新型溫拌阻燃改性SMA-13在隧道施工中的應(yīng)用

李紅剛， 季學(xué)文， 王麗麗， 沈菊男

(蘇州科技大學(xué) 生態(tài)道路技術(shù)產(chǎn)業(yè)化工程研究中心，江蘇 蘇州 215000)

1 概述

隨著我國交通運輸業(yè)的迅速發(fā)展，公路隧道工程越來越多。瀝青路面因其具有良好的平整性、抗滑性 、安全性、舒適性、降噪性和易養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點，在隧道路面工程中得到廣泛運用。但瀝青路面在隧道的應(yīng)用中也存在一些缺點，主要包括兩方面：一方面是在施工上，瀝青在高溫條件下會產(chǎn)生大量的煙霧，由于隧道封閉狹窄的環(huán)境使得瀝青煙霧更容易聚集，這不僅會降低隧道可見度影響施工質(zhì)量，更重要的是一些有毒的揮發(fā)性氣體會侵害施工人員的健康并造成環(huán)境污染，這會給隧道的施工帶來相當(dāng)不利的影響。另一方面是在養(yǎng)護(hù)與使用上，由于瀝青具有可燃性，在隧道工程中尤其是大型公路隧道和海底隧道的使用中存在一定的火災(zāi)安全隱患。因此研發(fā)降溫效果較好的溫拌瀝青和高效、低毒、低煙霧的阻燃劑，以便將瀝青路面更好應(yīng)用于隧道路面的鋪設(shè)中已經(jīng)成為全世界相關(guān)研究人員的共識。近年來，專家和學(xué)者將瀝青溫拌技術(shù)和阻燃技術(shù)應(yīng)用于隧道中的研究越來越多。

瀝青溫拌技術(shù)能夠在滿足路用性能的前提下，有效地降低施工溫度、節(jié)約能源并減少環(huán)境污染。德國將Aspha-min溫拌劑首次應(yīng)用于公路上，鋪設(shè)了世界上第1條溫拌瀝青混合料路面，同年冬季，德國又鋪設(shè)了另一高等級道路，經(jīng)過現(xiàn)場研究人員的統(tǒng)計，這種生產(chǎn)方法減少了大概30%的燃油消耗且該路面的路用性能指標(biāo)未受到影響[1-2]。美國國家瀝青研究中心也對溫拌瀝青進(jìn)行了深入透徹的研究并闡明了其降溫的可行性[3-4]。陶秋霖[5]將溫拌劑Evotherm應(yīng)用于隧道路面上，研究結(jié)果表明Evotherm溫拌瀝青混合料除水穩(wěn)定性和低溫性能略有下降外，其余各項使用性能與熱拌混合料相差不大，但瀝青煙、CO2、CO排放量下降明顯。王春[6]結(jié)合隧道瀝青路面的特點，對添加阻燃劑后的溫拌瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明溫拌瀝青混合料完全可以滿足隧道路面使用要求。趙馨鑫[7]將F-2與Sasobit溫拌劑應(yīng)用于隧道路面的鋪設(shè)中，研究發(fā)現(xiàn)兩種溫拌劑都能明顯降低瀝青混合料的拌和溫度，能有效減少一氧化碳、二氧化硫等的有害氣體的排放。陳偉[8]對添加了Sasobit、Leadcap、DAT等3種溫拌劑的瀝青混合料降溫效果和瀝青煙排放量進(jìn)行測試。結(jié)果表明溫拌混合料在保證路面質(zhì)量的前提下，能達(dá)到節(jié)能減排與無煙化施工的目的。

