阻燃瀝青及其混合料技術性能研究

郭瑞+謝寧+王歡+范志新+秦琦

（鄭州大學 450001）

摘 要：當前，瀝青路面在公路隧道工程建設中大量使用，而瀝青易燃的危險性也引起了各國專家的重視。因此，為了解決瀝青的易燃性問題，驗證阻燃瀝青及其混合料性質，本文通過開展極限氧指數(shù)實驗評價阻燃瀝青的阻燃性能，通過車轍實驗、浸水馬歇爾實驗和凍融實驗分別研究了阻燃瀝青的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。結果表明，阻燃劑顯著地提高了瀝青的阻燃性能，在阻燃劑最佳摻量下，阻燃瀝青的高溫穩(wěn)定性得到了較大提高，而水穩(wěn)定性在滿足規(guī)范的前提下略有降低，但仍符合規(guī)范要求。

關鍵詞：阻燃瀝青；最佳摻量；極限氧指數(shù)；路用性能；

本文采用山東某公司生產的成品復配阻燃劑，采用干拌法直接制得阻燃瀝青。通過對制備好的阻燃瀝青進行瀝青技術指標及其極限氧指數(shù)試驗測試，并根據試驗結果，確定阻燃劑的最佳摻量。在阻燃劑的最佳摻量下，通過車轍試驗、浸水馬歇爾試驗以及凍融試驗研究阻燃瀝青的路用性能，以分析其在隧道中應用的可行性。

一、原材料及其物理性質

（1）瀝青

試驗采用70#道路石油瀝青，各項性能指標見表1，符合JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的技術要求。

（2）阻燃劑

實驗采用的阻燃劑屬于膨脹型阻燃劑，其包含三種成分，成炭劑季戊四醇，脫水劑聚磷酸銨以及發(fā)泡劑三聚氰胺。各成分的技術指標如表2所示。

（3）集料

集料的技術指標如表3所示。

（4）礦粉

礦粉的技術指標如表4所示。

二、阻燃瀝青技術性質

（1）阻燃瀝青阻燃性能評價

本文采用極限氧指數(shù)評價阻燃瀝青的阻燃性能。極限氧指數(shù)是指規(guī)定條件下，試件在氧氣和氮氣的混合氣體中維持平衡燃燒所需最低的氧氣濃度。一般空氣中的氧氣濃度為21%。試驗結果如表5所示。

從表5數(shù)據可以看出，隨著阻燃劑的摻量增加，阻燃瀝青的極限氧指數(shù)增大。阻燃劑的增加可以顯著增加阻燃瀝青的阻燃性能，在阻燃劑摻量為8%時，極限氧指數(shù)可達到25.3%。

（2）阻燃瀝青基本性質

瀝青三大指標是劃分粘稠石油瀝青的重要技術指標，對瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗疲勞能力、水穩(wěn)定性和耐久性有影響。另外，布氏旋轉粘度是路面一個重要的力學指標，與瀝青混合料動穩(wěn)定度有很大的相關性。

石油瀝青在加入阻燃劑之后，三大指標以及布氏旋轉粘度將產生變化，試驗采用《瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG 20E-20-2011），分別測定了阻燃劑摻量為5%、6%、7%和8%的阻燃瀝青的三大指標和粘度。

基質瀝青在加入阻燃劑后，隨著阻燃劑摻量增加，針入度值降低且速度趨緩，可見分散在瀝青中的阻燃劑細小顆粒使瀝青的針入度變小，而其摻量增多對其針入度的影響在減弱。阻燃劑的摻量增加會使阻燃瀝青的軟化點升高，且幅度均勻。對于瀝青延度，阻燃劑摻量的增加會使阻燃瀝青的延度減小，它的變化趨勢為隨著阻燃劑摻量增加，延度減小的趨勢越來越緩和。分析阻燃劑的摻入對阻燃瀝青粘度的影響，可以發(fā)現(xiàn)隨著阻燃劑的摻加量增大，阻燃瀝青的粘度呈增加的趨勢。

（3）阻燃劑最佳摻量

根據試驗測得的數(shù)據，極限氧指數(shù)隨著阻燃劑摻量的提高而提高，僅從這一個因素分析，阻燃劑摻量越大，阻燃效果越好，但是過多的阻燃劑，將無法充分溶解在瀝青中，給瀝青的物理性能造成很大的影響，使針入度、延度以及粘度降低，軟化點升高，這是由于阻燃劑的加入使石油瀝青的鏈段自由活動的能力減弱，瀝青變稠。在摻量為7%時，針入度和延度趨向穩(wěn)定，軟化點有急劇上升的趨勢，另外考慮經濟因素，阻燃劑的最佳摻量為7%。

