溫拌阻燃SBS改性瀝青性能試驗(yàn)分析

周志剛， 凌永毅， 俞文生,2， 羅根傳,3， 王習(xí)進(jìn)

(1.長沙理工大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙　410114；2.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌　330000；3.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧　530000)

目前，公路隧道路面普遍采用瀝青混凝土路面形式。然而，瀝青屬于可燃物，在相對封閉且通風(fēng)性能差的隧道中一旦發(fā)生火災(zāi)，就會(huì)引起瀝青的燃燒，隧道中的人員生命和財(cái)產(chǎn)安全將受到極大的威脅。同時(shí)，瀝青路面施工通常采用熱拌法。高溫拌合的缺點(diǎn)是耗能高且產(chǎn)生大量粉塵、溫室氣體及有害氣體，不僅違背了綠色環(huán)保原則，而且嚴(yán)重?fù)p害了施工人員的身體健康。因此，有必要開展溫拌阻燃SBS改性瀝青技術(shù)研究。歐美的學(xué)者們較早對溫拌阻燃瀝青進(jìn)行了相關(guān)研究[1]。Troitzsch[2]研究了幾種不同阻燃劑的技術(shù)特性。Lee[3]等人研究了短期和長期老化狀態(tài)下溫拌瀝青性能的變化規(guī)律。Fakhri[4]等人研究了溫拌瀝青的疲勞性能。Hurley[5]等人對溫拌瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法、力學(xué)性能、壓實(shí)特性、高溫抗車轍及水穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。中國的學(xué)者們對溫拌阻燃瀝青也展開了一系列研究。楊志峰[6]等人通過三大指標(biāo)、布氏旋轉(zhuǎn)粘度、粘溫掃描及DSR等試驗(yàn)，研究了7種不同溫拌劑對SBS改性瀝青性能的影響。李雪連[7]等人通過三大指標(biāo)、布氏旋轉(zhuǎn)粘度、粘溫掃描、DSR及BBR等試驗(yàn)，研究了不同摻量的Sasobit對SBS改性瀝青性能的影響，并提出Sasobit的最佳摻量。李波[8]等人基于表面自由能理論，研究了Sasobit和Evotherm 3G溫拌SBS改性瀝青的粘聚功、剝落功及與石灰?guī)r質(zhì)集料的粘附功和配伍率，得出2種溫拌劑對SBS改性瀝青水穩(wěn)定性的影響規(guī)律。張?jiān)耓9]等人采用EWMA-1、水性溫拌劑、EC-120及Aspha-min 4種溫拌劑，通過三大指標(biāo)、老化性能及布氏粘度試驗(yàn)，研究了膠粉改性瀝青中摻入不同溫拌劑的溫拌效果和對其常規(guī)性能的影響。周志剛[10]等人研究了Sasobit溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑對SBS瀝青各項(xiàng)性能的影響。由于溫拌劑和阻燃劑的種類多，且與不同的瀝青組合能產(chǎn)生許多種類的溫拌阻燃瀝青，同時(shí)，各自的研究目的、試驗(yàn)方法及試驗(yàn)條件都存在著不同程度的差異。因此，溫拌阻燃瀝青的研究成果具有局限性，需開展更多相關(guān)的研究，以完善溫拌阻燃瀝青技術(shù)并促進(jìn)其推廣應(yīng)用。為此，作者針對SBS改性瀝青，擬利用2種溫拌劑和2種阻燃劑，測試3種瀝青(溫拌瀝青、阻燃瀝青及溫拌阻燃瀝青)的常規(guī)技術(shù)性能指標(biāo)、極限氧指數(shù)及PG分級(jí)指標(biāo)，對比分析溫拌劑和阻燃劑對SBS改性瀝青施工性能、路用性能及阻燃性能的影響，以期為溫拌阻燃瀝青路面工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1　原材料及其性能指標(biāo)

