復(fù)合阻燃溫拌瀝青混合料制備與性能研究

劉玉君 寇建國(guó) 江 琪 孫 倩 吳少鵬 謝 君 賈 梓

(1.河北省高速公路延崇籌建處 張家口 075400; 2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070;3.河北銳馳交通工程咨詢(xún)有限公司 石家莊 050000)

瀝青混凝土路面因其表面平整、降噪功能明顯、良好的行車(chē)舒適性、機(jī)械化程度高、易于建設(shè)和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于高速公路和隧道路面。

目前大多數(shù)隧道內(nèi)瀝青路面在建設(shè)過(guò)程中均采用傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料(hot mixture asphalt,HMA)。因隧道通風(fēng)性差，空間相對(duì)封閉等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料鋪筑路面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量瀝青煙氣和粉塵，對(duì)施工人員的身體健康及人身安全造成隱患；并且隧道修建在山區(qū)內(nèi)，其結(jié)構(gòu)具有曲折性，一旦發(fā)生交通事故，由于隧道特殊的封閉環(huán)境和瀝青的易燃性，很容易引起火災(zāi)。為解決上述安全隱患，需開(kāi)發(fā)一種高效的阻燃溫拌瀝青混合料，以在路面建設(shè)中降低瀝青混合料的施工溫度，并提高瀝青路面的難燃系數(shù)。

國(guó)外對(duì)溫拌和阻燃瀝青技術(shù)的研究起步較早[1]。一般來(lái)講，溫拌瀝青技術(shù)包括有機(jī)添加劑、化學(xué)添加劑和發(fā)泡技術(shù)3大體系[2-3]。海川新材公司生產(chǎn)的溫拌劑EC-120是一種聚烯烴類(lèi)的瀝青改性劑，相關(guān)研究表明EC-120具有良好的路用性能。例如，田小革等[4]研究發(fā)現(xiàn)EC-120的加入提高了瀝青結(jié)合料的抗高溫車(chē)轍性能，降低了其低溫性能。馬峰等[5]選用Aspha-min和Sasobit 2種溫拌劑，研究了不同溫拌劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響。研究表明Sasobit溫拌劑可將基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提升70%以上[6]。 然而針對(duì)無(wú)機(jī)阻燃劑和有機(jī)溫拌劑復(fù)合的阻燃溫拌瀝青混合料的路用性能研究較少。因此，本研究制備了一種阻燃溫拌瀝青混合料，并研究該混合料的路用性能，為該類(lèi)型混合料應(yīng)用于實(shí)際工程提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1瀝青

采用盤(pán)錦北方瀝青燃料有限公司提供的AH-90重交石油瀝青。其物理性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 AH-90重交石油瀝青試驗(yàn)結(jié)果

1.1.2阻燃劑

采用北京泰科萊爾化工有限公司提供的復(fù)合阻燃劑，其主要由有機(jī)硅改性層狀雙金屬氫氧化物L(fēng)DHs和石墨烯組成，其中LDHs中的鎂鋁質(zhì)量比為2∶1，LDHs和石墨烯均為層狀結(jié)構(gòu)。

1.1.3溫拌劑

溫拌劑采用河北陸鵬交通科技股份有限公司生產(chǎn)的環(huán)保節(jié)能型瀝青改性劑Sasobit，其主要化學(xué)成份是聚烯烴類(lèi)高分子聚合物，能有效降低瀝青混合料的拌和溫度。

1.1.4集料

粗集料選用蔚縣新源玄武礦業(yè)有限公司的玄武巖，細(xì)集料選用赤城縣惠康砂石料加工有限公司的機(jī)制砂。

1.1.5礦粉

礦粉一般在瀝青混合料中起空隙填充作用。采用陽(yáng)原龍陽(yáng)鈣業(yè)有限責(zé)任公司石灰?guī)r磨制的礦粉。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)利用有機(jī)硅改性層狀雙金屬氫氧化物L(fēng)DHs、石墨烯和溫拌劑Sasobit與AH-90重交石油瀝青均勻混合得到阻燃溫拌改性瀝青。