阻燃技術(shù)能夠有效地抑制瀝青路面燃燒、減少煙氣的生成。HAGEMAN[9]研究發(fā)現(xiàn)加入NaHCO3可以降低瀝青可燃性。BONATI[10]等研究發(fā)現(xiàn)影響瀝青混合料燃燒性能的主要因素是礦料級配，將氫氧化鎂、氫氧化鋁與有機蒙脫土共同復(fù)配代替礦粉加入瀝青混合料中，能明顯提高瀝青混合料的阻燃能力。金帆[11]對阻燃溫拌瀝青混合料隧道路面材料進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明使用ZAM無機阻燃劑能提高上面層瀝青混合料的阻燃性能；李懷海[12]研究發(fā)現(xiàn)添加瀝青含量5%的新型APFR阻燃劑于SBS改性瀝青中，能夠滿足隧道的阻燃、抑煙的要求。徐婷[13]研究發(fā)現(xiàn)膨脹型阻燃劑的抑煙性能比鹵素阻燃劑好。劉新權(quán)[14]提出以大空隙率結(jié)構(gòu)阻燃為主，阻燃瀝青膠漿材料為輔的設(shè)計思路來解決隧道路面阻燃和降噪問題。

鑒于此，本文將瀝青溫拌技術(shù)和阻燃技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出1種高性能且降溫效果良好的溫拌阻燃SMA-13瀝青混合料，并以蘇州春申湖路某隧道試驗路段為依托取得了良好的效果，希望為以后的隧道鋪設(shè)工程提供有益的參考。

2 試驗材料與性能

試驗選用木質(zhì)和聚酯纖維作為瀝青混合料的添加劑。使用的阻燃劑為中科阻燃生產(chǎn)的阻燃劑，其技術(shù)指標(biāo)如下：25 ℃溶解度不溶于水，pH為中性，25 ℃密度為2.0 g /cm3，粒徑5～10 μm。選用的溫拌劑是美德維實偉克公司生產(chǎn)的Evotherm M1(以下簡稱 M1)、阿克蘇諾貝爾公司生產(chǎn)的Redise LQ-1102C(以下簡稱1102),其性能指標(biāo)如表1所示。使用的集料是來自安徽來安的玄武巖，按照J(rèn)TGE42-2005《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進(jìn)行性能試驗，試驗結(jié)果均能滿足規(guī)范要求。

表1 溫拌劑M1、1102性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators M1、1102 warm mixers項目顏色密度/(g·cm-3)胺值pHM1 檢測值黑琥珀色1.0>5008.11102 檢測值褐色1.02.18.6

所用的新型溫拌阻燃瀝青是采用“濕拌”法先分別添加1102(瀝青質(zhì)量的0.75%)、M1(瀝青質(zhì)量的0.5%)、2種溫拌劑制備出溫拌瀝青，然后再添加阻燃劑(瀝青質(zhì)量的8%)制備的。老化前后溫拌阻燃瀝青的25 ℃針入度見表2,軟化點見表3,5 ℃延度見表4。

表2 老化前后溫拌阻燃瀝青的25 ℃針入度Table 2 25 ℃ penetration of warm mix flame retardant as-phalt before and after aging種類針入度/(0.1 mm)RTFO前RTFO后殘留比/%損失率/%SBS62.048.578.221.71102+阻燃61.450.381.918.1M1+阻燃61.148.879.920.1

表3 老化前后溫拌瀝青的軟化點Table 3 Softening point of warm mix asphalt before and after aging種類軟化點/℃RTFO前RTFO后軟化點增值/%增值率/%SBS81.788.67.18.71102+阻燃80.684.33.74.6M1+阻燃82.785.52.83.4

表4 老化前后溫拌瀝青的 5 ℃延度Table 4 5 ℃ ductility of warm mix asphalt before and af-ter aging種類5 ℃延度/cmRTFO前RTFO后延度保留率/%SBS45.623.150.71102+阻燃44.323.552.8M1+阻燃42.822.151.6

與原SBS改性瀝青相比添加溫拌劑1102、M1和阻燃劑基本不會對瀝青的三大指標(biāo)產(chǎn)生不利影響。經(jīng)旋轉(zhuǎn)薄膜短期老化后，摻入溫拌劑1102、M1的瀝青的殘留針入度比變大、軟化點增加比例減少，延度保留率增加；可以得出溫拌劑1102、M1可以提高瀝青的抗老化性能。添加阻燃劑后的各瀝青極限氧指數(shù)試驗結(jié)果見表5。