1.1　瀝青

本試驗(yàn)所采用的原樣瀝青為I-D等級(jí)的SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1，均滿足規(guī)范 要求[11]。

表1　SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1　Technical index of SBS modified asphalt

1.2　溫拌劑

選用2種溫拌劑Sasobit和EWMA-1。Sasobit溫拌劑由德國沙索公司研究開發(fā)，外觀為白色或淡黃色固體小顆粒，滴熔點(diǎn)為115 ℃，閃點(diǎn)為286 ℃，密度為0.9 g/cm3，是一種新型聚烯烴類瀝青普適改性劑。其降溫機(jī)理為：Sasobit的滴熔點(diǎn)較低，高溫條件下易熔于瀝青或混合料。Sasobit在瀝青中具有潤滑作用，可有效降低瀝青粘度，使瀝青混合料在較低的溫度下也能獲得較好的施工和易性能，從而降低拌合溫度。EWMA-1溫拌劑是一種表面活性劑類瀝青添加劑，常溫下為暗黃色液體，20 ℃粘度為760 mPa·s，密度為0.966 g/cm3。其降溫機(jī)理為：該溫拌劑在瀝青混合料的拌合過程中，由于機(jī)械攪拌作用瀝青內(nèi)部形成大量結(jié)構(gòu)性水膜，水膜在拌合中具有潤滑作用，顯著提高混合料的拌合和易性，從而降低拌合溫度。

1.3　阻燃劑

選用FRMAXTM高效阻燃劑和Sasoproof阻燃劑。FRMAXTM高效阻燃劑是一種復(fù)合型阻燃劑，外觀為白色粉末，密度為0.8～1.8 g/cm3，熔解溫度超過130 ℃。其阻燃機(jī)理為：瀝青中的阻燃劑受熱時(shí)，表面產(chǎn)生一層均勻的炭層泡沫層，該層結(jié)構(gòu)具有隔熱、氧及抑煙功能，有效防止瀝青受熱熔滴，達(dá)到阻燃的目的。Sasoproof阻燃劑是一種復(fù)合型無鹵阻燃改性劑，主要原材料為氮磷系阻燃劑，外觀為白色粉末，密度2.2 g/cm3，吸熱溫度大于250 ℃，分解溫度大于270 ℃。其阻燃機(jī)理為：氮磷系阻燃劑在高溫燃燒中發(fā)生分解，吸收大量熱量，大大降低瀝青及其周圍溫度，起到抑制瀝青燃燒的作用。同時(shí)，氮磷系物質(zhì)分解生成一層粘稠狀的磷的含氧酸、惰性氣體和水，起到隔氧、隔熱及降低瀝青表面溫度的作用，從而達(dá)到阻燃的目的。

2　溫拌阻燃瀝青的制備方法

為了減少制備過程中的老化，制備溫度應(yīng)控制在140～150 ℃之間。為了使溫拌劑和阻燃劑能均勻穩(wěn)定地分散在瀝青中，采用AE300L-P型實(shí)驗(yàn)室乳化機(jī)高速剪切儀進(jìn)行制備。

1) 溫拌瀝青制備方法

對于液體溫拌劑，用電爐將瀝青溫度均勻加熱到140～150 ℃。加熱期間，采用玻璃棒攪拌，防止局部過熱。將對應(yīng)質(zhì)量的溫拌劑分多次緩慢倒入瀝青中，同時(shí)，用玻璃棒不停地?cái)嚢瑁郎匕鑴┚鶆蛉苋霝r青且不再發(fā)泡后，采用600 轉(zhuǎn)/min進(jìn)行恒溫高速剪切10 min。對于固體粉末溫拌劑，采用相同的操作方法，待溫拌劑均勻熔入瀝青且表面顆粒漂浮現(xiàn)象明顯消散后，調(diào)節(jié)高速剪切儀至1 500～2 000 轉(zhuǎn)/min，恒溫高速剪切20 min。