采用AC-13型瀝青混合料，合成級(jí)配曲線圖見(jiàn)圖1，其最佳油石比為4.8%。

圖1 瀝青混合料(AC-13)的礦料級(jí)配圖

在最佳油石比條件下，瀝青混合料指標(biāo)見(jiàn)表2，均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的對(duì)天然骨料瀝青混合料的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)干法制備上述阻燃溫拌瀝青混合料，其中瀝青外加劑的用量(瀝青質(zhì)量比)分別為：3%有機(jī)硅改性層狀雙金屬氫氧化物L(fēng)DHs、3%石墨烯、0.5%溫拌劑Sasobit。

表2 瀝青混合料的設(shè)計(jì)指標(biāo)

瀝青混合料的礦料級(jí)配和最佳油石比確定均按照J(rèn)TG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行，并采用貝雷法中的CA值設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)瀝青混合料的礦料級(jí)配進(jìn)行控制。瀝青混合料制備完成后，依據(jù)JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定對(duì)瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)性能、燃燒性能進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 確定施工溫度

瀝青混合料在路面工程應(yīng)用中的施工和易性主要由拌和及壓實(shí)2個(gè)過(guò)程的溫度控制。為確定基質(zhì)瀝青的施工溫度，目前廣泛使用的方法是采用Brookfield黏度計(jì)測(cè)定并繪制的瀝青黏溫曲線，以表觀黏度(0.17±0.02)Pa·s對(duì)應(yīng)的溫度作為拌和溫度，以表觀黏度(0.28±0.03)Pa·s對(duì)應(yīng)的溫度作為壓實(shí)溫度。

對(duì)本研究的阻燃溫拌瀝青和基質(zhì)瀝青分別測(cè)定黏溫曲線，結(jié)果見(jiàn)圖2。經(jīng)計(jì)算，阻燃溫拌瀝青和普通基質(zhì)瀝青的拌和和壓實(shí)溫度結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 瀝青的黏溫曲線

表3 根據(jù)黏溫曲線確定的瀝青混合料的拌和及壓實(shí)溫度 ℃

2.2 高溫性能

瀝青混合料高溫性能主要體現(xiàn)在車(chē)輪反復(fù)碾壓的抗車(chē)轍能力。高溫車(chē)轍試驗(yàn)是將瀝青混合料制備成標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍板，在60 ℃的車(chē)轍試驗(yàn)箱中保溫5 h，隨后將碾壓輪以0.7 MPa的荷載作用在車(chē)轍板上反復(fù)碾壓，記錄試驗(yàn)作用時(shí)間和車(chē)轍形成的深度，最終用動(dòng)穩(wěn)定度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能。動(dòng)穩(wěn)定度越大，瀝青混合料的高溫性能越好。

通過(guò)對(duì)瀝青混合料的高溫車(chē)轍試驗(yàn)，得到車(chē)轍板車(chē)轍深度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化，以及動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果，分別見(jiàn)圖3和表4。

圖3 高溫車(chē)轍試件形變量隨試驗(yàn)時(shí)間的變化

表4 高溫車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，阻燃溫拌瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到2 583 次/mm，遠(yuǎn)超基質(zhì)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度1 000 次/mm的技術(shù)要求。

2.3 低溫性能

瀝青路面在晝夜溫差大或者寒冷地區(qū)的極寒條件下，會(huì)出現(xiàn)表面裂紋，甚至是裂縫的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，計(jì)算瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量，以此來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能。

在-15 ℃條件下，采用UTM萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)得到荷載-撓度曲線及抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量等相關(guān)指標(biāo)，分別見(jiàn)圖4和表5。

