復合阻燃溫拌瀝青混合料制備與性能研究

劉玉君 寇建國 江 琪 孫 倩 吳少鵬 謝 君 賈 梓

(1.河北省高速公路延崇籌建處 張家口 075400; 2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070;3.河北銳馳交通工程咨詢有限公司 石家莊 050000)

瀝青混凝土路面因其表面平整、降噪功能明顯、良好的行車舒適性、機械化程度高、易于建設和維護等優點，越來越廣泛地應用于高速公路和隧道路面。

目前大多數隧道內瀝青路面在建設過程中均采用傳統的熱拌瀝青混合料(hot mixture asphalt,HMA)。因隧道通風性差，空間相對封閉等特點，采用傳統的熱拌瀝青混合料鋪筑路面時，會產生大量瀝青煙氣和粉塵，對施工人員的身體健康及人身安全造成隱患；并且隧道修建在山區內，其結構具有曲折性，一旦發生交通事故，由于隧道特殊的封閉環境和瀝青的易燃性，很容易引起火災。為解決上述安全隱患，需開發一種高效的阻燃溫拌瀝青混合料，以在路面建設中降低瀝青混合料的施工溫度，并提高瀝青路面的難燃系數。

國外對溫拌和阻燃瀝青技術的研究起步較早[1]。一般來講，溫拌瀝青技術包括有機添加劑、化學添加劑和發泡技術3大體系[2-3]。海川新材公司生產的溫拌劑EC-120是一種聚烯烴類的瀝青改性劑，相關研究表明EC-120具有良好的路用性能。例如，田小革等[4]研究發現EC-120的加入提高了瀝青結合料的抗高溫車轍性能，降低了其低溫性能。馬峰等[5]選用Aspha-min和Sasobit 2種溫拌劑，研究了不同溫拌劑對瀝青混合料路用性能的影響。研究表明Sasobit溫拌劑可將基質瀝青混合料的動穩定度提升70%以上[6]。 然而針對無機阻燃劑和有機溫拌劑復合的阻燃溫拌瀝青混合料的路用性能研究較少。因此，本研究制備了一種阻燃溫拌瀝青混合料，并研究該混合料的路用性能，為該類型混合料應用于實際工程提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1瀝青

采用盤錦北方瀝青燃料有限公司提供的AH-90重交石油瀝青。其物理性能指標試驗結果見表1。

表1 AH-90重交石油瀝青試驗結果

1.1.2阻燃劑

采用北京泰科萊爾化工有限公司提供的復合阻燃劑，其主要由有機硅改性層狀雙金屬氫氧化物LDHs和石墨烯組成，其中LDHs中的鎂鋁質量比為2∶1，LDHs和石墨烯均為層狀結構。

1.1.3溫拌劑

溫拌劑采用河北陸鵬交通科技股份有限公司生產的環保節能型瀝青改性劑Sasobit，其主要化學成份是聚烯烴類高分子聚合物，能有效降低瀝青混合料的拌和溫度。

1.1.4集料

粗集料選用蔚縣新源玄武礦業有限公司的玄武巖，細集料選用赤城縣惠康砂石料加工有限公司的機制砂。

1.1.5礦粉

礦粉一般在瀝青混合料中起空隙填充作用。采用陽原龍陽鈣業有限責任公司石灰巖磨制的礦粉。

1.2 試驗方法

試驗利用有機硅改性層狀雙金屬氫氧化物LDHs、石墨烯和溫拌劑Sasobit與AH-90重交石油瀝青均勻混合得到阻燃溫拌改性瀝青。

采用AC-13型瀝青混合料，合成級配曲線圖見圖1，其最佳油石比為4.8%。

圖1 瀝青混合料(AC-13)的礦料級配圖

在最佳油石比條件下，瀝青混合料指標見表2，均滿足相關規范的對天然骨料瀝青混合料的設計要求。通過干法制備上述阻燃溫拌瀝青混合料，其中瀝青外加劑的用量(瀝青質量比)分別為：3%有機硅改性層狀雙金屬氫氧化物LDHs、3%石墨烯、0.5%溫拌劑Sasobit。

表2 瀝青混合料的設計指標

瀝青混合料的礦料級配和最佳油石比確定均按照JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術規范》的規定進行，并采用貝雷法中的CA值設計指標對瀝青混合料的礦料級配進行控制。瀝青混合料制備完成后，依據JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的規定對瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩性能、燃燒性能進行測試。

