阻燃瀝青混合料在隧道路面中的應(yīng)用研究

尹少飛

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國隧道工程已建設(shè)超過500km，雖然我國隧道工程建設(shè)速度得到提升，但是在隧道路面使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)許多問題，隧道火災(zāi)是目前隧道工程中最常見也是最棘手的問題之一。阻燃瀝青混合料是隧道上面層的一種新型材料，其組成為改性瀝青、阻燃劑、粗細(xì)集料以及填料。阻燃瀝青混合料能夠有效降低火災(zāi)發(fā)生率，但是瀝青路面施工工程中，為了保證瀝青路面的強(qiáng)度及耐久性，拌合攤鋪施工溫度較高，通常達(dá)到165℃以上。隧道內(nèi)部由于通風(fēng)效果較差，攤鋪時(shí)由于施工溫度過高為產(chǎn)生大量濃煙，易引起火災(zāi)，因此需要降低瀝青混合料的施工溫度，根據(jù)研究表明采用在混合料中加入溫拌劑的方法，能夠控制瀝青混合料拌合溫度與攤鋪溫度，使施工溫度降低30%左右。但是由于阻燃瀝青混合料是隧道路面的新型材料，對其材料組成、力學(xué)性能以及施工技術(shù)尚未完全掌握，因此需要對溫拌阻燃瀝青混合料在隧道路面中的應(yīng)用進(jìn)行研究。以車陂路北延線下穿高速公路隧道為例，從溫拌阻燃瀝青混合料的材料組成，力學(xué)性能，施工技術(shù)三個(gè)方面入手，研究阻燃瀝青混合料在隧道路面中的應(yīng)用。

1 工程概況

車陂路北延線以隧道形式下穿現(xiàn)狀環(huán)城高速、廣深高速、機(jī)場第二高速，隧道全長約1.2km，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，隧道設(shè)計(jì)速度為60km/h，采用雙向六車道的布置方式。該地區(qū)氣候?qū)儆诤Ｑ笮詠啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，其氣候特點(diǎn)為全年溫度較高，雨季明顯，一年之中夏季時(shí)間較長。夏季平均氣溫28.9℃，冬季平均氣候13.5℃，年降雨量達(dá)到1720mm。為了保證隧道路面通行質(zhì)量及行車安全，采用阻燃瀝青混合料作為路面材料，減少煙霧產(chǎn)生，減低火災(zāi)發(fā)生率。隧道路面結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)方案，采用溫拌阻燃瀝青混合料作為隧道路面材料。上面層采用阻燃細(xì)粒式瀝青混凝土，下面層采用阻燃中粒式瀝青混凝土，基層采用剛性基層24cm厚普通水泥混凝土結(jié)構(gòu)，剛性基層下部設(shè)置15cmC20素混凝土基層。

2 阻燃瀝青混合料材料設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目采用溫拌阻燃SBS改性瀝青作為瀝青混合料的粘結(jié)料，因此需要對溫拌阻燃瀝青混合料進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，材料設(shè)計(jì)的合理性影響了隧道路面的強(qiáng)度及耐久性，從原材料及級配設(shè)計(jì)兩方面對該項(xiàng)目溫拌阻燃瀝青混合料進(jìn)行材料設(shè)計(jì)。

2.1 原材料選用

溫拌阻燃瀝青混合料由SBS改性瀝青、改性劑、膨脹性阻燃劑、粗細(xì)集料以及礦粉填料組成，根據(jù)規(guī)范要求，需要對原材料進(jìn)行檢測，滿足指標(biāo)即可使用。

2.1.1 瀝青

瀝青是瀝青混合料的原材料之一，決定了混合料之間的粘結(jié)性。該隧道路面瀝青選用SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 SBS改性瀝青（1-D）試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 溫拌劑

本項(xiàng)目采用膨脹性溫拌劑，能夠有效對改性瀝青進(jìn)行改性，降低混合料的拌合溫度。其物理化學(xué)指標(biāo)如表2所示。膨脹性溫拌劑在常溫狀態(tài)下為黃色圓形顆粒。但是隨著溫度的上升，其存在狀態(tài)為發(fā)生改變，溫度大于110℃呈可流動(dòng)的液態(tài)能夠與瀝青相融。

表2 EC-120溫拌劑物理化學(xué)指標(biāo)

2.1.3 阻燃劑

本項(xiàng)目阻燃劑選用某公司研發(fā)的高效型阻燃劑，在常溫狀態(tài)下表現(xiàn)為白色粉末狀。其密度在2.0g/cm3左右。該阻燃劑作用機(jī)理為膨脹性，增大瀝青的孔隙能夠有效抑制濃煙產(chǎn)生。并且在拌合過程中，阻燃劑粒徑較小為粉末狀，比表面積較大，能夠直接摻入瀝青混合料。對環(huán)境的污染小較小并且在使用工程中危險(xiǎn)性低。

