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、施工便捷及運營期養(yǎng)護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)用驗證其實際應(yīng)用效果。
(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
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)進行氧指數(shù)試驗,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]分別為氧氣和氮氣的體積流量(L/min)。
氧指數(shù)試驗結(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)
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行馬歇爾試驗,確定AC-13、SMA-13混合料的最佳油石比分別為4.8%、6.2%。
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規(guī)程》分別進行高溫車轍試驗、小梁彎曲試驗及浸水馬歇爾試驗,分析其路用性能。
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行車轍試驗,分析其高溫穩(wěn)定性,試驗結(jié)果見圖2。
圖2 車轍試驗結(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改性瀝青的軟化點與黏度在復(fù)合阻燃劑中無機材料的改性下得到提高,進而提高了高溫穩(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。
在溫度為-10 ℃時,采用SANS萬能試驗機,通過單點加載的小梁彎曲試驗測試復(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,試驗結(jié)果見圖3。
圖3 小梁彎曲試驗結(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。
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行浸水馬歇爾試驗,試驗結(jié)果見圖4。
圖4 浸水馬歇爾試驗結(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。這是因為摻入復(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。
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。復(fù)合阻燃劑摻量取10%,油石比為6.2%。
在SMA-13 SBS改性瀝青混合料出料后對其進行隨機抽樣,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,進行驗收檢測,取平均值作為檢測結(jié)果(見表6)。由表6可知:試驗段的各項驗收檢測結(jié)果均滿足規(guī)范要求,施工質(zhì)量優(yōu)異。
表6 試驗段驗收檢測結(jié)果
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)對試驗段持續(xù)進行觀測,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。
(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,考慮到安全性和經(jīng)濟效益,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。