地下道路阻燃瀝青混合料路用性能研究

王海燕，婁中波，張彩利

（1.天津市政工程設計研究院，天津市300051；2.河北工業(yè)大學，天津市300401）

0 前言

瀝青混合料作為瀝青路面的面層材料，在使用過程中將承受車輛荷載反復作用以及環(huán)境因素的作用，結合地下道路特殊環(huán)境及交通特點要求，地下道路瀝青混合料應滿足：足夠的抗剪切能力，良好的耐久性，良好的水穩(wěn)定性，足夠的抗滑能力，良好的低溫抗裂性以及阻燃性能等。本文主要研究阻燃瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等路用性能以保證瀝青路面優(yōu)良的服務性能，安全美觀、經久耐用。

1 阻燃瀝青混合料路用性能

1.1 阻燃瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料是一種粘彈性材料，其物理力學性能與溫度和作用時間密切相關[1]。瀝青路面在使用期間，經受從低溫到高溫不同環(huán)境條件的考驗。道路使用的實踐表明，在通常的汽車荷載條件下，永久性變形主要是在夏季氣溫高于25 ℃～30 ℃，即瀝青路面的路表溫度達到40 ℃～50 ℃，已經達到或超過道路瀝青的軟化點溫度的情況下容易產生，且隨著溫度的升高和荷載的加重，變形愈大。根據瀝青材料的溫度時間換算法則，長時間承受荷載與高溫條件是等效的，而且時間是累積的。車輛在高速公路上以100 km/h 的速度行駛，對路面瀝青層的作用時間不超過0.025 s，而在城市道路的交叉口、停車站，車輛停車時間1 min，相當于正常行車3 000 輛的情況。所以一般所說的高溫穩(wěn)定性能也包括長時間荷載作用的情況[2～3]。瀝青路面在高溫條件下或長時間承受荷載作用，瀝青混合料會產生顯著的變形，其中不能恢復的部分成為永久變形。降低路面的使用性能，危及行車安全，從而縮短瀝青路面的使用壽命。高速公路的車轍是瀝青路面的最具危害的破壞形式之一[4]。

由于地下道路車輛交通渠化現象比較嚴重，瀝青路面在行車荷載的反復作用下，由于永久變形的累積而導致路表面出現車轍。瀝青路面車轍的出現會影響路面的平整度，導致輪跡處瀝青層厚度減薄，削弱了面層及路面結構的整體強度，同時造成雨天路表排水不暢，降低了路面的抗滑能力，甚至會由于車轍內積水而致車輛漂滑，影響行車安全。因此，車轍的產生將嚴重影響路面的使用壽命和服務質量。

本研究采用室內試驗經常使用的馬歇爾穩(wěn)定度試驗和車轍試驗來評價阻燃瀝青混合料的高溫性能。

（1）馬歇爾穩(wěn)定度試驗

本文研究將AC-13C 瀝青混合料制備成101.6×（Φ63.5±1.3）mm 圓柱體試件，比較基質瀝青、阻燃改性瀝青混合料在最佳油石比條件下的穩(wěn)定度，試驗數據如表1 所示。

表1 瀝青混合料試樣的馬歇爾穩(wěn)定度

采用最佳油石4.9%，阻燃瀝青為最佳阻燃劑摻量10%，成型8 個試件，分為兩組，一組用于常規(guī)馬歇爾試驗，試驗結果如表1 所示；另一組用于浸水馬歇爾試驗，試驗結果如表4 所示。由表1 試驗結果可知，馬歇爾穩(wěn)定度遠遠大于規(guī)范。但是，在相同試驗條件下，阻燃劑的摻入，對提高瀝青混合料的力學性能并不顯著，這主要是因為在相同油石比的條件下，阻燃瀝青相較于基質瀝青粘稠性變化不大。

馬歇爾穩(wěn)定度和流值與路面相關性不好，對于控制車轍更是相距甚遠[5]，因此采用車轍試驗對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性進一步試驗。車轍試驗是一種模擬實際車輪荷載在路面上行走而形成車轍的工程試驗方法。從廣義上來說，室內小型往復車轍試驗、旋轉壓實試驗、大型環(huán)道試驗、直道試驗等都可以認為是屬于車轍試驗的范疇，這些試驗最基本的和相同的原理就是通過采用車輪在板狀試件表面或路面結構上反復行走，觀察和檢測試塊或路面結構的響應，用動穩(wěn)定度或車轍深度來表征試驗結果。