2.1.4 集料及填料

根據(jù)項(xiàng)目概況，粗集料最大粒徑小于等于16mm，應(yīng)選用表面粗糙、棱角分明且壓碎值符合要求的堿性集料。細(xì)集料類型應(yīng)選擇機(jī)制砂，選擇壓碎值與含泥量滿足規(guī)范要求的機(jī)制砂即可。礦粉作為瀝青混合料的填料，在堿性條件下集料與瀝青膠漿之間產(chǎn)生化學(xué)吸附提高材料強(qiáng)度，用量通常在10%左右。

2.2 級配設(shè)計(jì)

2.2.1 溫拌阻燃瀝青制備

溫拌阻燃瀝青的性能決定了瀝青混合料的強(qiáng)度及耐久性。在進(jìn)行溫拌阻燃瀝青制備時(shí)分為三個(gè)步驟。第一步對改性瀝青進(jìn)行加熱，把瀝青放置在烘箱中，設(shè)置烘箱溫度為170℃，待瀝青由固態(tài)轉(zhuǎn)換為液態(tài)時(shí)停止加熱，稱取相應(yīng)瀝青量。第二步根據(jù)溫拌阻燃瀝青設(shè)計(jì)方案，量取對應(yīng)量的溫拌劑與膨脹性阻燃劑。第三步將稱量后的改性瀝青加入瀝青剪切攪拌機(jī)，在高速攪拌過程中加入溫拌劑和阻燃劑，控制溫拌阻燃瀝青拌合溫度為150℃，拌合速率為4300r/min。通過對溫拌阻燃瀝青進(jìn)行材料性能試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定最佳溫拌劑的摻量為4%，膨脹性阻燃劑的摻量為8.5%。

2.2.2 溫拌阻燃瀝青混合料級配設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用馬歇爾試驗(yàn)法對溫拌阻燃瀝青混合料進(jìn)行級配設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，以0.5為油石比變化梯度進(jìn)行設(shè)計(jì)，選取5個(gè)油石比分別為4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，得到瀝青混合料的穩(wěn)定度、流值、空隙率等指標(biāo)，其具體結(jié)果如表3所示。根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，對溫拌阻燃瀝青混合料進(jìn)行最佳油石比確定，確定最佳油石比為5.0%。完成溫拌阻燃瀝青混合料級配設(shè)計(jì)后，需要根據(jù)材料特性對混合料拌合溫度與壓實(shí)溫度進(jìn)行確定。由于在改性瀝青中加入溫拌劑降低了瀝青混合料拌合溫度，拌合壓實(shí)溫度要降低。規(guī)范規(guī)定熱拌瀝青混合料壓實(shí)溫度不得低于165℃，摻入溫拌劑后，壓實(shí)溫度可降低25℃，為140℃。并且瀝青混合料的拌合與壓實(shí)溫度與空隙率具有一定關(guān)系，當(dāng)空隙率過大，瀝青混合料壓實(shí)不足，易出現(xiàn)強(qiáng)度不足的問題。結(jié)合實(shí)際工程，確定溫拌阻燃瀝青混合料拌合溫度為150℃，壓實(shí)溫度為140℃。

表3 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3 阻燃瀝青混合料施工技術(shù)

該項(xiàng)目完成對溫拌阻燃瀝青混合料材料設(shè)計(jì)之后，需要對隧道路面進(jìn)行施工。隧道瀝青路面施工順序可以分為四個(gè)階段。

3.1 溫拌阻燃瀝青混合料拌合運(yùn)輸

由于隧道路面要求具有一定的強(qiáng)度與耐久性，所以要求溫拌阻燃瀝青混合料的瀝青選用SBS改性瀝青，并且在進(jìn)行瀝青制備時(shí)加入溫拌劑與阻燃劑。在拌合時(shí)首先加入溫拌劑與阻燃劑采用干拌方式拌合1min，等到拌合完成后，在外加劑中加入改性瀝青采用濕拌的方式進(jìn)行拌合，拌合時(shí)間設(shè)置為90s，在拌合過程中，需要對溫度進(jìn)行控制。由于瀝青材料對溫度的變化具有一定的敏感性，所以在進(jìn)行混合料拌合時(shí)，必須保證改性瀝青在穩(wěn)定期內(nèi)，并且加入外加劑后的阻燃瀝青具有一定的溫度敏感性，當(dāng)拌合溫度超過160℃時(shí)，會造成瀝青老化導(dǎo)致瀝青功能喪失，不能與集料進(jìn)行粘結(jié)，使路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。該隧道路面施工過程中嚴(yán)格控制拌合及運(yùn)輸溫度，超薄抗滑層施工各階段溫度控制如表4所示。

