環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料技術性能探究

姜 華，楊獻章2，高 瓊

(1.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015；2.湖南省高速公路集團有限公司，湖南 長沙 410022)

0 引言

目前隨著經濟社會的大發(fā)展，道路工程技術得到長遠發(fā)展，在不利地形中隧道的應用越來越多。但由于隧道內相對封閉的環(huán)境，當發(fā)生事故引起火災時，將對車輛及乘客造成嚴重的傷害。阻燃瀝青在此背景下受到關注，目前阻燃瀝青仍以向瀝青中摻加阻燃劑的濕法工藝為主，該種工藝下的阻燃瀝青性能均勻優(yōu)異，可以充當阻燃的不良導體。添加阻燃劑后，路面更不易燃燒，煙氣排放量大大降低，有助于行車安全。目前常見的SBS阻燃改性瀝青混合料成本高昂，仍需尋找合適的改性替代品。近些年廢舊輪胎固棄物處理方式之一的橡膠瀝青得到了越來越多的研究，該方法利用廢舊輪胎粉末作為基質瀝青改性劑，得到了性能優(yōu)異的新型改性瀝青，路用性能良好，環(huán)保效益突出。同時膠粉由于具有一定的“惰性”，在高溫瀝青介質中化學不活潑，因此考慮摻入適量阻燃劑可以得到一種阻燃瀝青，在課題組的前期研究中，獲得的一種性能優(yōu)良的環(huán)保型阻燃橡膠瀝青結合料，本文將對該種混合料的多種性能進行詳細探究，分析該種混合料的性能優(yōu)勢及路用可行性[1-5]。

1 混合料制備

阻燃瀝青采用課題組前期研究得到的一種環(huán)保型阻燃橡膠瀝青，集料采用實驗室現(xiàn)有的玄武巖碎石。利用馬歇爾配合比設計方法確定該種混合料最佳設計配比[6]，具體試驗結果如表1、表2所示。

表1 環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料礦料級配Table 1 Environmental flame retardant rubber asphalt mixture mineral grade不同篩孔(mm)時的礦料級配通過率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.0751009560292118131075

表2 最佳油石比下馬歇爾試件的試驗結果Table 2 Test Results of Marshall Template in Best Oilstone油石比/%最大理論相對密度毛體積相對密度空隙率/%5.62.6042.4904.4礦料間隙率VMA/%飽和度VFA/%穩(wěn)定度/kN流值/mm14.870.411.884.7

2 基本性能分析

根據上文得到的混合料，并選取目前常用的SBS改性瀝青混合料和SBS阻燃改性瀝青混合料進行全面的性能對比，綜合分析并全面考察環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料性能[7-12]。

2.1 高溫穩(wěn)定性

采用瀝青路面施工技術規(guī)范要求的60 ℃車轍動穩(wěn)定度試驗對不同類型的混合料高溫性能進行評價，試驗結果如圖1和圖2所示。

圖1 45 min和60 min車轍深度Figure 1 Rut depth at 45 min and 60 min

圖2 60 ℃車轍動穩(wěn)定度Figure 2 Turbine stability at 60 ℃

根據圖1、圖2，環(huán)保型橡膠瀝青混合料第45分鐘和第60分鐘的車轍深度是3種混合料中最小的，說明該種混合料抵抗溫度變形的能力更強。從高溫動穩(wěn)定度指標來看，環(huán)保型橡膠瀝青混合料的高溫性能略優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，且與SBS阻燃改性瀝青混合料無差別?？紤]隧道內無陽光直射，溫度普遍偏低，對高溫車轍要求不高，因此可知環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料的高溫性能完全滿足隧道路面的使用。

2.2 低溫抗裂性

防止或延緩瀝青路面在低溫下的開裂，要求瀝青混合料具有較好的低溫抗裂性能。采用低溫小梁彎曲試驗中的破壞應變指標，評價3種改性瀝青混合料的低溫抗裂性能。具體試驗結果如圖3所示。

圖3 3種改性瀝青混合料的疲勞破壞應變Figure 3 Fatigue failure strain of three modified asphalt mixtures

根據圖3的試驗結果，3種瀝青混合料的疲勞破壞應變均超過了規(guī)范在冬嚴寒區(qū)中規(guī)定的破壞應變值，說明3種混合料均能在低溫地區(qū)使用。其中環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料的低溫抗裂性能要優(yōu)于SBS改性瀝青及SBS阻燃改性瀝青混合料，說明適量膠粉的摻入，在改善瀝青結合料的同時，增強了低溫抵抗性，在混合料的成型過程中起到了較好的加固作用，顯著增強了對低溫裂縫的抵抗能力。

2.3 水穩(wěn)定性

由于隧道環(huán)境中常有地下水、拱頂滲水、雨水灌入等，因此應著重考慮隧道瀝青路面的水穩(wěn)性能。按照施工技術規(guī)范的方法為主對比評價3種改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。具體試驗結果如圖4、圖5所示。

圖4 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度比Figure 4 Marshall residue stability ratio

圖5 凍融劈裂殘留強度比Figure 5 Residual strength ratio of freeze-thaw splitting

根據圖4、圖5的試驗結果，3種改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性指標均滿足規(guī)范的要求。摻入膠粉后，由于橡膠粉主要通過物理作用分散在瀝青中，一般摻量甚至大于10%，其界面連接相對不足，與集料的粘附作用沒有瀝青直接粘附強，在經歷高溫水作用后，會影響混合料間的粘結，從而會水穩(wěn)定性呈現(xiàn)出小幅度折減的趨勢。但環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料由于摻入了一些助劑，通過化學反應，一定程度上彌補了膠粉的缺陷。試驗結果表明該混合料具有的水穩(wěn)定性可以滿足隧道路面的使用。

