溫拌阻燃瀝青混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能評價(jià)

楊銳　周啟偉　王磊　袁明園

摘要：為開發(fā)阻燃性能較好、適用于隧道路面的瀝青混合料，基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定溫拌劑、阻燃劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，設(shè)計(jì)溫拌阻燃瀝青混合料并進(jìn)行路用性能評價(jià)；試驗(yàn)確定溫拌阻燃瀝青混合料最佳拌和溫度與壓實(shí)溫度，并評價(jià)其路用性能、抗疲勞性能及阻燃性能。結(jié)果表明：溫拌阻燃瀝青混合料的最佳拌和溫度為150 ℃，最佳壓實(shí)溫度為140 ℃；其水穩(wěn)定性及抗疲勞性能均得到顯著改善，高溫、低溫性能得到一定提高；從燃燒時(shí)間、質(zhì)量損失水平及殘留穩(wěn)定度等參數(shù)分析表明，溫拌阻燃瀝青混合料可增加路面材料的阻燃性能，提高火災(zāi)事故后道路材料的基本路用性能，可為溫拌阻燃瀝青混合料在隧道工程中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：道路工程；溫拌阻燃瀝青；路用性能；阻燃性能

中圖分類號：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2024）01-0049-07

引用格式：楊銳，周啟偉，王磊，等.溫拌阻燃瀝青混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能評價(jià)［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2024，32（1）：49-55.

YANG Rui， ZHOU Qiwei， WANG Lei， et al. Optimization design and performance evaluation of flame-retardant warm-mix asphalt mixture［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（1）：49-55.

0 引言

目前大多數(shù)隧道均采用瀝青路面，因隧道空間狹小，通風(fēng)不佳，鋪筑瀝青混合料時(shí)危害氣體難以散去，一旦出現(xiàn)火情，更易產(chǎn)生有毒氣體和煙霧，對人員健康安全造成較大威脅[1-4]。因此，需研發(fā)具有抑煙阻燃作用的隧道瀝青路面材料。

20世紀(jì)90年代，研究人員發(fā)現(xiàn)溫拌瀝青可顯著降低溫室氣體的排放[5-6]，已研發(fā)多種降低瀝青拌和溫度的添加劑及方法，并在歐洲大規(guī)模推廣以溫拌瀝青混合料為主要鋪筑材料的道路[7]。Hou等[8]、Alimohammadi等[9]通過試驗(yàn)研究不同溫拌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下瀝青混合料的性能，發(fā)現(xiàn)溫拌劑與瀝青的質(zhì)量比為0.025%的瀝青混合料的最低拌和溫度可達(dá)129 ℃，最低碾壓溫度為110 ℃。Li等[10]對比分析熱拌瀝青混合料和添加Sasobit溫拌劑的溫拌瀝青混合料的廢氣排放水平及抗車轍能力，結(jié)果表明添加溫拌劑后廢氣排放明顯減少，拌和溫度可降低25 ℃，抗車轍能力相差不大。牛蘢昌等[11]、申愛琴等[12]測試7種摻加不同溫拌劑和抑煙阻燃劑的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene butadiene styrene，SBS）改性瀝青及輝綠巖集料的表面能，基于表面能理論計(jì)算分析瀝青與集料匹配性指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)溫拌劑與瀝青的質(zhì)量比為0.007%、抑煙阻燃劑與瀝青的質(zhì)量比為0.14的SBS改性瀝青與集料間黏附性最佳，瀝青混合料水穩(wěn)定性最好。龍?jiān)葡龅萚13]、喬建剛等[14]通過表面改性制備新型復(fù)合阻燃劑BPN-Ti，基于氧指數(shù)、煙密度及低溫延度試驗(yàn)確定阻燃劑的合理用量，并通過對比試驗(yàn)分析表面改性對改性瀝青的阻燃性、抑煙性、存儲穩(wěn)定性及路用性能的影響。蔣瑋等[15]、王春等[16]、何立平等[17]、王朝輝等[18]基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定溫拌劑和阻燃劑與瀝青的合理質(zhì)量比、拌和溫度及剪切速率，采用紅外熱成像儀評價(jià)溫拌阻燃瀝青混合料的阻燃效果，并通過路用性能試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)溫拌阻燃瀝青混合料的長期水穩(wěn)定性和抗疲勞性能有所降低，高溫穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性均有提升。現(xiàn)階段針對溫拌阻燃瀝青混合料的研究主要集中在添加劑、單一成分與瀝青的質(zhì)量比及路用性能方面，針對2種添加劑的復(fù)配混合設(shè)計(jì)及瀝青混合料耐久性等的研究較少。