表5 極限氧指數(shù)試驗結(jié)果Table 5 Test results of the extreme oxygen index瀝青類型極限氧指數(shù)/%無有SBS19.622.7110220.523.7M120.324.3

測試結(jié)果顯示，添加了阻燃劑后的各瀝青的極限氧指數(shù)均有不同程度地上升。表明阻燃劑的添加可以很好地提升瀝青的阻燃性能。

對比于原SBS改性瀝青，添加溫拌劑1102、M1的新型溫拌阻燃瀝青的極限氧指數(shù)上升，表明溫拌劑1102、M1也可以提升瀝青的阻燃性能。

3 新型溫拌阻燃SMA-13瀝青混合料設(shè)計

3.1 旋轉(zhuǎn)壓實最佳瀝青含量試驗結(jié)果

本文用旋轉(zhuǎn)壓實法確定2種溫拌劑、2種纖維和其3種摻量的阻燃SMA-13瀝青混合料的最佳瀝青用量與拌合溫度。其結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 木質(zhì)纖維最佳瀝青含量結(jié)果

圖2 聚酯纖維的最佳瀝青含量結(jié)果

以空隙率4.0%為控制指標(biāo)，通過圖1、圖2的數(shù)據(jù)和線性方程求得木質(zhì)纖維最佳瀝青用量為5.88%，聚酯纖維的最佳瀝青用量為5.7%。

3.2 旋轉(zhuǎn)壓最佳壓實溫度的確定

以旋轉(zhuǎn)壓實方法，取180 ℃、165 ℃、150 ℃的3個拌合溫度，0.3%、0.15%、0的3種纖維摻量的木質(zhì)、聚酯2種纖維，1102、M1這2種溫拌劑，以4%空隙率來確定新型溫拌阻燃瀝青的最佳拌合溫度。

由表6～表8中數(shù)據(jù)可知，新型阻燃混合料的降溫效果隨著纖維摻量的降低不斷增強，這是因為

表6 3種摻量木質(zhì)纖維瀝青混合料的體積參數(shù)Table 6 Volume parameters of three kinds of wood fiber asphalt mixtures類型壓實溫度/℃木質(zhì)纖維摻量/%毛體積相對密度空隙率/%礦料間隙率飽和度1802.4983.6516.876.91650.32.4854.1017.375.21502.4744.4217.573.41802.5063.5316.277.6SBS+11021650.152.4973.8416.776.31502.4804.1117.074.81802.5153.1516.180.016502.5093.5416.478.61502.4993.7816.876.81802.4903.6417.078.31650.32.4804.0117.376.51502.4704.5017.674.81802.5073.3116.579.6SBS+M11650.152.5003.5916.978.31502.4903.9617.176.21802.5203.1416.180.616502.5143.3816.478.91502.5043.6516.777.4

表7 3種摻量聚酯纖維瀝青混合料的體積參數(shù)Table 7 Volume parameters of three kinds of polyester fi-ber asphalt mixtures類型壓實溫度/℃聚酯纖維摻量/%毛體積相對密度空隙率/%礦料間隙率飽和度1802.4983.7016.677.61650.32.4864.1517.375.51502.4644.8217.773.21802.5043.5516.277.6SBS+11021650.152.4933.8516.776.31502.4884.1517.074.81802.5153.3515.979.816502.5093.6416.278.41502.4993.8916.777.51802.4993.6516.678.31650.32.4834.0917.076.31502.4674.6417.573.31802.5123.3516.379.5SBS+M11650.152.5053.6916.677.61502.4934.0616.875.61802.5223.2516.179.916502.5133.4516.378.51502.5053.8016.577.1

表8 最佳壓實溫度的確定Table 8 Determination of optimum compaction tempera-ture類型纖維摻量/%最佳拌合溫度/℃0.3169SBS+11020.151530134木質(zhì)0.3165SBS+M10.1514901320.3170SBS+11020.151560140聚酯0.3168SBS+M10.151530137