圖4 低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的荷載-撓度曲線

表5 低溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表5可見(jiàn)，阻燃溫拌瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變達(dá)到2 647×10-6，遠(yuǎn)超基質(zhì)瀝青混合料在-21.5 ℃至-37.0 ℃的冬季寒冷地區(qū)的最大彎拉應(yīng)變2 300×10-6的技術(shù)要求。

首先，學(xué)院應(yīng)建立院系兩級(jí)校企合作理事會(huì)，將學(xué)院和相關(guān)企業(yè)人員納入理事會(huì)成員。其次，整合校內(nèi)職能，成立科研與校企合作部，并安排專(zhuān)職人員，設(shè)立固定場(chǎng)所。校企合作理事會(huì)主要負(fù)責(zé)為院系的重大發(fā)展問(wèn)題提供咨詢(xún)、建議和指導(dǎo)，加強(qiáng)院系與行業(yè)、企業(yè)的聯(lián)系，促進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研緊密合作，實(shí)質(zhì)性推進(jìn)合作辦學(xué)、合作育人、合作就業(yè)、合作發(fā)展，增強(qiáng)辦學(xué)活力，加強(qiáng)理事會(huì)成員單位之間的交流與合作等。科研與校企合作部主要負(fù)責(zé)研究學(xué)院校企合作方面的重大問(wèn)題，推動(dòng)校企合作體系建設(shè)、起草校企合作計(jì)劃、制定校企合作制度，并組織和推動(dòng)實(shí)施等。

2.4 水穩(wěn)性能

我國(guó)瀝青路面早期破壞的主要原因是水損害，水進(jìn)入瀝青混合料的骨架孔隙中，通過(guò)來(lái)往車(chē)輪的泵吸作用，使得水在孔隙中持續(xù)沖刷和擠壓混合料中的瀝青和集料，最終導(dǎo)致瀝青與集料的黏附性下降，路面開(kāi)始出現(xiàn)坑洼、掉粒、孔洞等病害，嚴(yán)重降低瀝青路面的服役壽命。本文通過(guò)浸水馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)性能。

2.4.1馬歇爾殘留穩(wěn)定度

殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)比馬歇爾試件浸水前后的穩(wěn)定度來(lái)反映瀝青混合料的抗水損害能力。其常規(guī)穩(wěn)定度、浸水穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 浸水殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

由表6可得，加入了阻燃溫拌劑的瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度達(dá)到91.56%，遠(yuǎn)超熱拌瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度80%的技術(shù)要求。

2.4.2凍融劈裂

凍融劈裂試驗(yàn)是通過(guò)測(cè)試馬歇爾試件凍融前后的劈裂抗拉強(qiáng)度來(lái)反映瀝青混合料的抗水損害能力，其常規(guī)劈裂抗拉強(qiáng)度、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表7可得，加入了阻燃溫拌劑的瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比達(dá)到87.52%，遠(yuǎn)超熱拌瀝青混合料75%的技術(shù)要求。

2.5 機(jī)理分析

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本研究制備的新型復(fù)合阻燃溫拌瀝青混合料具有良好的路用性能，其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗水損害性能均顯著超過(guò)了JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。在級(jí)配一定的情況下，瀝青膠漿的模量越大，則其流動(dòng)活化能也越大，抵抗高溫變形能力越強(qiáng)。由于在瀝青中加入3%有機(jī)硅改性層狀雙金屬氫氧化物L(fēng)DHs、3%石墨烯和0.5%溫拌劑Sasobit，相當(dāng)于增加了膠漿的粉膠比，因此賦予瀝青混合料較好的高溫穩(wěn)定性。而在這3種外加劑中，Sasobit是一種新型聚烯烴類(lèi)改性劑，屬于低熔點(diǎn)的有機(jī)外加劑，可以使瀝青在相對(duì)較低的溫度下達(dá)到需要的黏度。而阻燃劑中LDHs有效成分及石墨烯均具有層狀結(jié)構(gòu)，對(duì)瀝青有良好的潤(rùn)滑效果，促進(jìn)瀝青層間剪切，使瀝青具有良好的流動(dòng)性，增強(qiáng)瀝青與集料的黏附能力，提高瀝青膠漿在低溫下的韌性應(yīng)變，因此使溫拌阻燃瀝青混合料可以保持良好的抗水損害性能與低溫抗裂性能。