本文基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到2種添加劑與瀝青的復(fù)配最佳質(zhì)量比，優(yōu)化設(shè)計(jì)溫拌阻燃瀝青混合料級配，評價(jià)瀝青混合料的路用性能、疲勞性能及阻燃性能，以期為溫拌阻燃混合料在隧道工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 原材料性能

選擇SBS改性瀝青，基本性能測試結(jié)果如表1所示。粗集料、細(xì)集料物理力學(xué)性能指標(biāo)如表2、3所示。石灰石磨細(xì)制成石灰?guī)r礦粉，技術(shù)指標(biāo)如表4所示。某A型阻燃瀝青改性劑的性能指標(biāo)如表5所示。HH-XII型溫拌劑為棕綠色黏稠液體，主要成分為表面活性劑，密度為0.99～1.01 g/cm pH值為8～1 基質(zhì)瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料的降溫幅度分別為10～30 ℃、20～40 ℃。

由表1～5可知本文試驗(yàn)所用原材料性能均滿足文獻(xiàn)[19]要求。

2 施工參數(shù)正交試驗(yàn)確定方法

基于相關(guān)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定溫拌劑、阻燃劑與瀝青的合理質(zhì)量比和溫拌阻燃瀝青混合料的最佳拌和溫度，優(yōu)化工藝參數(shù)。以溫拌劑與瀝青的質(zhì)量比A、阻燃劑與瀝青的質(zhì)量比B與溫拌阻燃瀝青混合料的拌和溫度C為影響因素，根據(jù)推薦最佳用量和工程經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)影響因素確定3個(gè)水平，正交分析各因素對瀝青性能的影響。各正交試驗(yàn)影響因子和水平為：A1～A3分別為5%、6%、7%，B1～B3分別為7%、9%、11%，C1～C3分別為140、150、160 ℃。選擇L9（34）正交表進(jìn)行試驗(yàn)和極差分析，結(jié)果如表6、7所示。

由表6、7可知：針入度、5 ℃延度和氧指數(shù)隨溫拌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小，軟化點(diǎn)隨溫拌劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，說明溫拌劑摻量過高對瀝青性能不利。瀝青的5 ℃延度和針入度隨阻燃劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而降低，軟化點(diǎn)和氧指數(shù)則相反；溫拌劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對針入度、5 ℃延度的影響較大，阻燃劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對軟化點(diǎn)、氧指數(shù)的影響較大，拌和溫度對各指標(biāo)影響較小；方案6的瀝青性能最佳，確定溫拌劑、阻燃劑與瀝青的最優(yōu)質(zhì)量比分別為0.06、0.1 拌和溫度為140 ℃。

3 溫拌阻燃瀝青混合料配合比及施工溫度

3.1 配合比設(shè)計(jì)

選擇AC-13級配瀝青混合料，確定規(guī)范要求的級配范圍，篩分粗、細(xì)集料并設(shè)計(jì)級配，通過試算，確定粒徑分別為>9.5～13.2、>4.75～9.5、>2.36～4.75、0～2.36 mm的礦料與礦粉的質(zhì)量比為35：15：18：27：5，合成級配曲線如圖1所示。