2) 阻燃瀝青制備方法

阻燃瀝青的制備需將瀝青溫度加熱到160～170 ℃，操作方法與溫拌瀝青制備方法相同，采用1 500～2 000 轉(zhuǎn)/min進(jìn)行恒溫高速剪切15 min。

3) 溫拌阻燃瀝青制備方法

制備溫拌阻燃瀝青時(shí)采用先制備溫拌瀝青的方法，即在約140 ℃添加溫拌劑先制備溫拌瀝青，然后再向溫拌瀝青中添加阻燃劑。溫拌瀝青在約140 ℃已具備較好的流動(dòng)性，阻燃劑可以較均勻地分散在溫拌瀝青中，就可減小制備過程中溫拌阻燃瀝青的老化。

3　三大指標(biāo)試驗(yàn)

本試驗(yàn)中各溫拌劑和阻燃劑與SBS改性瀝青的互摻用量為：Sasobit 3%，EWMA-1 7‰，F(xiàn)RMAXTM7%，Sasoproof 6%。瀝青三大指標(biāo)測試結(jié)果見表2。

表2　瀝青三大指標(biāo)測試結(jié)果Table 2　Test results of three index of asphalt

從表1，2中可以看出，原SBS改性瀝青中摻入Sasobit溫拌劑，其針入度大幅度降低，軟化點(diǎn)大幅度提高，延度大幅度減小。表明：Sasobit溫拌劑的加入使原樣瀝青的高溫性能提高，低溫性能下降；原樣SBS改性瀝青摻入EWMA-1溫拌劑后，其針入度的變化不大，軟化點(diǎn)略有降低，延度大幅度增加。表明：EWMA-1溫拌劑的加入使原樣瀝青的高溫性能略有下降，低溫性能大幅度提高。

將FRMAXTM高效阻燃劑加入到Sasobit溫拌瀝青中，使Sasobit溫拌瀝青的針入度增加和軟化點(diǎn)降低，不過兩者的增減幅度都不大，但是延度大幅度降低。表明：FRMAXTM高效阻燃劑的加入對Sasobit溫拌瀝青的低溫性能不利；FRMAXTM高效阻燃劑的加入使EWMA-1溫拌瀝青的針入度和軟化點(diǎn)降低，不過兩者的降低幅度也不大，而延度大幅度降低，但是由于EWMA-1溫拌劑的加入使原樣SBS改性瀝青的延度得到大幅度提高，可部分抵消FRMAXTM阻燃劑對延度的不利影響，因此，兩者的互摻相對于FRMAXTM阻燃劑和Sasobit溫拌劑的互摻對原樣SBS改性瀝青低溫性能的影響不大。同樣的，Sasoproof阻燃劑與Sasobit和EWMA-1溫拌劑的組合，針入度和軟化點(diǎn)的變化幅度都不大，而延度都大幅度降低，特別是Sasobit+Sasoproof組合類型的延度降低至接近規(guī)范[11]中5 ℃延度的下限值，這對瀝青的低溫性能極為不利，因此，可以排除這種組合類型。

4　氧指數(shù)試驗(yàn)

目前，評價(jià)阻燃改性瀝青的阻燃性能通常采用氧指數(shù)試驗(yàn)法。氧指數(shù)是指在規(guī)定的條件下，瀝青試樣在氮氧混合氣流中能維持持續(xù)燃燒狀態(tài)所需的最低氧濃度，以氧氣所占總氣體體積的百分?jǐn)?shù)表示。試驗(yàn)方法參照《橡膠燃燒性能的測定(GB/T 10707-2008)》[12]。試驗(yàn)分別測定了原樣瀝青、阻燃瀝青及溫拌阻燃瀝青的氧指數(shù)，對比分析添加溫拌劑后對阻燃瀝青阻燃性能的影響。SBS改性瀝青及其阻燃瀝青、溫拌阻燃瀝青的氧指數(shù)測試結(jié)果見表3。