2 結果與討論

2.1 確定施工溫度

瀝青混合料在路面工程應用中的施工和易性主要由拌和及壓實2個過程的溫度控制。為確定基質瀝青的施工溫度，目前廣泛使用的方法是采用Brookfield黏度計測定并繪制的瀝青黏溫曲線，以表觀黏度(0.17±0.02)Pa·s對應的溫度作為拌和溫度，以表觀黏度(0.28±0.03)Pa·s對應的溫度作為壓實溫度。

對本研究的阻燃溫拌瀝青和基質瀝青分別測定黏溫曲線，結果見圖2。經計算，阻燃溫拌瀝青和普通基質瀝青的拌和和壓實溫度結果見表3。

圖2 瀝青的黏溫曲線

表3 根據黏溫曲線確定的瀝青混合料的拌和及壓實溫度 ℃

2.2 高溫性能

瀝青混合料高溫性能主要體現在車輪反復碾壓的抗車轍能力。高溫車轍試驗是將瀝青混合料制備成標準車轍板，在60 ℃的車轍試驗箱中保溫5 h，隨后將碾壓輪以0.7 MPa的荷載作用在車轍板上反復碾壓，記錄試驗作用時間和車轍形成的深度，最終用動穩定度來評價瀝青混合料的高溫性能。動穩定度越大，瀝青混合料的高溫性能越好。

通過對瀝青混合料的高溫車轍試驗，得到車轍板車轍深度隨試驗時間的變化，以及動穩定度結果，分別見圖3和表4。

圖3 高溫車轍試件形變量隨試驗時間的變化

表4 高溫車轍試驗結果

由表4可知，阻燃溫拌瀝青混合料的動穩定度達到2 583 次/mm，遠超基質瀝青混合料動穩定度1 000 次/mm的技術要求。

2.3 低溫性能

瀝青路面在晝夜溫差大或者寒冷地區的極寒條件下，會出現表面裂紋，甚至是裂縫的現象。通過對瀝青混合料進行低溫三點彎曲試驗，計算瀝青混合料的抗彎拉強度、最大彎拉應變和彎曲勁度模量，以此來評價瀝青混合料的低溫性能。

在-15 ℃條件下，采用UTM萬能試驗機對瀝青混合料進行低溫三點彎曲試驗，試驗得到荷載-撓度曲線及抗彎拉強度、最大彎拉應變和彎曲勁度模量等相關指標，分別見圖4和表5。

圖4 低溫三點彎曲試驗的荷載-撓度曲線

表5 低溫三點彎曲試驗結果

由表5可見，阻燃溫拌瀝青混合料的最大彎拉應變達到2 647×10-6，遠超基質瀝青混合料在-21.5 ℃至-37.0 ℃的冬季寒冷地區的最大彎拉應變2 300×10-6的技術要求。

首先，學院應建立院系兩級校企合作理事會，將學院和相關企業人員納入理事會成員。其次，整合校內職能，成立科研與校企合作部，并安排專職人員，設立固定場所。校企合作理事會主要負責為院系的重大發展問題提供咨詢、建議和指導，加強院系與行業、企業的聯系，促進產、學、研緊密合作，實質性推進合作辦學、合作育人、合作就業、合作發展，增強辦學活力，加強理事會成員單位之間的交流與合作等。科研與校企合作部主要負責研究學院校企合作方面的重大問題，推動校企合作體系建設、起草校企合作計劃、制定校企合作制度，并組織和推動實施等。

2.4 水穩性能

我國瀝青路面早期破壞的主要原因是水損害，水進入瀝青混合料的骨架孔隙中，通過來往車輪的泵吸作用，使得水在孔隙中持續沖刷和擠壓混合料中的瀝青和集料，最終導致瀝青與集料的黏附性下降，路面開始出現坑洼、掉粒、孔洞等病害，嚴重降低瀝青路面的服役壽命。本文通過浸水馬歇爾穩定度和凍融劈裂來評價瀝青混合料的水穩性能。

2.4.1馬歇爾殘留穩定度

殘留穩定度試驗是通過對比馬歇爾試件浸水前后的穩定度來反映瀝青混合料的抗水損害能力。其常規穩定度、浸水穩定度、殘留穩定度，試驗結果見表6。

表6 浸水殘留穩定度試驗結果

由表6可得，加入了阻燃溫拌劑的瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩定度達到91.56%，遠超熱拌瀝青混合料浸水殘留穩定度80%的技術要求。