（2）車轍試驗

雖然地下道路所處環(huán)境具有冬暖夏涼的特點，而這種特點可能會對瀝青路面高溫穩(wěn)定性的要求較低，但是考慮到地下道路交通渠化現象嚴重，故對于地下道路瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性要求，主要還是依據我國《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)（以下簡稱《規(guī)范》），即在規(guī)定的試驗條件下進行車轍試驗并應符合規(guī)范相關要求。

本研究將最佳油石比阻燃瀝青混合料及基質瀝青混合料分別制備成300 mm×300 mm×50 mm塊狀試件，測試在60 ℃、0.7 MPa 輪壓下的動穩(wěn)定度DS，試驗數據如表2 所示。

表2 瀝青混合料試樣的動穩(wěn)定度

由表2 可得，摻加阻燃劑后瀝青混合料的動穩(wěn)定度增加了21.8%。這是因為阻燃劑的加入使得瀝青的粘度和軟化點都增大，改善了瀝青抗高溫性能，從而提高了混合料的車轍動穩(wěn)定度。同時可以看出阻燃瀝青混合料動穩(wěn)定度大于3 000 次/mm，表明阻燃瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性滿足路面高溫穩(wěn)定性能的要求。

1.2 阻燃瀝青混合料低溫抗裂性

當冬季氣溫降低時，瀝青面層將產生體積收縮，而在基層結構與周圍材料的約束作用下，瀝青混合料不能自由收縮，將在結構層中產生溫度應力。由于瀝青混合料具有一定的應力松弛能力，當降溫速率較慢時，所產生的溫度應力會隨著時間逐漸松弛減小，不會對瀝青路面產生較大的危害。但當氣溫驟降時，所產生的溫度應力來不及松弛，當溫度應力超過瀝青混合料的容許應力值時，瀝青混合料被拉裂，導致瀝青路面出現裂縫造成路面的破壞。因此，要求瀝青混合料具備一定的低溫抗裂性能，即要求瀝青混合料具有較高的低溫強度或較大的低溫變形能力[6]。

本研究通過低溫彎曲試驗來對阻燃瀝青混合料的低溫性能進行探討。瀝青混合料低溫彎曲試驗可用來評價混合料的抗彎強度、破壞彎拉應變及破壞時的彎曲勁度模量?？箯澙瓘姸缺碚骰旌狭系挚箯澙瓚ψ饔玫哪芰?，抗彎拉強度越高，材料抵抗破壞的能力越強，低溫時抵抗收縮應力的能力就越強，路面低溫抗裂性越好。低溫時混合料破壞彎拉應變與破壞時彎曲勁度模量也是表征混合料低溫抗裂性指標。

對于不同的瀝青混合料和工程所處地區(qū)的氣候分區(qū)，《規(guī)范》規(guī)定了瀝青混合料的破壞應變的要求?？紤]到地下道路冬季氣溫比正常氣溫要高，且溫差變化較小，故對地下道路瀝青混合料的低溫抗裂性能要求可適當降低，即可在現行規(guī)范的基礎上適當降低要求。

本試驗按照瀝青混合料彎曲試驗規(guī)程進行，將輪碾成型的板狀試件切割為30 mm×35 mm×250 mm 的小梁試件，在-10 ℃±0.5 ℃溫度下，加載速率50 mm/min，利用MTS-810 進行彎曲破壞試驗以確定阻燃瀝青混合料低溫下的彎曲破壞強度、破壞應變及破壞勁度模量。試驗結果見表3。

表3 阻燃瀝青混合料的低溫性能試驗數據

一般來說，較好的低溫抗裂性表現為較大的抗彎拉強度、較大的彎拉應變、較小的彎曲勁度模量?？箯澙瓘姸仍酱蟊砻骰旌狭系挚沟蜏亻_裂能力越大；極限應變越大，表明混合料的柔韌性越好；低溫勁度模量越大，其抵抗變形能力越差[7]。

由表3 低溫彎曲試驗數據可以看出，阻燃瀝青混合料在-10 ℃±0.5 ℃溫度下的彎曲破壞強度比基質瀝青混合料提高了0.8 MPa，彎曲破壞應變比不摻加阻燃劑的瀝青混合料提高了6.5%，阻燃瀝青混合料的彎曲勁度模量比基質瀝青混合料小了240 MPa。這表明阻燃劑的加入可以改善瀝青混合料的低溫性能，但改善能力有限。

1.3 阻燃瀝青混合料水穩(wěn)定性

瀝青混合料水穩(wěn)定性的評定方法，通常分為兩個步驟進行，第一步是評定瀝青與礦料的粘附性，第二步是評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。這兩個階段是密不可分的，必須綜合運用。