從表3中可以看出，原樣瀝青中加入阻燃劑，瀝青的氧指數(shù)得到大幅度提高。其中：FRMAXTM高效阻燃劑的氧指數(shù)高于Sasoproof阻燃劑的，F(xiàn)RMAXTM高效阻燃劑的阻燃性能優(yōu)于Sasoproof阻燃劑的。因此，從阻燃性能要求考慮，優(yōu)先選用FRMAXTM高效阻燃劑。阻燃瀝青中加入溫拌劑，瀝青的氧指數(shù)都有不同程度的下降，表明溫拌劑對阻燃劑的阻燃效果有一定的抑制作用。其中：EWMA-1溫拌劑使瀝青的氧指數(shù)降低程度相對較大，Sasobit溫拌劑對氧指數(shù)的影響很小。相對于EWMA-1溫拌劑，Sasobit溫拌劑對阻燃劑的抑制作用更小。

表3　瀝青氧指數(shù)測試結(jié)果Table 3　Test results of oxygen index of asphalt

5　PG分級(jí)指標(biāo)試驗(yàn)

為了更好地反映溫拌阻燃瀝青路面的路用性能，本研究采用PG分級(jí)方法，對比分析各種瀝青路用性能。即利用動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)(DSR)和低溫彎曲梁流變實(shí)驗(yàn)(BBR)，評價(jià)原樣不同類型瀝青(SBS改性瀝青、溫拌瀝青及溫拌阻燃瀝青)的高溫抗車轍、中溫抗疲勞及低溫抗裂性能。由于溫拌技術(shù)在實(shí)際施工期間能大幅度降低瀝青的老化程度，PG分級(jí)方法中的RTFOT老化不再適用于模擬施工期間瀝青的短期老化。因此，試驗(yàn)分別考慮無短期老化和短期老化2種情況，即分別進(jìn)行了僅PAV長期老化后和RTFOT短期老化+PAV長期老化后的中溫疲勞指標(biāo)試驗(yàn)。瀝青PG分級(jí)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從表4中可以看出，將EWMA-1溫拌劑加入到原樣SBS改性瀝青中，使瀝青在未經(jīng)老化條件下的高溫車轍失效溫度降低，即高溫PG分級(jí)下降了一個(gè)等級(jí)?？梢?，加入EWMA-1溫拌劑對瀝青的高溫性能不利。將Sasoproof阻燃劑加入到EWMA-1溫拌瀝青中，制成溫拌阻燃瀝青。相比于EWMA-1溫拌瀝青，RTFOT老化前2種瀝青高溫車轍失效溫度的相差不大，高溫PG分級(jí)同為PG76；同樣的，RTFOT老化后2種瀝青在同一溫度下的高溫車轍失效溫度一致，高溫PG分級(jí)同為PG70，表明添加Sasoproof阻燃劑對EWMA-1溫拌瀝青高溫抗車轍性能的影響不明顯。將FRMAXTM阻燃劑加入到EWMA-1溫拌瀝青中，制成溫拌阻燃瀝青。相比于EWMA-1溫拌瀝青，RTFOT老化前、后溫拌阻燃瀝青的高溫車轍失效溫度略低，但高溫PG分級(jí)仍屬于同一等級(jí)，表明添加FRMAXTM阻燃劑對EWMA-1溫拌瀝青高溫抗車轍性能的影響也不大。

表4　瀝青PG分級(jí)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 4　Test results of PG grade index of asphalt

注：①高溫失效溫度一欄中分隔號(hào)左、右兩側(cè)的測試結(jié)果分別屬于未經(jīng)老化的原樣瀝青和RTFOT老化后的瀝青。②中溫失效溫度一欄中分隔號(hào)左、右兩側(cè)的測試結(jié)果分別屬于PAV老化后的瀝青和RTFOT+PAV老化后的瀝青。

