溫拌阻燃瀝青混凝土技術性能研究

余小勇

(廣西龍靖高速公路有限公司，廣西 南寧 530021)

0 引言

伴隨全國公路交通建設事業的迅猛發展，公路隧道因其線形標準高、運營里程縮短、生態環境破壞較小等優點越發受到人們青睞。但大型隧道呈相對封閉的管狀結構，加上隧道內部環境封閉，通風性能比較差，在長大隧道中即使在隧道口安裝鼓風機，污染空氣的排放效果依然比較差。另外，空間封閉無法散熱，發生火災時，短時間內溫度就可高達800 ℃，一旦發生火災將引起嚴重的人員傷亡。傳統熱拌瀝青混合料HMA(Hot-MixAsphalt)是一種熱拌熱鋪材料，其拌合、攤鋪及碾壓過程都需在較高的溫度下(約135 ℃～160 ℃)進行。因此，HMA的生產和施工，不但需要大量的能源消耗，而且還會排放出大量的廢氣和粉塵，使周圍環境和施工人員的身體健康受到嚴重影響[1][2]。

目前國內外研究人員的研究重點在于改善隧道內火災的報警系統和滅火系統，意將火災消滅在初始階段；國外發達國家對溫拌瀝青混合料的設計與施工已經有了較為成熟的經驗和技術，這為我國開展相關研究工作提供了很好的借鑒[3]。但同時，溫拌阻燃瀝青混合料作為一項新技術，還有進一步完善和提升的空間，尤其是在我國，溫拌阻燃瀝青混合料技術的研究還處于剛剛起步階段[4]。

因此，研究和開發一種拌合溫度低、阻燃效果好的溫拌阻燃瀝青混合料，降低混合料拌合溫度，以期達到降低能源消耗，減少煙塵，保護環境的目的，從而使隧道內的施工和運營安全條件得到改善，并使施工人員的健康和使用者的生命安全得到最大限度的保護，具有十分重要的意義。

1 試驗材料

1.1 瀝青

試驗采用廣西國創道路材料有限公司供應的SBS(I-D)改性瀝青，主要技術指標見表1。

表1 瀝青技術指標表

試驗結果表明該瀝青延度較大，低溫性能較好，同時135 ℃黏度接近規范上限要求，施工溫度區間內該瀝青黏度較大，若不采用溫拌工藝，則需要在較高溫度下進行施工。

1.2 溫拌劑

試驗對溫拌劑進行了基本性能技術檢測，其技術性狀見表2。

表2 溫拌劑技術性狀表

該溫拌劑為有機降粘型溫拌劑，是一種新型聚烯烴類瀝青普適改性劑。其改性機理為將低熔點的有機添加劑加入至瀝青或混合料中，熔化后的溫拌劑在瀝青中發揮潤滑的作用，使瀝青的黏度降低，從而使瀝青混合料的拌合溫度得到降低[5]。

1.3 阻燃劑

試驗對阻燃劑進行了基本性能技術檢測，其技術性狀見表3。

表3 阻燃劑A技術性狀表

該阻燃劑為復合型阻燃劑，是一種高效阻燃型改性劑。其作用機理為以磷、氮為主要活性組分，不含鹵系，也不采用氧化銻為協效劑，在瀝青中加入膨脹型阻燃劑后，受熱的瀝青表面會生成一層均勻的炭層泡沫層，此碳層泡沫層不但隔熱、抑煙、隔氧，而且會防止產生瀝青融滴現象，因此具有良好的阻燃性能[6]。

1.4 集料與填料

依托廣西某高速公路隧道路面工程，上面層SBS改性瀝青混合料AC-13采用溫拌阻燃技術，集料為灰綠巖，填料為石灰巖礦粉，其技術指標見表4。

表4 集料及填料技術指標表

2 溫拌阻燃瀝青制備方法

制備溫拌阻燃瀝青溫度宜控制在140 ℃～150 ℃之間[7]，采用高速剪切儀進行制備。即先取一定量的SBS改性瀝青，邊攪拌邊加熱至拌合溫度，待瀝青在拌合溫度穩定后，放到具有攪拌裝置的AE300L.P型實驗室乳化機高速剪切儀上，添加相應質量的溫拌劑進行高速剪切制備溫拌瀝青，以1 500～2 000 r/min進行高速剪切攪拌20 min。然后再向溫拌瀝青中分多次邊攪拌邊添加阻燃劑，待瀝青表面無明顯漂浮的白色粉末時，再以1 500～2 000 r/min進行高速剪切攪拌15 min。溫拌劑、阻燃劑的摻量均為廠家推薦用量，分別為3%、7%。

3 溫拌阻燃瀝青混合料試驗

上面層AC-13改性瀝青混合料采用溫拌阻燃技術，在最佳油石比4.7%下進行各項路用性能試驗，并與熱拌瀝青混合料進行對比[8][9]。AC-13改性瀝青混合料設計級配見表5。

表5 SBS改性瀝青混凝土AC-13級配組成表

3.1 水穩定性(表6)

表6 溫拌阻燃瀝青混合料和熱拌瀝青混合料AC-13水穩定性試驗結果表

3.2 高溫穩定性(表7)

表7 溫拌阻燃瀝青混合料和熱拌瀝青混合料AC-13車轍試驗結果表

3.3 低溫抗裂性(表8)