由于地下道路長期處于潮濕封閉狀態(tài)，這就對地下道路瀝青混合料的水穩(wěn)定性提出了更高的要求。故對地下道路瀝青混合料的水穩(wěn)定性指標可在《規(guī)范》的基礎上適當提高。

研究主要采用浸水馬歇爾試驗殘留穩(wěn)定度MS 和凍融劈裂試驗劈裂強度比TSR 雙指標來評價阻燃瀝青混合料的抗水害能力，試驗結果如表4、表5 所示。

表4 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果

表5 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

凍融劈裂試驗的名義上為凍融試驗，但其真正含義上是檢驗瀝青混合料的水穩(wěn)定性，且試驗條件較一般的浸水試驗條件苛刻一些，試驗結果與實際情況較為吻合，是目前使用較為廣泛的試驗。本研究對比分析基質瀝青、阻燃瀝青混合料在兩個不同條件下的劈裂抗拉強度，殘留穩(wěn)定度，凍融劈裂抗拉強度比具體試驗結果如表5 所示。

由表4、表5 及圖1 結果可得，阻燃瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比分別比基質瀝青混合料提高了0.3%和0.4%，說明阻燃瀝青混合料的水穩(wěn)性較好，基質瀝青混合料在加入阻燃劑后，相應的水穩(wěn)定性有一定的提高，但兩者的差值并不是很大，這也說明基質瀝青加入阻燃劑之后水穩(wěn)性并沒有很顯著的提高。

1.4 阻燃瀝青混合料抗滑性能

分別對阻燃瀝青混合料及基質瀝青混合料試件測定了擺值及構造深度，用以評定其抗滑性能，試驗結果見表6。由抗滑性能試驗結果可以看出，阻燃改性瀝青混合料及普通瀝青混合料抗滑性能均滿足現行《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D50-2006）的相關要求。摻加阻燃劑之后，瀝青混合料的抗滑能力有所提高，但幅度不大。

表6 不同瀝青混合料的抗滑性能試驗數據

1.5 阻燃瀝青混合料滲水性能

滲水性能采用實驗室成型的車轍試件進行試驗，油石比采用最佳油石比，同車轍試驗成型條件相同。對基質瀝青和阻燃瀝青混合料分別進行滲水試驗，試驗結果如表7。

表7 混合料滲水系數試驗結果

由滲水試驗結果可得，阻燃瀝青的混合料的滲水系數比基質瀝青混合料下降了30%，這說明瀝青混合料中含有的阻燃劑在集料的壓密中起到了積極的作用，從而提高了混合料的密水性能。

2 阻燃瀝青混合料阻燃性能

由于試驗條件的限制，阻燃瀝青混合料的阻燃性能測試不能再采用氧指數法，瀝青混合料是由集料和瀝青組成，集料間靠瀝青的粘結使之成為一體。當溫度升高時，瀝青的粘結性能下降，集料間的粘結力隨著下降。如果用氧指數法測試阻燃瀝青混合料的阻燃性能時，由于試件的燃燒端溫度很高，集料在重力的作用下自由掉落，帶有火焰的集料掉落后，使燃燒端的火焰產生熄滅，使試驗結果偏差很大，所測試的結果也不能真實地反映試樣的阻燃性能[8]。所以研究通過燃料燃燒模擬的方法進行阻燃瀝青混合料阻燃性能試驗，分析阻燃瀝青對混合料阻燃性能的提高。

地下道路火災的發(fā)生通常是與液體燃料發(fā)生著火有關的，這些燃料一般是車輛運輸的過程中發(fā)生泄漏并遇到火源產生燃燒的。通過試驗室對現場燃料發(fā)生泄漏并發(fā)生火災條件的模擬，研究阻燃瀝青混凝土對火災發(fā)生時所產生的阻燃作用。具體試驗步驟如下：

（1）采用相同集料級配、相同的油石比條件下的阻燃瀝青混合料（采用A1 阻燃劑，三組摻量5%，10%，15%）和普通改性瀝青混合料分別成型標準馬歇爾試件；

（2）成型好的阻燃瀝青混合料試件和普通瀝青混合料試件各分成6 組，使每一組試件體積性能相同，準備進行常規(guī)試驗和燃燒后試驗；

（3）將燃燒試件分別浸沒到93# 汽油中，時間分別為5 s，10 s，15 s 取出，立即點燃試件測試燃燒時間；待自熄后放在60 ℃烘箱中5 h 烘干，稱量重量損失，未燃燒的常規(guī)試件同樣放入烘箱中5 h。