選擇SBS改性瀝青，溫拌劑及阻燃劑與瀝青的質(zhì)量比分別為0.06、0.1 根據(jù)規(guī)范要求制備試樣，進(jìn)行室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

參考最佳油石比確定步驟，計(jì)算得到瀝青與礦料的最佳質(zhì)量比為0.046 8。綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定最佳油石比為4.6%。

3.2 拌和與壓實(shí)溫度

空隙率反映路面的壓實(shí)效果，空隙率過大將導(dǎo)致路面二次壓實(shí)形成車轍，水更易進(jìn)入路面造成水損壞。溫度對溫拌阻燃瀝青混合料的影響較大，需確定壓實(shí)溫度和溫拌阻燃瀝青混合料空隙率的相關(guān)關(guān)系，以此得到溫拌阻燃瀝青混合料最佳拌和溫度和最佳壓實(shí)溫度。設(shè)置壓實(shí)溫度分別為120、130、140、150、160 ℃（每組混合料的拌和溫度均比壓實(shí)溫度高10 ℃），摻加溫拌劑和阻燃劑后分別拌和溫拌阻燃瀝青混合料，制備試件并測試空隙率，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知：溫拌阻燃瀝青混合料的空隙率隨壓實(shí)溫度升高而減?。?60 ℃壓實(shí)普通熱拌瀝青混合料時(shí)，空隙率為4.0%；擬合公式中，138 ℃下壓實(shí)溫拌阻燃瀝青混合料時(shí)，空隙率為4.0%，比普通熱拌瀝青混合料的壓實(shí)溫度低22 ℃。分析圖2中空隙率與壓實(shí)溫度的關(guān)系，最佳壓實(shí)溫度為140 ℃，最佳拌和溫度為150 ℃。

4 溫拌阻燃瀝青混合料性能試驗(yàn)及分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

測試瀝青混合料的路用性能時(shí)，按文獻(xiàn)[20]中T 0703的要求成型馬歇爾試件和車轍板試件，按T 0719方法測試高溫穩(wěn)定性，按文獻(xiàn)[20]中T 0715D的方法測試低溫穩(wěn)定性，按文獻(xiàn)[20]T 0709和T 0729方法測試水穩(wěn)定性，按文獻(xiàn)[20]T 0739的方法評價(jià)疲勞性能，采用應(yīng)變控制方法，選用應(yīng)變分別為2×10-4、4×10-4、6×10-4。

燃燒試件，模擬車輛漏油或其他原因引發(fā)的道路火災(zāi)事故，評價(jià)瀝青混合料的阻燃性能。試件在汽油中浸泡10 s，點(diǎn)燃后測定燃燒時(shí)間，燃燒后把試件放在通風(fēng)的地方，5 h后測定試件的質(zhì)量損失，測試車轍板的動(dòng)穩(wěn)定性。馬歇爾試件的殘留穩(wěn)定度

Ms0=Ms1/Ms×100%，

式中：Ms1為馬歇爾試件燃燒后的穩(wěn)定度，Ms為馬歇爾試件燃燒前的穩(wěn)定度。

車轍板試件的殘留穩(wěn)定度

MsD=MsD1/MsD0×100%，

式中：MsD1為車轍板燃燒后的動(dòng)穩(wěn)定度，MsD0為車轍板燃燒前的動(dòng)穩(wěn)定度。

4.2 路用性能試驗(yàn)結(jié)果

對各組試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，溫拌阻燃瀝青混合料3組平行試件的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度分別為4 426、4 382、4 315次/mm，熱拌SBS改性瀝青混合料3組平行試件的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度分別為4 487、4 395、4 345 次/mm。溫拌阻燃瀝青混合料的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度與熱拌SBS改性瀝青混合料之差小于1%，說明在瀝青混合料中加入2種添加劑不會明顯降低混合料的高溫穩(wěn)定性，2種添加劑對瀝青混合料的高溫性能影響較小。

分別對2種瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)和水穩(wěn)定性能試驗(yàn)，結(jié)果如表9、10所示。