三、阻燃瀝青混合料路用性能研究

（1）級配和最佳油石比

根據集料在試驗室內的篩分結果，參照《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）中的級配范圍，本文在試驗時選取了AC-16C這種級配進行混合料配合比設計。AC-16C的級配范圍、合成級配及其級配曲線如圖1所示。

在確定最佳油石比時，選取3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%四個油石比，每個油石比成型4個馬歇爾試件，按《瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG 20E-20-2011）中試驗方法測定體積參數(shù)、穩(wěn)定度、流值，取平均值計算混合料最佳油石比。

以油石比為橫坐標，以馬歇爾試驗的各項指標為縱坐標，將試驗結果繪成圓滑的曲線，從而確定相應于密度最大值的油石比a1=4.2，相應于穩(wěn)定度最大值的a2=4.9，目標空隙率對應的的油石比a3=4.0，相應于瀝青飽和度范圍中值的油石比a4=4.0，OACmin=3.4，OACmax=4.4。

OAC1=1/4（a1+a2+a3+a4）=4.275

OAC2=1/2（OACmin+OACmax）=4.4

OAC=1/2（OAC1+OAC2）=4.3375，取為4.34

因此，通過馬歇爾方法確定阻燃瀝青的最佳油石比為4.34%。

（2）高溫穩(wěn)定性

根據規(guī)范T 0719測得的混合料動穩(wěn)定度結果如表8所示。

根據實驗數(shù)據可以看出，由于阻燃劑的摻入，瀝青混合料的動穩(wěn)定度增大。這是因為阻燃劑的摻入增大了瀝青的粘度和軟化點，改善了瀝青的抗高溫能力，從而提高了混合料的車轍動穩(wěn)定度，進而提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

（3）水穩(wěn)定性

在阻燃劑摻量為最佳摻量7%的條件下，本文用浸水馬歇爾實驗和凍融劈裂試驗研究阻燃瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，分別進行了4組平行試驗。

根據《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）規(guī)定，普通瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度比不能低于75%，和殘留強度比均不能低于70%。試驗結果表明，盡管阻燃劑的摻入影響了瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但由于阻燃劑的摻量較小，瀝青膜的厚度減小有限，阻燃瀝青混合料仍然具有良好的水穩(wěn)定性。

結論：

a.阻燃劑顯著提高了普通瀝青的阻燃性，阻燃劑摻量為8%時，普通瀝青的極限氧指數(shù)可達到25.3%。

b.阻燃劑增大了瀝青的粘度和軟化點，使針入度和延度減小。

c.由于瀝青的軟化點和粘度的提高，阻燃瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到了提高，而阻燃劑影響了瀝青膜厚度，從而使水穩(wěn)定性略有降低，但仍滿足規(guī)范要求。

d.本文研究結果是建立在室內試驗的基礎上進行的，與實際應用情況存在一定的差異，應推廣阻燃瀝青與阻燃瀝青混合料的應用，并長期觀測其使用性能，為其路用性能作出參考。

參考文獻：

[1] 楊樹人.李力.阻燃瀝青及其混合料的研究現(xiàn)狀[J].石油瀝青：2007，21（4）

[2] 李立寒.鄒小龍.陳春羽.復配阻燃瀝青氧指數(shù)和路用性能研究[J].建筑材料學報：2013，16（1）.

[3] 徐婷.隧道阻燃抑煙瀝青及其混合料技術性能與機理研究[D].西安：長安大學，2009.

[4] 趙永利.吳震.黃曉明.瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗方法對比研究[J].城市道橋與防洪：2001，31（3）.

[5] 孔憲明.余劍英.程松波.吳少鵬.叢培良.阻燃劑對SBS改性瀝青混合料路用性能影響[J].武漢理工大學學報：2007.29（8）.

[6] 叢培良.阻燃瀝青混凝土的制備與路用性能研究 [D].武漢：武漢理工大學，2006.

作者簡介：

郭瑞，1994年5月，男，漢族，安徽省安慶市人；職稱：學生；單位：鄭州大學；專業(yè)：道路橋梁與渡河工程。

謝寧，1994年11月，女，漢族，山東省泰安市人；職稱：學生；單位：鄭州大學；專業(yè)：道路橋梁與渡河工程。

王歡，1995年9月，女，漢族，山西省運城市人；職稱：學生；單位：鄭州大學；專業(yè)：道路橋梁與渡河工程。

范志新，1994年4月，男，漢族，河南省信陽市人；職稱：學生；單位：鄭州大學；專業(yè)：道路橋梁與渡河工程。

秦琦，1995年1月，男，漢族，河南省鶴壁市人；職稱：學生；單位：鄭州大學；專業(yè)：道路橋梁與渡河工程。