2.6 燃燒性能

目前聚合物材料阻燃性能的測(cè)試方法主要有極限氧指數(shù)、UL94法、錐形量熱法、煙密度及熱分析法等。瀝青的燃燒和實(shí)際路面混凝土的燃燒方式存在差異，因此瀝青的阻燃性能用LOI表征，瀝青混合料的阻燃性能用錐形量熱表征；UL94法是主觀性較強(qiáng)的試驗(yàn)，對(duì)火焰判斷會(huì)造成試驗(yàn)的較大誤差；錐形量熱法能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)材料燃燒性和阻燃性，并提供煙密度、吸收、釋放熱量、引燃時(shí)間等參數(shù)，但車(chē)轍板制作過(guò)程繁瑣，試驗(yàn)結(jié)果涉及試件成型手法，單個(gè)試件成本較高，因此該方法未能推廣應(yīng)用。

馬歇爾試件相較于車(chē)轍板試件而言，表面積小，汽油較集中，不能很好地模擬實(shí)際路面燃燒情況。車(chē)轍板的表面遠(yuǎn)大于馬歇爾試件表面，可以較合理地模擬實(shí)際路面燃燒情景，故對(duì)瀝青混合料的車(chē)轍板試件進(jìn)行完全燃燒試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為：在2種瀝青混合料制成的車(chē)轍板試件上均勻澆灑50 mL汽油后點(diǎn)燃，記錄點(diǎn)燃時(shí)間，觀察燃燒現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)象分別見(jiàn)表8和圖5。

表8 車(chē)轍板燃燒時(shí)間 s

圖5 車(chē)轍板燃燒現(xiàn)象 (左：阻燃溫拌瀝青混合料，右：AH-90基質(zhì)瀝青混合料)

由表8可見(jiàn)，摻加了阻燃溫拌劑的瀝青混合料燃燒時(shí)間較長(zhǎng)，比基質(zhì)瀝青混合料延長(zhǎng)近10 s。從圖5可見(jiàn)，剛加入汽油階段，2種瀝青混合料車(chē)轍板試件的燃燒狀況相似，均劇烈燃燒，這是因?yàn)閰⒓尤紵膬H僅是汽油，冒出的黑煙是汽油燃燒不充分時(shí)的黑煙；當(dāng)繼續(xù)燃燒，部分瀝青已開(kāi)始參與燃燒，溫拌阻燃瀝青中的阻燃劑也開(kāi)始發(fā)揮作用，火勢(shì)得到緩解，發(fā)煙量也得到抑制，從而達(dá)到阻燃的目的。

3 結(jié)論

1) 添加阻燃溫拌劑的瀝青混合料的基本性能均符合相關(guān)規(guī)范要求，添加阻燃溫拌劑的瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度增加了11.56%，凍融劈裂強(qiáng)度比增加了12.52%，說(shuō)明阻燃溫拌劑對(duì)混合料的水穩(wěn)定性有一定的促進(jìn)作用。

2) 無(wú)論拌和溫度還是壓實(shí)溫度，溫拌阻燃瀝青比基質(zhì)瀝青要下降10 ℃左右，這表明采用溫拌阻燃瀝青可以有效地降低瀝青混合料的拌和及壓實(shí)溫度，從而實(shí)現(xiàn)溫拌的目的。

3) 利用有機(jī)硅改性層狀雙金屬氫氧化物L(fēng)DHs、石墨烯和溫拌劑Sasobit與AH-90重交石油瀝青均勻混合得到阻燃溫拌改性瀝青，并進(jìn)一步制備出AC-13型瀝青混合料，其混合料各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)基質(zhì)瀝青混合料。