表4 該隧道溫拌阻燃瀝青混合料施工溫度控制表

由表4施工溫度控制表可得，該隧道路面施工溫度全部符合溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。為了保證混合料可用，對拌合完成的混合料進(jìn)行二次拌合檢測，得到拌合檢測結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)，可以進(jìn)行下一階段檢測。在混合料完成拌合后，準(zhǔn)備出廠時(shí)，需要控制混合料的空隙率及礦料間隙率，在出站前進(jìn)行抽檢，抽檢結(jié)果符合出廠要求，立即對拌合完成后的溫拌阻燃瀝青混合料進(jìn)行運(yùn)輸。

3.2 撒布攤鋪

該隧道路面施工場地為隧道內(nèi)部，通風(fēng)效果較差。撒布攤鋪時(shí)需要使用專用加鋪機(jī)械，采用雙層攤鋪法。既黏結(jié)層與溫拌阻燃瀝青混合料上面層同時(shí)鋪設(shè)。攤鋪時(shí)首先向上面層噴灑乳化瀝青，形成黏結(jié)層增加路面結(jié)構(gòu)的整體性，同時(shí)將拌合后的混合料進(jìn)行攤鋪，直接攤鋪完成黏結(jié)層與溫拌阻燃瀝青混合料上面層。

3.3 碾壓

通過碾壓能夠增加隧道瀝青路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度。為了保證該隧道路面上面層壓實(shí)度，選擇初壓、復(fù)壓以及終壓三段壓實(shí)，壓實(shí)方法采用振動(dòng)壓實(shí)。在初壓階段，振動(dòng)壓路機(jī)按照設(shè)計(jì)碾壓溫度以振動(dòng)碾壓方式進(jìn)行碾壓，該隧道路面上面層壓路機(jī)碾壓速度控制在4～5km/h，碾壓路線應(yīng)選擇由隧道路面上面層內(nèi)側(cè)向外側(cè)均勻碾壓不少于4遍。在碾壓過程中要注意避免裂縫及推移的產(chǎn)生，一般在碾壓時(shí)進(jìn)行輪痕重復(fù)碾壓。初壓完成后，進(jìn)行復(fù)壓施工，注意復(fù)壓施工與初壓施工之間不能存在時(shí)間差。復(fù)壓施工時(shí)壓路機(jī)的碾壓速度應(yīng)與初壓速度相同或略微加速，復(fù)壓速度不宜過快，應(yīng)在5～6km/h內(nèi)，同樣進(jìn)行4遍碾壓。在復(fù)壓施工完畢后，繼續(xù)進(jìn)行終壓施工。終壓施工與前兩階段碾壓不同，終壓不需要采取振動(dòng)碾壓的方式。終壓采用靜壓施工方式，結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，路面終壓的靜壓次數(shù)在3次左右。

3.4 接縫處理

該隧道阻燃路面攤鋪工作和碾壓工作全部完成之后，需要對攤鋪時(shí)留下的施工接縫處進(jìn)行處理。該項(xiàng)目對施工接縫選擇灌縫的處理方法，對于瀝青路面上面層，灌縫料噴涂的厚度在3～6mm之間，保證灌縫料全部灌至接縫處，并且要注意避免在施工過程中使接縫處進(jìn)入水。灌縫料用量需要嚴(yán)格控制，根據(jù)規(guī)范要求灌縫料用量保持在0.3～0.6kg/m之間。對接縫處進(jìn)行處理過后，等到路面溫度降至50℃以下可以立即開放交通。

4 結(jié)語

綜上所述，阻燃瀝青混合料作為隧道路面上面層能夠降低火災(zāi)發(fā)生率并提高路面強(qiáng)度。以車陂路北延線下穿高速公路隧道為研究對象，從阻燃瀝青混合料材料設(shè)計(jì)、力學(xué)性質(zhì)以及施工技術(shù)三方面進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：溫拌阻燃瀝青混合料添加了溫拌劑與阻燃劑，能夠有效降低隧道路面施工溫度，拌合溫度為150℃，壓實(shí)溫度為140℃；通過馬歇爾試驗(yàn)，確定溫拌阻燃瀝青混合料最佳油石比為5.0%；根據(jù)隧道路面施工順序，研究了阻燃瀝青混合料在隧道路面施工中的應(yīng)用。