱量好的MH、膨脹型阻燃劑(聚磷酸胺(APP)、三聚氫胺(MA)、季戊四醇(PER))分別緩慢加入到(170±5)℃的SBS改性瀝青中，以2 000 r/min的轉速恒溫攪拌30 min。

極限氧指數試件的試樣制備：先制作一塊長15 cm、寬15 cm、厚5 mm的鋼模板，放在規(guī)格為150 g/m2的玻璃纖維氈上，鋼模板底部及內壁均勻涂抹隔離劑，將阻燃瀝青加熱到170 ℃～180 ℃攪拌均勻后澆附在模板內，再在瀝青表面覆蓋一層玻璃纖維氈。待冷卻至室溫后，將其剪成長12 cm、寬(6.5±5)cm的氧指數試樣[7]。

3 MH阻燃性能的試驗結果與分析

3.1 單一阻燃劑對SBS改性瀝青阻燃性能的影響

選取單一的MH、APP、MA、PER分別添加至瀝青中，摻量范圍為0%～35%，研究不同摻量下SBS改性瀝青極限氧指數的變化情況。試驗過程參考GB/T 2406—2006《塑料燃燒性能試驗方法氧指數法》。

通過室內極限氧指數試驗可知：4種不同阻燃劑對SBS改性瀝青的阻燃效果分別是APP>PER>MA>MH。摻加10%APP時，SBS改性瀝青極限氧指數已經為32.7%，而摻加10%MH時，SBS改性瀝青極限氧指數僅為21.7%，只比純?yōu)r青提高了1.4%。當MH摻量為30%時，氧指數達到23.8%>23%，對于隧道阻燃瀝青，已滿足阻燃要求[2]。通過試驗過程中觀察試樣的生煙情況，APP生煙量較少，而MH幾乎沒有生成黑煙，說明MH具有良好的抑煙性能。試驗結果見圖1。

圖1 單一阻燃劑對SBS改性瀝青LOI影響

3.2 復合阻燃劑對SMA-13瀝青混合料阻燃性能的影響

由圖1可知，將MH單獨添加至瀝青中，當含量小于30%時，阻燃效果改善不明顯；而當加入的MH含量超過30%后，其氧指數大于23%，滿足阻燃要求。說明較小含量MH的加入對瀝青的阻燃性能達不到要求，只有當摻量超過30%后，才可滿足阻燃要求。因此MH不適合直接添加至瀝青中去改善瀝青的阻燃性能。綜合考慮阻燃瀝青需具備阻燃、抑煙、環(huán)保的特點，本文采用在膨脹型阻燃劑(APP/MA/PER)中添加MH并等量替代礦粉的方式來研究阻燃性能。不同試驗方案見表3。

表3 不同MH替代量阻燃瀝青混合料SMA-13研究方案

3.2.1 SMA-13級配選擇

依據JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》及《廣東省高等級公路瀝青路面施工技術指南》要求，并結合本項目施工實際特點，確定最終混合料目標合成級配。

3.2.2 最佳瀝青量確定

根據設計級配，按4.76%、5.21%、5.66%、6.10%、6.54%、6.90%五個不同瀝青含量制備馬歇爾試件，礦料的加熱溫度為180 ℃，瀝青加熱溫度為165 ℃，擊實成型溫度為170 ℃。計算各項體積指標，確定最佳油石比，其試驗結果見表4。

根據廣東省的氣候條件及施工經驗，確定最佳瀝青含量為5.66%。

3.2.3 復合阻燃劑的SMA-13阻燃瀝青混合料制備

復合阻燃劑的阻燃瀝青混合料試件制備：1) 以SBS改性瀝青為基準，計算出摻量為0%、10%、20%、30%、40%、50%的6種含量的MH。先將APP、 MA、PER三種阻燃劑按比例20∶5∶1充分混合均勻后，以SBS改性瀝青為基準，添加10%的APP/MA/PER與6種不同含量的MH混合均勻，制備出APP/MA/PER/MH復合阻燃劑等量替代礦粉。2) 將制備出的APP/MA/PER/MH復合阻燃劑與礦粉混合均勻后，再與集料、瀝青進行拌和，按照規(guī)程T0701、T0702制備出表3中的6種阻燃瀝青混合料試件[9-11]。

表4 馬歇爾試驗結果

3.2.4 復合阻燃劑中MH摻量對SMA-13瀝青混合料阻燃性能影響的試驗結果與分析

試驗步驟：1) 準備2組馬歇爾試件A、B，燃燒模擬隧道路面著火的狀態(tài)，以測試MH阻燃瀝青混合料的阻燃性能；2) 澆灑適量的汽油到試件組A上點火燃燒，待其自熄冷卻，重復操作3次；3) 通過測試穩(wěn)定度殘留強度比結果可知，阻燃劑添加量為0%時，瀝青混合料穩(wěn)定度殘留強度比為83.95%，隨著MH摻量的增加，穩(wěn)定度殘留強度比顯著提高；當MH摻量為30%時，穩(wěn)定度殘留強度比為85.26%；當MH摻量為50%時，穩(wěn)定度殘留強度比為86.24%，較摻量為0%時的穩(wěn)定度殘留強度比提高了2.72%。由此可見，MH與膨脹性阻燃劑復配時可有效改善瀝青混合料的阻燃性能。