2.4 抗疲勞性能

路面在經受自然環(huán)境及車輛重載的反復作用下，往往是抗疲勞性能越好的混合料，使用期限越長。采用MTS進行梁式試件四點彎試驗，疲勞試驗結果如圖6所示。

圖6 3種瀝青混合料在不同應力比下的疲勞壽命Figure 6 Fatigue life of three asphalt mixtures under different stress ratios

由圖6可知，SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命大于另外兩種混合料。同時盡管膠粉與集料界面粘結效果差，但膠粉富有彈性，在經歷多次荷載疲勞作用后，仍具有較好的恢復變形能力，疲勞壽命并未有較大衰減。綜合來看，3種混合料疲勞壽命差別不大。

2.5 APA浸水車轍試驗

綜合考慮隧道內瀝青路面所處的特殊環(huán)境，為進一步研究環(huán)保型阻燃瀝青混合料水損變形性能，采用APA試驗對比分析不同改性瀝青混合料在水和荷載共同作用下的性能變化。利用在高溫水荷載環(huán)境下產生的車轍深度變化趨勢等指標綜合評價混合料的高溫穩(wěn)定性和抗水損壞能力。試驗結果如表3所示。

表3 APA浸水車轍試驗結果Table 3 APA Results of rutting test under immersion conditions混合料類型最大車轍深度RD/mm時間t /h車轍變形率rRD/(mm·h-1)SBS改性瀝青混合料5.8722.2112.656SBS阻燃改性瀝青混合料5.5362.2062.510環(huán)保型橡膠瀝青混合料5.1922.2022.358

根據試驗結果，兩種摻加阻燃劑的混合料車轍深度均小于SBS改性瀝青混合料的，說明摻加阻燃劑能適當提高混合料的高溫抗變形能力。最后計算得到，環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料的車轍變形率最小，說明環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料試件在溫度和水荷載作用下，抵抗破壞變形的能力最強，與傳統(tǒng)的車轍結果一致。從而可以說明課題組設計的混合料高溫水穩(wěn)定性較好，能滿足隧道路面的使用要求。

3 阻燃性能評價

傳統(tǒng)的極限氧指數(shù)及熱重試驗主要用于評價瀝青結合料的阻燃特性，無法評價混合料的阻燃性能，因此難以與實際路面特性相符。混合料的燃燒特性與瀝青結合料種類、級配形式、空隙率等因素息息相關。因此，為盡可能探究實際路面的阻燃性能，采用錐形量熱試驗(CONE)進行定量評價，從而避免了傳統(tǒng)混合料試件模擬燃燒試驗無法定量評價阻燃特性的問題[13]。對上述3種混合料分別進行錐形量熱試驗，主要以點燃時間、總熱釋放等指標進行燃燒特性評價，對于混合料燃燒產生的煙氣，采用總煙釋放量指標定性評價煙霧抑制能力。試驗結果如表4所示。

表4 CONE試驗參數(shù)結果Table 4 Results of CONE test parameters混合料類型點燃時間/s燃燒時間/s總熱釋放量/ MJ·m-2 質量損失/%總煙釋放量/ m2·m-2 SBS改性瀝青混合料18254443.755.101 356.45SBS阻燃改性瀝青混合料19840238.394.67939.19環(huán)保型橡膠瀝青混合料21238332.844.36583.12

根據試驗結果，點燃時間方面，摻加阻燃劑后，混合料的點燃時間均得到增加，說明阻燃劑通過內部的反應，有效拖延了易燃物在高溫火苗下的點燃時間。燃燒時間和總熱釋放量指標也反映了這個規(guī)律，可以說阻燃劑使得混合料更不容易被點燃，同時被點燃后燃燒持續(xù)時間縮短，熱釋放量減少。質量損失越小也間接反映出燃燒被阻燃劑拖延，而導致可燃物被燃燒反應掉的量減少，即意味著阻燃劑在一定程度上能更好地阻止因為燃燒導致的混合料質量降低。燃燒時煙氣的排放也是造成事故嚴重程度的重要因素。發(fā)煙量越少，表明混合料越不容易燃燒發(fā)煙。通過總煙釋放量指標可以發(fā)現(xiàn)，課題組研發(fā)的混合料發(fā)煙量要明顯更少。綜合比較試驗結果，阻燃劑的加入，有效增強了混合料的耐燃燒特性，縮短了燃燒時間，降低了煙氣排放，從而最大程度降低人員傷亡。同時環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料各項燃燒指標均與成品的阻燃混合料類似，說明課題組研發(fā)的混合料產品，能夠達到市場和隧道路面的使用要求，具有較好的應用空間。

4 結論

a.通過馬歇爾配合比設計方法，獲得了適合環(huán)保型阻燃橡膠瀝青的混合料配比。

b.通過混合料性能對比試驗可以發(fā)現(xiàn)：環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料具有較小的高溫車轍深度，動穩(wěn)定度較大，低溫疲勞破壞應變大，抗水損能力強，疲勞壽命大，其各項性能指標均不亞于目前主流的混合料，APA浸水車轍試驗也佐證了該混合料具備良好使用性能，在隧道特殊環(huán)境中滿足各項使用要求。

c.通過錐形量熱試驗定量評價了3種瀝青混合料的阻燃性能，環(huán)保型阻燃橡膠瀝青混合料更不容易點燃，燃燒時間短，質量損失小，總煙釋放量少，說明該種混合料較一般混合料更不容易燃燒，能夠充分實現(xiàn)隧道路面的難燃性，保障隧道內行車安全。