2.4.2凍融劈裂

凍融劈裂試驗是通過測試馬歇爾試件凍融前后的劈裂抗拉強度來反映瀝青混合料的抗水損害能力，其常規劈裂抗拉強度、凍融劈裂抗拉強度、凍融劈裂抗拉強度比，試驗結果見表7。

表7 凍融劈裂試驗結果

由表7可得，加入了阻燃溫拌劑的瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比達到87.52%，遠超熱拌瀝青混合料75%的技術要求。

2.5 機理分析

由上述實驗結果可知，本研究制備的新型復合阻燃溫拌瀝青混合料具有良好的路用性能，其高溫穩定性、低溫抗裂性、抗水損害性能均顯著超過了JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術規范》的要求。在級配一定的情況下，瀝青膠漿的模量越大，則其流動活化能也越大，抵抗高溫變形能力越強。由于在瀝青中加入3%有機硅改性層狀雙金屬氫氧化物LDHs、3%石墨烯和0.5%溫拌劑Sasobit，相當于增加了膠漿的粉膠比，因此賦予瀝青混合料較好的高溫穩定性。而在這3種外加劑中，Sasobit是一種新型聚烯烴類改性劑，屬于低熔點的有機外加劑，可以使瀝青在相對較低的溫度下達到需要的黏度。而阻燃劑中LDHs有效成分及石墨烯均具有層狀結構，對瀝青有良好的潤滑效果，促進瀝青層間剪切，使瀝青具有良好的流動性，增強瀝青與集料的黏附能力，提高瀝青膠漿在低溫下的韌性應變，因此使溫拌阻燃瀝青混合料可以保持良好的抗水損害性能與低溫抗裂性能。

2.6 燃燒性能

目前聚合物材料阻燃性能的測試方法主要有極限氧指數、UL94法、錐形量熱法、煙密度及熱分析法等。瀝青的燃燒和實際路面混凝土的燃燒方式存在差異，因此瀝青的阻燃性能用LOI表征，瀝青混合料的阻燃性能用錐形量熱表征；UL94法是主觀性較強的試驗，對火焰判斷會造成試驗的較大誤差；錐形量熱法能夠準確評價材料燃燒性和阻燃性，并提供煙密度、吸收、釋放熱量、引燃時間等參數，但車轍板制作過程繁瑣，試驗結果涉及試件成型手法，單個試件成本較高，因此該方法未能推廣應用。

馬歇爾試件相較于車轍板試件而言，表面積小，汽油較集中，不能很好地模擬實際路面燃燒情況。車轍板的表面遠大于馬歇爾試件表面，可以較合理地模擬實際路面燃燒情景，故對瀝青混合料的車轍板試件進行完全燃燒試驗。試驗方法為：在2種瀝青混合料制成的車轍板試件上均勻澆灑50 mL汽油后點燃，記錄點燃時間，觀察燃燒現象。試驗結果及現象分別見表8和圖5。

表8 車轍板燃燒時間 s

圖5 車轍板燃燒現象 (左：阻燃溫拌瀝青混合料，右：AH-90基質瀝青混合料)

由表8可見，摻加了阻燃溫拌劑的瀝青混合料燃燒時間較長，比基質瀝青混合料延長近10 s。從圖5可見，剛加入汽油階段，2種瀝青混合料車轍板試件的燃燒狀況相似，均劇烈燃燒，這是因為參加燃燒的僅僅是汽油，冒出的黑煙是汽油燃燒不充分時的黑煙；當繼續燃燒，部分瀝青已開始參與燃燒，溫拌阻燃瀝青中的阻燃劑也開始發揮作用，火勢得到緩解，發煙量也得到抑制，從而達到阻燃的目的。

3 結論

1) 添加阻燃溫拌劑的瀝青混合料的基本性能均符合相關規范要求，添加阻燃溫拌劑的瀝青混合料的殘留穩定度增加了11.56%，凍融劈裂強度比增加了12.52%，說明阻燃溫拌劑對混合料的水穩定性有一定的促進作用。

2) 無論拌和溫度還是壓實溫度，溫拌阻燃瀝青比基質瀝青要下降10 ℃左右，這表明采用溫拌阻燃瀝青可以有效地降低瀝青混合料的拌和及壓實溫度，從而實現溫拌的目的。

3) 利用有機硅改性層狀雙金屬氫氧化物LDHs、石墨烯和溫拌劑Sasobit與AH-90重交石油瀝青均勻混合得到阻燃溫拌改性瀝青，并進一步制備出AC-13型瀝青混合料，其混合料各項性能指標均優于傳統基質瀝青混合料。