由表9可知：加入2種添加劑對瀝青混合料的低溫性能無顯著影響，低溫彎拉應(yīng)變小幅減小，抗彎拉強(qiáng)度小幅增大，彎曲勁度模量波動(dòng)幅度較小。說明加入2種添加劑可在一定程度上改善瀝青混合料的低溫性能。

由表10可知：加入2種添加劑在一定程度上改善了溫拌阻燃瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。相比于SBS改性瀝青混合料，溫拌阻燃瀝青混合料的30 min、48 h穩(wěn)定度指標(biāo)均得到改善，殘留穩(wěn)定度提高3%。溫拌阻燃瀝青混合料的未凍融、凍融劈裂強(qiáng)度均高于SBS改性瀝青混合料，前者的凍融劈裂強(qiáng)度比遠(yuǎn)超過規(guī)范要求（80%），比后者提高約2%。加入2種添加劑可提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性，有利于溫拌阻燃瀝青混合料的抗水損壞性能。

4.3 疲勞性能

熱拌SBS改性瀝青混合料和溫拌阻燃瀝青混合料的疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：2種瀝青混合料的疲勞壽命隨應(yīng)變的增大均縮短。同種應(yīng)變下，熱拌SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命更高，低應(yīng)變水平下差距更明顯，應(yīng)變?yōu)?×10-4水平下，溫拌阻燃瀝青混合料的疲勞壽命比熱拌SBS改性瀝青混合料高約2倍，說明加入溫拌劑、阻燃劑可顯著改善瀝青混合料的疲勞耐久性能。

4.4 阻燃性能

分別對2種馬歇爾試件和車轍板試件進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，測定燃燒時(shí)間，結(jié)果如圖4所示。分別分析2種車轍和馬歇爾試件燃燒試驗(yàn)后的質(zhì)量損失，結(jié)果如圖5所示。

由圖4可知：溫拌阻燃瀝青混合料試件的燃燒時(shí)間明顯縮短，僅有部分試件的燃燒用時(shí)比熱拌SBS瀝青混合料試件長。原因是部分試件浸潤汽油時(shí)，因表面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)吸附較多汽油，燃燒時(shí)間變長。馬歇爾試件的燃燒用時(shí)約為20～40 s，明顯低于熱拌瀝青混合料；溫拌阻燃瀝青混合料制備的車轍板試件的燃燒用時(shí)比熱拌SBS改性瀝青混合料試件縮短約60 s，說明前者的阻燃效果較好。試件的主要燃燒物質(zhì)為汽油，阻燃劑混合在瀝青內(nèi)部，未暴露時(shí)不會影響燃燒時(shí)間。車轍板試件的體積比普通馬歇爾試件大，附著更多汽油，燃燒時(shí)間明顯延長。瀝青成為燃燒主體時(shí)，阻燃劑釋放，減緩、削弱了瀝青燃燒過程。

由圖5可知：相比普通熱拌SBS改性瀝青試件，溫拌阻燃瀝青混合料制備的馬歇爾、車轍板試件質(zhì)量損失分別減少40.6%、46.6%。根據(jù)氧化分解反應(yīng)機(jī)理，外側(cè)瀝青燃燒分解后，附著在瀝青內(nèi)部的阻燃劑釋放，發(fā)揮阻燃作用，瀝青材料本身的燃燒時(shí)間減少，試件的質(zhì)量損失減小。實(shí)際隧道路面發(fā)生火災(zāi)時(shí)，瀝青燃燒會產(chǎn)生大量的致癌氣體，采用溫拌阻燃瀝青混合料可大大減少致癌氣體的排放量，減輕隧道內(nèi)路面發(fā)生火災(zāi)造成的生態(tài)危害。