纖維對瀝青有吸附和加筋作用使得瀝青混合料顯得很黏稠，因此難以拌合和壓實。而同一纖維摻量下溫拌劑M1的降溫效果優(yōu)于1102。綜合降溫效果與空隙率來分析，木質(zhì)纖維優(yōu)于聚酯纖維。

4 新型溫拌阻燃SMA-13瀝青混合料的路用性能

4.1 新型溫拌阻燃SMA-13瀝青混合料高溫性能

隨著纖維摻量的增加，新型溫拌阻燃SMA瀝青混合料的動穩(wěn)定度不斷提高，說明纖維摻量越高，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性就越好。木質(zhì)纖維混合料的高溫抗車轍能力優(yōu)于聚酯纖維。原因是木質(zhì)纖維瀝青含量較高，它在瀝青中所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)比聚酯纖維的更加均勻結(jié)實。不同纖維摻量高溫性能見表9。

表9 不同纖維摻量的高溫性能Table 9 High temperature properties of different fiber con-tent纖維種類混合料種類不同纖維摻量(%)的動穩(wěn)定度/(次·mm-1 )0.30.150木質(zhì)1102+SBS6 6705 6603 550M1+SBS6 7705 5303 670聚酯1102+SBS6 2005 3003 300M1+SBS6 2205 2003 400

4.2 新型溫拌阻燃SMA-13瀝青混合料低溫性能

由表10中數(shù)據(jù)可知，在同種類型瀝青混合料條件下，木質(zhì)纖維極限彎拉應(yīng)變大于聚酯纖維，說明了木質(zhì)纖維瀝青混合料的低溫性能要優(yōu)于聚酯纖維。隨著纖維摻量的增加新型溫拌阻燃SMA瀝青混合料的極限彎拉應(yīng)變與抗彎拉強度都有不同程度的提升，表明纖維的添加可以提高混合料的低溫性能。

表10 不同纖維摻量的低溫性能Table10 Low-temperature properties of different content纖維種類混合料種類纖維摻量/%極限彎拉應(yīng)變/με抗彎拉強度/MPa0.33 3008.351102+SBS0.153 1008.15027807.35木質(zhì)0.33 2008.40M1+SBS0.153 0008.0002 7007.400.33 1008.151102+SBS0.153 0407.8502 7707.20聚酯0.33 0708.25M1+SBS0.152 9007.7502 7057.25

4.3 新型溫拌阻燃SMA-13瀝青混合料疲勞性能

本文采用底部帶有切縫的半圓彎曲試件進(jìn)行混合料疲勞試驗。

根據(jù)研究表明，應(yīng)力比與疲勞壽命的公式為：

Nf=k(1/t)n

式中：Nf為疲勞壽命；t為應(yīng)力比；k、n為與材料相關(guān)的回歸系數(shù)。

將上式兩邊取對數(shù)，可得到可轉(zhuǎn)化為線性方程：

lnNf=lnk-nlnt

式中： lnk所表示的是曲線的截距，lnk值越大，表明該半圓試件的疲勞壽命越長，其抗疲勞性能就越好。n作為曲線的斜率，反映了半圓試件的疲勞壽命對應(yīng)力比的敏感程度，n值越大，則表示疲勞壽命對應(yīng)力比變化越敏感，其疲勞性能就越差。本文用lnk/n來評價各種溫拌瀝青混合料的抗疲勞性能，lnk/n越大，則表明混合料的抗疲勞性能越好。不同摻量各瀝青混合料半圓彎曲靜載強度如表11所示。