由圖4(a)可以看出，高鈦渣原料呈現出金屬鹽團聚吸附包裹在表面。結合圖1，高鈦渣原料含有Mg-Ti-O、Fe-Ti-O和Fe-Mn-Ti-O等黑鈦石物相，蘇打焙燒的目的就是破壞這種難與酸反應的結構。楊艷華[12]對云南鈦渣直接進行了高壓酸浸除雜實驗，實驗結果顯示高壓酸浸并沒有破壞鈦渣表面的包裹結構，TiO2的品位也只提高到了83%。圖4(b)顯示，鈦渣經蘇打焙燒后形成了針狀、柱狀、板條狀晶體，這種結構形態(tài)與未經蘇打焙燒時對比發(fā)生了明顯變化，這種松散結構可使物料的比表面積顯著增加，有利于加快焙燒鈦渣酸浸反應的速率，明顯改善酸浸除雜效果。

2.1 燃燒時間

對阻燃瀝青混合料和改性瀝青混合料的燃燒試件進行測試，測試結果見表8。

表8 不同浸泡時間后試件燃燒結果

從不同浸泡時間下的平均燃燒時間來看，采用阻燃瀝青的混合料燃燒時間稍微短一些。由表8 可得：

（1）同一摻量的阻燃瀝青混合料，浸泡時間越長，燃燒時間也越長；相同浸泡時間的阻燃瀝青混合料，阻燃劑摻量越大，燃燒時間越短；相同浸泡時間，摻入阻燃劑的瀝青混合料燃燒時間比普通瀝青混合料要稍短些；

（2）浸泡5 s 后燃燒，三種不同阻燃劑摻量瀝青混合料的平均燃燒時間相差不大，隨著浸泡時間的增加，三種摻量混合料的平均燃燒時間差距逐漸增長。

阻燃瀝青中的阻燃劑分散在瀝青中，當瀝青發(fā)生燃燒時，瀝青開始分解或燃燒，使部分阻燃劑暴露出來，暴露出的阻燃劑在受熱或火源的作用下開始對瀝青的分解和燃燒發(fā)揮阻礙作用；在燃料汽油發(fā)生燃燒時，瀝青中暴露的阻燃劑很少，不足以對燃料汽油進行阻燃。由此可知，通過燃燒時間不能很好地判斷阻燃瀝青混合料阻燃性能的優(yōu)越性。

2.2 質量的損失

將燃燒自熄后的試件放入60 ℃烘箱中烘干5 h 后，稱量重量，結果記錄如表9 所示。

表9 不同浸泡時間后試件燃燒質量損失

試件質量的損失主要是由于燃燒時瀝青參與燃燒并發(fā)生氧化反應，生成氣體和水等物質而損失，瀝青在參與燃燒時，阻燃劑也參與了燃燒，但參與燃燒的阻燃劑降低了參與燃燒的瀝青量，降低了混合料燃燒后的質量損失。

3 小結

本文對阻燃瀝青混合料的路用性能和阻燃性能進行試驗檢測。主要結論如下：

（1）通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗和車轍試驗對阻燃瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進行了檢測，試驗表明阻燃劑的摻入對混合料的高溫穩(wěn)定性并沒有太大的影響，按照目標級配成型的試件高溫性能滿足要求，同時針對地下道路交通渠化現象嚴重特點，提出地下道路瀝青混合料的高溫性能指標不能低于地表道路要求。

（2）通過低溫彎曲試驗對阻燃瀝青混合料的低溫抗裂性進行了研究，試驗數據表明，阻燃瀝青混合料的低溫抗裂性基本符合要求，摻加阻燃劑能適當提高瀝青混合料的低溫抗裂性，同時提出對于地下道路瀝青混合料的低溫性能指標可在現行規(guī)范基礎上適當降低。

（3）從MS 和TSR 值的試驗數據可以看出，瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比始終是阻燃瀝青混合料要稍高于基質瀝青混合料，說明阻燃瀝青混合料的水穩(wěn)性較好，但兩者的差值并不是很大，這也說明加入阻燃劑之后水穩(wěn)性并沒有顯著的提高。根據地下道路內特殊的工作環(huán)境特點得出，地下道路內路面滲水與抗滑標準應提高。

（4）通過燃燒分析試驗測試了阻燃瀝青混合料的阻燃性能，從燃燒時間和質量損失值得出，一定摻量的阻燃劑能起到較好的阻燃效果，相較于基質瀝青混合料而言，阻燃瀝青混合料的阻燃性能非常顯著，阻燃性能隨摻量增加而增強。

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