分別計(jì)算車轍板試件和馬歇爾試件燃燒試驗(yàn)后的穩(wěn)定度變化，結(jié)果如表11所示。

由表11可知：溫拌阻燃瀝青混合料制備的馬歇爾試件、車轍板試件燃燒后殘留穩(wěn)定度比SBS改性瀝青混合料分別提高5.2%、6.5%。說明加入2種添加劑未改變?yōu)r青混合料的高溫性能，顯著改善溫拌阻燃瀝青混合料的阻燃效果。

集料間相互接觸形成的嵌擠結(jié)構(gòu)決定材料的高溫性能，燃燒過程不會對嵌擠作用產(chǎn)生影響，因此溫拌阻燃瀝青混合料的高溫性能未受影響。但燃燒過程中瀝青分解，黏結(jié)作用降低，試件的穩(wěn)定度減小。加入溫拌劑和阻燃劑可減緩瀝青質(zhì)量損失，汽油燃燒完全后，試件仍具有較高的殘留穩(wěn)定度，說明加入2種添加劑可顯著改善溫拌阻燃瀝青混合料的阻燃性能。

5 結(jié)論

1）基于正交設(shè)計(jì)，分析溫拌劑、阻燃劑2種添加劑與瀝青的質(zhì)量比及拌和溫度對瀝青性能的影響，確定2種添加劑的最優(yōu)質(zhì)量比分別為0.06、0.11。

2）通過配合比設(shè)計(jì)綜合確定最佳油石比為4.6%，基于溫度與瀝青混合料空隙率的相關(guān)關(guān)系，確定最佳拌和溫度為150 ℃，最佳壓實(shí)溫度為140 ℃。

3）設(shè)計(jì)試驗(yàn)評價(jià)溫拌阻燃瀝青混合料的路用性能、耐久性能及阻燃性能，加入2種添加劑可顯著提高溫拌阻燃瀝青混合料的水穩(wěn)定性，高溫及低溫性能得到一定提升；各種加載條件下試件的疲勞壽命均遠(yuǎn)超過普通AC-13瀝青混合料；通過多個(gè)指標(biāo)參數(shù)分析瀝青混合料的阻燃能力，表明加入添加劑可顯著改善溫拌阻燃瀝青混合料的阻燃性能。

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Optimization design and performance evaluation of flame-retardant warm-mix asphalt mixture

YANG RuiZHOU Qiwei2， WANG LeiYUAN Mingyuan2

Abstract：To develop asphalt mixtures with good flame-retardant performance for tunnel pavement， an orthogonal?experimental design is conducted to determine the optimal mass fractions of warm mix additives and flame retardants. The warm-mix flame-retardant asphalt mixture is designed and evaluated for its road performance. The optimal mixing and compaction temperatures for the warm mix flame-retardant asphalt mixture are determined through experiment， and its road performance， fatigue resistance， and flame retardation are evaluated. The results show that the optimal mixing temperature is 150 ℃， and the optimal compaction temperature is 140 ℃. The water stability and fatigue resistance of the warm mix flame-retardant asphalt mixture are significantly improved， and its performance at high and low temperatures is also enhanced. Analysis of parameters such as combustion time， mass loss， and residual stability indicate that the warm mix flame-retardant asphalt mixture can increase the flame retardation of road materials， and improve the basic road performance of materials after fire accidents， and provide data foundation for the application of warm mix flame-retardant asphalt mixtures in tunnel projects.

Keywords：road engineering; warm-mix flame-retardant asphalt; road performance; flame retardancy

（責(zé)任編輯：王惠）

收稿日期：2022-12-10

基金項(xiàng)目：重慶市科學(xué)技術(shù)局技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)展專項(xiàng)援藏項(xiàng)目（CSTB2022TIAD-GPX0006）；安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2022AH052459，2023AH052969，2023AH052972）；全國交通運(yùn)輸職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會項(xiàng)目（LQZZW20221 LQZWH202310）；安徽省職業(yè)與成人教育學(xué)會課題（AZCJ2023150）

第一作者簡介：楊銳（1986—），女，河南漯河人，講師，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)榈缆饭こ?，E-mail：695749271@qq.com。