表11 不同摻量各瀝青混合料的半圓彎曲靜載強度Table 11 Semi-circular bending static load strength of asphalt mixture with different content混合料種類纖維種類纖維摻量/%疲勞方程lnknlnk/n破壞荷載/kN0.3lnNf=-4.201 0 lnt+1.199 01.199 04.201 00.285 46.56木質(zhì)0.15lnNf=-4.718 5 lnt+0.551 50.551 54.718 50.116 96.300lnNf=-5.501 2 lnt-0.293 1-0.293 15.501 2-0.053 36.501102+SBS0.3lnNf=-4.554 5 lnt+0.787 30.787 34.554 50.172 95.84聚酯0.15lnNf=-5.057 7 lnt+0.378 70.378 75.057 70.074 94.900lnNf=-5.689 2 lnt-0.363 1-0.363 15.689 2-0.063 86.250.3lnNf=-4.215 3 lnt+1.189 71.189 74.215 30.282 25.65木質(zhì)0.15lnNf=-4.816 3 lnt+0.555 60.555 64.816 30.115 44.800lnNf=-5.637 4 lnt-0.288 6-0.288 65.637 4-0.051 26.60M1+SBS0.3lnNf=-4.865 3 lnt+0.589 90.589 94.865 30.121 25.85聚酯0.15lnNf=-5.027 5 lnt+0.330 20.330 25.027 50.065 74.880lnNf=-5.753 7 lnt-0.375 5-0.375 55.753 7-0.065 36.30

在同摻量的纖維條件下，對疲勞壽命方程進(jìn)行分析可知:木質(zhì)纖維疲勞方程的k值高于聚酯纖維，n值低于聚酯纖維，即木質(zhì)纖維的疲勞壽命高于聚酯纖維，疲勞壽命反應(yīng)比聚酯纖維的更遲鈍，通過比較lnk/n值，可以發(fā)現(xiàn)聚酯纖維的耐疲勞性能比木質(zhì)纖維的差。

在同種纖維不同摻量下，對疲勞壽命方程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):在不同應(yīng)力比作用下，隨著纖維摻量的增加，n值即斜率不斷變小， lnk值即截距不斷增大。通過比較lnk/n值，表明試件的耐疲勞性能隨著纖維量的增大而增強。

5 新型溫拌阻燃SMA-13瀝青混合料灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析方法，選擇各類型瀝青混合料的降溫幅度(X1)、動穩(wěn)定度(X2)、極限彎拉應(yīng)變(X3)、半圓彎曲強度(X4)、疲勞性能lgk/n值(X5)作為評價指標(biāo)確定參考數(shù)列與比較數(shù)列。從這5個性能角度來分析溫拌劑、纖維性能與新型溫拌阻燃SMA-13混合料性能關(guān)聯(lián)度。其中A、B、C、D、E、F、G、H分別表示：1102+SBS+0.3木、M1+SBS+0.3木、1102+SBS+0.15木、M1+SBS+0.15木、1102+SBS+0.3聚、M1+SBS+0.3聚、1102+SBS+0.15聚、M1+SBS+0.1聚。其參考數(shù)列如比較數(shù)列如表12所示。

2種纖維的關(guān)聯(lián)度結(jié)果為:M1+SBS+0.3木>1102+SBS+0.3木>1102+SBS+0.3聚>M1+SBS+0.3聚>M1+SBS+0.15木>1102+SBS+0.15木>1102+SBS+0.15聚>M1+SBS+0.1聚。見表13。

表12 參考數(shù)列和比較數(shù)列Table 12 Reference and comparison series序列X1X2X3X4X5A116 6703 3006.500.285B146 7703 2006.600.284C275 6603 1005.840.119D315 5303 0005.850.114E106 2003 1006.250.186F126 2203 0706.300.124G245 3003 0405.650.061H275 2002 9005.650.066

表13 新型溫拌阻燃SMA瀝青混合料性能關(guān)聯(lián)度Table 13 Performance correlation of new temperate flame retardant SMA asphalt mixture序號關(guān)聯(lián)度序號關(guān)聯(lián)度A(ξ1)0.715E(ξ5)0.706B(ξ2)0.752F(ξ6)0.698C(ξ3)0.652G(ξ7)0.558D(ξ4)0.687H(ξ8)0.536

同類型溫拌劑與纖維摻量下，木質(zhì)纖維總是優(yōu)于聚酯纖維。從綜合降溫效果和瀝青混合料各種路用性能考慮，添加了溫拌劑M1的瀝青混合料雖然在某些性能上存在不足，但整體上為最佳的溫拌技術(shù)，同樣的木質(zhì)纖維為最佳纖維。