4 復合阻燃劑中 MH摻量對SMA-13混合料路用性能影響的試驗結果與分析

1) 馬歇爾試驗

對制備的阻燃瀝青混合料試件進行馬歇爾試驗，結果見表5。

表5 MH摻量對SMA-13瀝青混合料馬歇爾試驗結果的影響

從表5可見，隨著復合阻燃劑中MH摻量的增大，瀝青混合料的空隙率和礦料間隙率減小。當摻量為50%時，空隙率下降了0.6%，礦料間隙率下降了0.3%。這是因為MH的粒徑小于0.048 mm，較礦粉的粒徑小，MH等量替代礦粉后填料的細度增大，致使瀝青混合料試件的礦料間隙率減小[12]。MH摻量從0%變化到30%，穩(wěn)定度增加了10%，從40%變化到50%時穩(wěn)定度有所減小。飽和度變化很小, 加入到40%時，飽和度稍有增大。摻量大于30%后，除礦料間隙率外，空隙率、飽和度、穩(wěn)定度指標均能滿足《廣東省高等級公路瀝青路面施工技術指南》及相關規(guī)范要求。

2) 車轍試驗

MH摻量與膨脹型阻燃劑(APP/MA/PER)復配并等量替代礦粉對SMA-13瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度試驗結果見表6。

表6 MH摻量對SMA-13瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度的影響

從表6可知，隨著MH摻量的不斷增加，車轍動穩(wěn)定度逐漸增大，且均滿足設計要求。MH摻量為0%時，車轍動穩(wěn)定度為7 958次/mm；摻量為50%時，車轍動穩(wěn)定度提高了12.93%。這是因為MH屬于堿性化合物，它的加入增強了瀝青與礦粉間的化學吸附作用；同時MH的粒徑遠比礦粉小，一定量的MH代替礦粉添加至瀝青混合料中，使瀝青混合料變成較硬的細質瀝青砂膠[12]，增強了瀝青混合料的粘聚力，從而提高了抗車轍性能[13-14]。

3) 水穩(wěn)定性試驗

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗[15-17]，研究MH摻量與膨脹型阻燃劑(APP/MA/PER)復配并等量替代礦粉對SMA-13水穩(wěn)定性能的影響，試驗結果見表7。

由表7可知：隨著復合阻燃劑中MH摻量的增加，SMA-13阻燃瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和殘留強度比都在不斷減小。當MH 摻量為10%、30%、50%，阻燃瀝青混合料常規(guī)穩(wěn)定度和浸水殘留穩(wěn)定度分別下降了1%和0.54%、2%和4.51%、6.25%和2.35%；且當MH摻量大于30%時，SMA-13阻燃瀝青混合料的浸水殘留強度和殘留強度比不滿足規(guī)范要求。說明復合阻燃劑中MH摻量對阻燃瀝青混合料的水穩(wěn)定性能影響較大，MH摻量不宜大于30%。

5 某隧道實體工程案例應用

廣東某隧道右幅310 m，左幅333 m，雙向6車道高速公路，整體式路基寬度33.5 m，分離式路基寬16.75 m，設計速度100 km/h。該隧道阻燃瀝青路面試驗路于2016年11月5日—11月16日進行施工，左幅路面采用添加MH復配阻燃劑，右幅為不加阻燃劑的瀝青路面。試驗路鋪筑前進行了上述試驗，通過室內試驗可知，添加MH復配阻燃劑的瀝青路面高溫穩(wěn)定性增大，阻燃性能有所提升，因隧道路面現場不宜進行燃燒試驗，后續(xù)應進一步跟蹤及研究該隧道阻燃瀝青路面的阻燃性能及路用性能，并與室內試驗數據進行對比且互相驗證?，F場施工照片見圖2。

表7 MH摻量對SMA-13瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗結果的影響

圖2 阻燃瀝青路面試驗路施工

6 結束語

1) MH作為單一阻燃劑，抑煙效果優(yōu)良，當MH摻量為30%時，SBS改性瀝青的極限氧指數才達到23.8%，表明MH不宜單獨用作阻燃劑。

2) 當MH與膨脹型阻燃劑(APP/MA/PER)復配使用時，復合阻燃劑等量替代礦粉后，提高了阻燃瀝青混合料燃燒前后穩(wěn)定度殘留強度比，顯著改善了瀝青混合料的阻燃性能。

3) 綜合考慮阻燃性能、抑煙性能、物理性能及瀝青混合料的路用性能，采用MH與膨脹型阻燃劑(APP/MA/PER)復配等量替代礦粉時，MH摻量為30%時最佳。

4) 摻加30%的MH與膨脹型阻燃劑(APP/MA/PER)復配等量取代礦粉，SMA-13瀝青混合料與未取代的相比，空隙率減小了4.88%、礦料間隙率減小了0.59%、穩(wěn)定度提高了10%，浸水后殘留穩(wěn)定度比減小了4.51%、劈裂殘留強度比減小了5.17%、車轍動穩(wěn)定度提高了7.8%。說明摻量30%的MH等量替代礦粉的SMA-13瀝青混合料，其高溫穩(wěn)定性增大，阻燃性能有所提升，水穩(wěn)定性能稍有降低，但其路用性能均能滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》的要求，可在實際工程中進一步推廣應用。