復(fù)合阻燃劑對SBS改性瀝青混合料路用性能的影響

劉光輝

(湖南省潭衡高速公路管理中心，湖南 湘潭 411100)

瀝青路面行車舒適性好、施工便捷及運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)維修封閉交通時間短，隧道工程多采用瀝青路面。長大隧道相對密閉，通風(fēng)性較差，而瀝青混合料特別是摻加SBS改性劑的瀝青混合料中包含大量易燃有機(jī)化合物，遇明火會迅速燃燒并產(chǎn)生大量濃煙，造成不可控制的嚴(yán)重后果。因此，應(yīng)特別注意長大隧道路面及襯砌材料的阻燃性能。國外已在較多隧道工程中開展了阻燃瀝青研究與應(yīng)用，并研發(fā)了多種阻燃劑。但國內(nèi)研究較晚，已有成果較少涉及阻燃瀝青對路用性能的影響及在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果。本文在常規(guī)阻燃劑研究的基礎(chǔ)上配制一種阻燃性能更高的復(fù)合阻燃劑，通過室內(nèi)試驗(yàn)分析其對SBS改性瀝青混合料路用性能的影響，并通過工程應(yīng)用驗(yàn)證其實(shí)際應(yīng)用效果。

1 室內(nèi)試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

(1)瀝青。選用東海牌SBS(1-C)改性瀝青，其主要性能見表1。

表1 SBS改性瀝青的主要性能指標(biāo)

(2)阻燃劑。以氫氧化鎂∶硼酸鋅∶十溴二苯乙烷=1∶4∶5(質(zhì)量比)的配比制備復(fù)合阻燃劑。選用常用鎂鹽晶須阻燃劑及無氯阻燃劑進(jìn)行對比。

(3)集料。粗集料采用玄武巖，礦粉采用石灰?guī)r粉末，其性能檢測結(jié)果見表2。

表2 集料的物理力學(xué)性能檢測結(jié)果

1.2 復(fù)合阻燃劑的最佳用量

通過高速剪切混合器制備摻有不同阻燃劑的改性瀝青。先將SBS改性瀝青加熱至175 ℃，再摻入不同類型阻燃劑機(jī)械剪切10 min。

制作涂抹阻燃改性瀝青的玻璃纖維試件(長×寬=15 cm×4.5 cm)進(jìn)行氧指數(shù)試驗(yàn)，測定燃燒后試件的氧指數(shù)。氧指數(shù)OI的計算公式為：

式中：[O2]、[N2]分別為氧氣和氮?dú)獾捏w積流量(L/min)。

氧指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見圖1。從圖1可以看出：SBS改性瀝青的OI隨著不同類型阻燃劑用量的增加而增加，其阻燃效果越來越好。復(fù)合阻燃劑摻量大于8%時，OI迅速增加，摻量為10%時達(dá)到26.1%，滿足隧道阻燃瀝青路面OI>25%的要求，且優(yōu)于摻加其他兩種阻燃劑的改性瀝青；之后，隨著摻量的增加，OI緩慢增長。綜合考慮安全性與經(jīng)濟(jì)效益，復(fù)合阻燃劑的最佳摻量為10%。

圖1 不同阻燃劑及摻量下SBS改性瀝青的氧指數(shù)

1.3 配合比設(shè)計

分別選用AC-13及SMA-13級配類型，參照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中級配中值進(jìn)行目標(biāo)級配設(shè)計，結(jié)果見表3、表4。

表3 AC-13礦料級配設(shè)計

表4 SMA-13礦料級配設(shè)計

按JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對10%復(fù)合阻燃劑摻量瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，確定AC-13、SMA-13混合料的最佳油石比分別為4.8%、6.2%。

1.4 試驗(yàn)方案

按設(shè)計級配及最佳油石比制備摻10%復(fù)合阻燃劑的SBS改性瀝青混合料試件，根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》分別進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)及浸水馬歇爾試驗(yàn)，分析其路用性能。

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

分別制備復(fù)合阻燃劑摻量為10%的不同級配類型SBS改性瀝青混合料試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，分析其高溫穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知：不同級配類型SBS改性瀝青混合料在摻入10%復(fù)合阻燃劑后，其動穩(wěn)定度得到提高，AC-13與SMA-13混合料的動穩(wěn)定度分別提高8.8%、9.6%，高溫穩(wěn)定性得到改善。摻入復(fù)合阻燃劑后，SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)與黏度在復(fù)合阻燃劑中無機(jī)材料的改性下得到提高，進(jìn)而提高了高溫穩(wěn)定性能。10%復(fù)合阻燃劑摻量下，SMA-13混合料的動穩(wěn)定度比AC-13高15.6%，表明SMA-13具有更好的高溫穩(wěn)定性，適用于隧道路面。