6 經(jīng)濟環(huán)境效益分析

瀝青混合料從高溫轉(zhuǎn)為低溫，可以降低原材料成本，降低了有害氣體和溫室氣體的排放，有利于對環(huán)境的保護(hù)。由于溫度的降低，改善了生產(chǎn)施工現(xiàn)場環(huán)境，保證了現(xiàn)場施工人員的身體健康，因此降低一半纖維摻量具有良好的經(jīng)濟環(huán)境效益。因此，M1+SBS+0.15木質(zhì)纖維為最佳新型溫拌阻燃SMA瀝青混合料。瀝青混合料加熱能源消耗如表14所示，1 t瀝青混合料氣體排放量比較如表15所示。

表14 瀝青混合料加熱能源消耗Table 14 Heating energy consumption of asphalt mixture混合料種類比熱容/[kJ·(kg·℃-1 )]質(zhì)量 /kg溫度/℃能源消耗/MJ初始溫度加熱溫度分項合計天然氣消耗/m3M1-SBS-0.3 木瀝青2.10602016618.10145.24.4集料0.8494520176127.10M1-SBS-0.15 木瀝青2.10602014916.0130.03.9集料0.8494520159114.0

表15 1 t瀝青混合料氣體排放量比較Table 15 1 t Comparison of gas emissions from asphalt mixtureskg類型CO2排放量CO2減少量NOX 排放量NOX減少量SO2 排放量SO2 減少量M1+SBS+0.3木7.90.80.004 70.000 50.001 10.000 2M1+SBS+0.15木7.10.004 20.000 9

7 新型溫拌阻燃SMA-13瀝青混合料實際工程應(yīng)用

本文所設(shè)計的新型溫拌阻燃SMA-13瀝青混合料被用于蘇州國際快速物流通道二期工程-春申湖路快速化改造工程元和塘西隧道試驗段的左右幅，試驗段總長為310 m。因?qū)嶋H工程受氣候、環(huán)境和施工條件等的影響，部分試驗方法和材料用量有所調(diào)整。

用揮發(fā)性有機化合物氣體檢測儀對現(xiàn)場煙氣進(jìn)行檢測(見圖3)：放料熱拌時為24 PPM，煙氣非常明顯；放料新型溫拌時顯示12 PPM，基本無煙。現(xiàn)場溫度測試結(jié)果見圖4。

圖3 施工現(xiàn)場煙氣排放檢測

試驗段的試驗結(jié)果表明： ① 新型溫拌阻燃瀝青瑪蹄脂混合料可以成功降低現(xiàn)場施工溫度20 ℃左右。② 新型溫拌阻燃瀝青瑪蹄脂混合料現(xiàn)場施工可以減低煙氣排放50%左右。

(a) 攤鋪溫度

8 結(jié)論

a.阻燃劑不會對瀝青性能產(chǎn)生不利影響，溫拌劑1102、M1對瀝青的高、低溫性能影響較小，且能改善瀝青的抗老化性能。

b.M1溫拌劑的降溫效果最好，且纖維摻量越低，降溫效果越好。

c.通過灰色關(guān)聯(lián)理論得出新型溫拌阻燃SMA-13瀝青混合料最優(yōu)的溫拌劑為M1，最佳的纖維為木質(zhì)纖維，且木質(zhì)纖維瀝青混合料的路用性能均優(yōu)于聚酯纖維瀝青混合料；通過經(jīng)濟環(huán)境效益分析得出，纖維摻量為0.15%不僅能節(jié)省成本，還能降低 CO2和有害氣體的排放。

d.實際工程中試驗路段的試驗結(jié)果表明：選用溫拌劑為M1、木質(zhì)纖維的新型溫拌阻燃SMA混合料鋪設(shè)的隧道瀝青路面降溫與阻燃效果較好，煙氣排放下降明顯。因次該瀝青混合料可以適應(yīng)新時代隧道瀝青路面的需求。