將Sasobit溫拌劑加入到原樣SBS改性瀝青中，使瀝青的高溫車轍失效溫度增加，即高溫PG分級(jí)上升了一個(gè)等級(jí)，表明Sasobit溫拌劑的加入可提高瀝青的高溫性能。將Sasoproof阻燃劑加入到Sasobit溫拌瀝青中，制成溫拌阻燃瀝青。相比于Sasobit溫拌瀝青，RTFOT老化前溫拌阻燃瀝青的高溫車轍失效溫度有所降低，即高溫PG分級(jí)下降了一個(gè)等級(jí)；RTFOT老化后溫拌阻燃瀝青的失效溫度也有所降低，但高溫PG分級(jí)仍同為PG76，表明添加Sasoproof阻燃劑對Sasobit溫拌瀝青的高溫抗車轍性能略微不利。而FRMAXTM阻燃劑與Sasoproof阻燃劑相比，對Sasobit溫拌瀝青老化前、后高溫穩(wěn)定性的影響相對較小，高溫PG分級(jí)仍屬于同一等級(jí)。因此，為保證溫拌阻燃瀝青的高溫抗車轍性能，選用FRMAXTM高效阻燃劑對瀝青的高溫抗車轍性能更為有利。

根據(jù)本試驗(yàn)的低溫延度、阻燃性能及高溫抗車轍分析結(jié)果，僅對摻入FRMAXTM高效阻燃劑的瀝青類型進(jìn)行了中溫動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在不考慮瀝青短期老化的情況下，將原樣SBS改性瀝青中加入溫拌劑，其相應(yīng)溫度下的疲勞因子都有所減小(表現(xiàn)為失效溫度降低)，表明溫拌劑的加入有利于瀝青的抗疲勞性能。若不考慮溫拌技術(shù)在施工期間的實(shí)際老化情況，仍然采用短期老化+長期老化，其中：Sasobit溫拌瀝青在相應(yīng)溫度下的疲勞因子相比于原樣SBS改性瀝青的疲勞因子有所增加，表明Sasobit溫拌劑對原樣SBS瀝青的抗疲勞性能略有不利，而EWMA-1溫拌劑不存在此類情況。因此，瀝青采用溫拌技術(shù)后的實(shí)際老化情況對溫拌瀝青中溫抗疲勞性能評價(jià)的影響很大。同樣的，對于2種溫拌阻燃瀝青，其抗疲勞性能相比于原樣SBS瀝青的抗疲勞性能都有所提高，其中：Sasobit+FRMAXTM溫拌阻燃瀝青的抗疲勞性能提高最為顯著，因此，Sasobit+FRMAXTM溫拌阻燃瀝青為最優(yōu)選擇。僅對Sasobit溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑制備的溫拌阻燃瀝青進(jìn)行了低溫彎曲梁流變試驗(yàn)，分別如圖1,2所示。從圖1,2中可以看出，隨著Sasobit摻入SBS改性瀝青后，瀝青的蠕變勁度模量隨著溫度的降低而增加，而蠕變勁度模量變化率隨著溫度的降低而減小。表明：Sasobit溫拌劑不利于瀝青的低溫性能，這與瀝青低溫延度試驗(yàn)的結(jié)論一致。隨著FRMAXTM阻燃劑的加入，瀝青的蠕變勁度模量繼續(xù)增加，蠕變勁度模量變化率繼續(xù)減小。表明：FRMAXTM阻燃劑對Sasobit溫拌瀝青的低溫性能不利，這也與瀝青低溫延度試驗(yàn)的結(jié)論一致。但原樣瀝青、溫拌瀝青及溫拌阻燃瀝青的低溫等級(jí)均為-18 ℃。

圖1　瀝青低溫彎曲蠕變勁度模量Fig. 1　Bending creep stiffness modulus of asphalt at low temperature

圖2　瀝青低溫彎曲蠕變勁度模量變化率Fig. 2　The change rate of bending creep stiffness modulus for asphalt at low temperature