2.2 低溫抗裂性能

在溫度為-10 ℃時，采用SANS萬能試驗(yàn)機(jī)，通過單點(diǎn)加載的小梁彎曲試驗(yàn)測試復(fù)合阻燃劑摻量為10%的不同級配類型SBS改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從圖3可以看出：不同級配類型SBS改性瀝青混合料在摻入10%復(fù)合阻燃劑后，其破壞應(yīng)變均降低，低溫抗裂性能出現(xiàn)一定程度降低，AC-13與SMA-13混合料的低溫破壞應(yīng)變分別降低11.5%、9.4%，AC-13混合料的低溫抗裂性能已不能滿足規(guī)范要求，SMA-13混合料的低溫抗裂性能仍滿足規(guī)范要求。摻入復(fù)合阻燃劑后，SBS改性瀝青的黏稠度增大，低溫下的勁度大幅下降，較大程度影響了其抗變形能力。但10%復(fù)合阻燃劑摻量對SMA-13瀝青混合料的影響較小，混合料仍具有較好的低溫抗裂性能。

2.3 水穩(wěn)定性

復(fù)合阻燃劑的摻量取10%，按最佳油石比分別制備不同級配類型SBS改性瀝青混合料試件進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知：不同級配類型SBS改性瀝青混合料在摻入10%復(fù)合阻燃劑后，水穩(wěn)定性均出現(xiàn)一定程度降低，AC-13與SMA-13混合料的水穩(wěn)定性分別降低5.1%、5.0%，但均滿足規(guī)范要求。這是因?yàn)閾饺霃?fù)合阻燃劑后，瀝青與集料之間的黏結(jié)力降低，其在水分作用下更容易剝離，水穩(wěn)定性降低。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某新建公路K342+210—K345+350段為雙向兩車道隧道。以K342+210—520段作為試驗(yàn)段，瀝青路面上面層鋪筑摻復(fù)合阻燃劑的SMA-13 SBS改性瀝青混合料，路面結(jié)構(gòu)形式為20 cm 4%水泥穩(wěn)定碎石底基層+20 cm 5%水泥穩(wěn)定碎石基層+8 cm AC-25下面層+6 cm AC-20中面層+4 cm SMA-13上面層。該路段施工所采用材料類型及檢測方法均同室內(nèi)試驗(yàn)。復(fù)合阻燃劑摻量取10%，油石比為6.2%。

3.2 現(xiàn)場性能檢測

在SMA-13 SBS改性瀝青混合料出料后對其進(jìn)行隨機(jī)抽樣，抽樣檢測結(jié)果見表5。由表5可知：施工現(xiàn)場拌合的混合料的相關(guān)性能均優(yōu)于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，路用性能良好。

表5 SMA-13型SBS改性瀝青混合料抽樣檢測結(jié)果

K342+210—520段鋪筑完成后，每隔20 m對其鉆芯取樣，進(jìn)行驗(yàn)收檢測，取平均值作為檢測結(jié)果(見表6)。由表6可知：試驗(yàn)段的各項(xiàng)驗(yàn)收檢測結(jié)果均滿足規(guī)范要求，施工質(zhì)量優(yōu)異。

表6 試驗(yàn)段驗(yàn)收檢測結(jié)果

3.3 持續(xù)觀測與評價

該隧道工程于2017年3月建成，同年4月該新建公路全線通車。通車2年內(nèi)對試驗(yàn)段持續(xù)進(jìn)行觀測，結(jié)果顯示：摻復(fù)合阻燃劑的SMA-13瀝青路面平整度高，無車轍病害及明顯裂縫產(chǎn)生，路用性能良好。低摻量復(fù)合阻燃劑對瀝青路面的路用性能影響較小，可推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

(1)隨著復(fù)合阻燃劑摻量的增加，SBS改性瀝青的阻燃效果增強(qiáng)，考慮到安全性和經(jīng)濟(jì)效益，復(fù)合阻燃劑最佳用量為10%。

(2)AC-13與SMA-13瀝青混合料在摻入10%復(fù)合阻燃劑后，高溫穩(wěn)定性得到提高，動穩(wěn)定度分別提高8.8%、9.6%。

(3)摻入10%復(fù)合阻燃劑后，瀝青混合料的低溫抗裂性能出現(xiàn)一定程度降低，AC-13與SMA-13瀝青混合料的低溫破壞應(yīng)變分別降低11.5%、9.4%，AC-13瀝青混合料的低溫抗裂性能已不能滿足規(guī)范要求，但SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性能仍滿足規(guī)范要求。

(4)瀝青混合料的水穩(wěn)定性在摻入10%復(fù)合阻燃劑后出現(xiàn)一定程度降低，AC-13與SMA-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性分別降低5.1%、5.0%，但均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

(5)摻10%復(fù)合阻燃劑的SMA-13瀝青路面通車2年內(nèi)平整度高，無車轍病害及明顯裂縫產(chǎn)生，路用性能良好。低摻量復(fù)合阻燃劑對瀝青路面的路用性能影響不大，可推廣應(yīng)用。