表8 溫拌阻燃瀝青混合料和熱拌瀝青混合料AC-13低溫彎曲試驗結果表

3.4 劈裂強度

旋轉壓實成型φ63.5 mm×100 mm圓柱體試件，在不同的水環境(無水、浸水)、溫度(5 ℃、15 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃)條件下測試溫拌阻燃瀝青混凝土的劈裂強度。試驗結果見表9。

表9 溫拌阻燃瀝青混凝土AC-13劈裂強度表(MPa)

試驗結果表明，隨著溫度的升高，溫拌阻燃瀝青混凝土AC-13的劈裂強度逐漸降低，如無水和浸水情形下，50 ℃和15 ℃的劈裂強度之比分別為13.3%、13.0%；浸水環境下的劈裂強度低于無水環境下的劈裂強度，浸水會使劈裂強度降低5%～25%。總之，高溫和浸水會顯著降低材料的劈裂強度，該不利影響不容忽視。

3.5 抗剪強度

針對溫拌阻燃瀝青混凝土AC-13，成型車轍板試件(30 cm×30 cm×5 cm)并切割成一定尺寸的梁式試件(30 cm×6 cm×5 cm)，在不同的水環境(無水、浸水)、溫度(5 ℃、15 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃)和正壓力(0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa)試驗條件下測試抗剪強度。

將抗剪強度對正應力進行線性擬合，得到相應的抗剪強度指標見表10。

表10 溫拌阻燃瀝青混凝土抗剪強度指標表

根據試驗結果可以看出：

(1)無水環境下溫拌阻燃AC-13的抗剪強度高于浸水環境下的抗剪強度。

(2)隨著溫度的升高，抗剪強度逐漸下降。

3.6 抗沖刷性能

3.6.1 動水沖刷對瀝青混合料性能的影響

采用動水沖刷試驗，通過動水沖刷前后溫拌阻燃瀝青混合料滲水系數、抗壓強度、劈裂強度和質量變化的對比分析，研究動水沖刷作用對溫拌阻燃瀝青混合料性能的影響程度。為降低個體差異對試驗的影響，每組試驗采用三個平行試件并取平均值進行分析，見表11～表14。

(1)滲水系數

表11 動水沖刷前后的滲水系數對比表(ml/min)

(2)抗壓強度

表12 動水沖刷前后的抗壓強度對比表(MPa)

(3)劈裂強度

表13 動水沖刷前后的劈裂強度對比表(MPa)

(4)沖刷量

表14 動水沖刷后質量損失表

試驗結果表明，與滲水系數、質量損失相比，瀝青混合料的強度受動水沖刷作用會顯著降低，而且空隙率為8%～10%時，強度損失比最大。

3.6.2 抗沖刷性能評價指標及標準

(1)滲水系數評價標準

對于AC-13，規范中配合比設計時目標空隙率為3%～4%，重載路段放寬到4.5%，因此主要考察空隙率為4%～4.5%的滲水系數[10]。本試驗中空隙率為4.5%時滲水系數為66 ml/min，因此建議滲水系數以70 ml/min作為最高標準界限，并以此作為瀝青混合料抗沖刷性能的輔助評價指標。

(2)動水沖刷殘留強度比評價標準

由于不同水環境處理后瀝青混合料強度損失比呈現相似規律，因此可以根據殘留強度比的相關性，與瀝青混合料水穩定性的評價標準進行類比，提出基于動水沖刷試驗的殘留強度比評價標準建議值，即動水沖刷殘留抗壓強度比和動水沖刷殘留劈裂強度比均≥80%，并以此作為瀝青混合料抗沖刷性能的主要評價指標。

3.7 耐腐蝕性能

對溫拌阻燃瀝青混合料AC-13和熱拌SBS改性瀝青混合料AC-13，旋轉壓實成型φ63.5 mm×100 mm圓柱體試件。在試驗溫度20 ℃時，浸泡汽油進行耐腐蝕試驗。

通過試驗可以看出，隨著在汽油中浸泡時間的延長，混合料的質量逐漸減少，其劈裂強度下降，其中溫拌阻燃瀝青混合料AC-13的質量損失率明顯小于熱拌SBS改性瀝青混合料AC-13的質量損失率，并且溫拌阻燃瀝青混合料AC-13的劈裂強度比值大于熱拌SBS改性瀝青混合料AC-13。因此，溫拌阻燃瀝青混凝土AC-13比熱拌瀝青混凝土AC-13更耐油污腐蝕。

4 結語

(1)溫拌阻燃瀝青混凝土與熱拌瀝青混凝土的高溫穩定性、水穩定性、低溫抗裂性能差別不大，溫拌劑和阻燃劑對瀝青混凝土的常規路用性能影響較小，但溫拌阻燃瀝青混凝土比熱拌瀝青混凝土更耐油污腐蝕。

(2)高溫和浸水會顯著降低溫拌阻燃瀝青混合料的劈裂強度和抗剪強度。

(3)提出了基于動水沖刷試驗的殘留強度比作為瀝青混合料抗沖刷性能的主要評價指標，以滲水系數作為輔助評價指標，并給出了建議值，即動水沖刷殘留抗壓強度比和動水沖刷殘留劈裂強度比均≥80%，滲水系數≤70 ml/min。

(4)本文僅選用一種溫拌劑、一種阻燃劑研究了溫拌阻燃瀝青混合料的技術性能，而多種溫拌劑或多種阻燃劑在不同組合下的溫拌瀝青混合料的技術性能或許會有更大的改善。