6　布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)

對于經(jīng)過優(yōu)選的Sasobit+FRMAXTM溫拌阻燃瀝青，考慮到阻燃劑的加入會(huì)影響溫拌瀝青的粘度，從而影響溫拌劑的降粘效果，因此，對原樣SBS改性瀝青、Sasobit溫拌瀝青以及Sasobit+FRMAXTM溫拌阻燃瀝青進(jìn)行了布氏旋轉(zhuǎn)粘度測試，見表5。

從表5中可以看出，將Sasobit溫拌劑加入到原樣SBS瀝青中，使瀝青在高溫區(qū)的粘度大幅度降低，表明：Sasobit溫拌劑的降粘效果非常顯著，在低溫區(qū)的粘度反而比原樣瀝青的增加，這對瀝青的路用性能有利。添加FRMAXTM阻燃劑使溫拌瀝青的粘度有所增加，但在高溫區(qū)粘度增加的幅度較小。隨著溫度的降低、FRMAXTM阻燃劑的加入，溫拌瀝青粘度增加得較大。但從總體來看，溫拌阻燃瀝青的粘度比原樣SBS瀝青的粘度明顯減小。因此，就施工拌合與擊實(shí)溫度來說，F(xiàn)RMAXTM高效阻燃劑的摻入對Sasobit溫拌瀝青施工溫度的影響較小。

表5　瀝青布氏粘度測試結(jié)果Table 5　Test results of Brookfield viscosity of asphalt

7　結(jié)論

本研究選取2種溫拌劑(Sasobit 3%，EWMA-1 7‰)和2種阻燃劑(FRMAXTM7%，Sasoproof 6%)制備不同類型溫拌瀝青和溫拌阻燃瀝青，研究了溫拌劑和阻燃劑對SBS改性瀝青路用性能的影響以及溫拌劑和阻燃劑之間的交互作用，得到的結(jié)論為：

1) Sasobit溫拌劑會(huì)增強(qiáng)SBS改性瀝青的高溫性能，降低其低溫性能；而EWMA-1溫拌劑則使其高溫性能略有下降，低溫性能大幅度提高。阻燃劑的加入對溫拌瀝青高溫性能影響不大，但會(huì)導(dǎo)致其低溫性能大幅度的降低。其中：Sasoproof阻燃劑的影響更為不利，特別是對于Sasobit溫拌瀝青。

2) 阻燃劑在瀝青中受熱產(chǎn)生的隔熱、氧層及其特殊物質(zhì)的分解吸熱能有效降低瀝青表面溫度，因此，可大幅度提高SBS改性瀝青的氧指數(shù)，其中：FRMAXTM高效阻燃劑的阻燃性能優(yōu)于Sasoproof阻燃劑的。而溫拌劑的潤滑作用會(huì)降低隔熱、氧層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)溫拌劑會(huì)抑制阻燃劑中特殊物質(zhì)的分解，因此，溫拌劑的摻入均不同程度地抑制了阻燃劑阻燃效果的發(fā)揮，其中：溫拌劑Sasobit對添加阻燃劑FRMAXTM的阻燃瀝青氧指數(shù)無影響。

3) 采用熱拌瀝青或溫拌瀝青的拌合方式，溫拌劑對瀝青抗疲勞性能影響的結(jié)果不同。若利用溫拌技術(shù)，溫拌劑的摻入降低了瀝青的施工溫度，大幅降低了溫拌阻燃瀝青的短期老化程度，大幅提升了SBS改性瀝青的抗疲勞性能。

4) Sasobit溫拌劑在瀝青中具有高效潤滑作用，因此，Sasobit對SBS改性瀝青的施工溫度區(qū)域降粘效果非常顯著，同時(shí)也可進(jìn)一步改善其高溫抗車轍性能。而FRMAXTM阻燃劑對Sasobit溫拌瀝青施工溫度的影響不大。

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