阻燃溫拌SBS改性瀝青開發及影響因素研究

摘要：為改善SBS改性瀝青在隧道瀝青路面中的應用效果，文章開展了阻燃劑與溫拌劑種類優選，并基于正交試驗，以阻燃劑摻量、溫拌劑摻量及剪切溫度為研究因素，進行了阻燃溫拌SBS改性瀝青開發研究。結果表明：DBDPE阻燃抑煙效果較好，Sasobit在高溫區降黏效果優良，分別選用作為阻燃劑與溫拌劑；提高DBDPE阻燃劑與Sasobit溫拌劑摻量有利于SBS改性瀝青高溫性能與阻燃性能，結合pearson相關性分析確定DBDPE摻量為10%，Sasobit摻量為2%，剪切溫度為160 ℃。

關鍵詞：阻燃；改性瀝青；正交實驗；相關性

中圖分類號：U414 A 21 077 4

0 引言

21世紀以來，我國社會經濟得到迅速發展，公路建設事業也突飛猛進，隨著我國東部及南部地區公路交通系統日益完善，公路建設事業逐漸西移。而我國中西部地區地形主要為山地、高原及丘陵，因此隧道在路線中的占比相對較高。公路隧道環境相對封閉，內部空氣流通不佳，視線效果不好，在其建設過程中，特別是瀝青路面鋪筑施工時，高溫瀝青混合料產生大量有毒煙霧不能排出而影響施工人員健康安全，運營期間發生交通事故易引起瀝青路面燃燒，造成火災事故而導致更大傷亡［1］。因此用于鋪筑隧道路面的瀝青混合料應具備溫拌及阻燃特性，從而減少施工期有毒煙霧排放及防止交通事故導致火災［2］。因此，本文以瀝青路面常用SBS改性瀝青為原樣瀝青，開展阻燃溫拌SBS改性瀝青開發研究，以期對隧道路面工程提出指導建議。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

本文瀝青采用思特立有限公司生產的SBS改性瀝青，其主要性能指標見表1。

1.1.2 阻燃劑

本文選用4種常見的阻燃劑，分別為十溴二苯乙烷（DBDPE）、十溴二苯醚（DBDPO）、聚磷酸銨（APP）及氫氧化鋁（ATH）阻燃劑，其主要性能指標見表2。

1.1.3 溫拌劑

根據溫拌劑對瀝青降黏原理的不同，選擇機蠟類、沸石類、表面活性劑類及稀釋類4種溫拌劑，分別為Sasobit、Aspha-min、EWMA-1及芳烴油，其主要性能指標見表3。

1.2 試驗方法

1.2.1 阻燃溫拌瀝青制備

將SBS改性瀝青加熱至液態后，按試驗比例摻入阻燃劑與溫拌劑，然后使用高速剪切機在試驗溫度下對瀝青進行剪切30 min，使改性劑在瀝青中充分分散、溶解，制得阻燃溫拌SBS改性瀝青。

1.2.2 瀝青燃燒性能試驗

瀝青材料為一種高分子有機物，其燃燒過程極其復雜。本文采用極限氧指數試驗與煙密度試驗分別測定瀝青的極限氧指數與光密度指標評價改性瀝青的阻燃抑煙性能。極限氧指數越高，光密度越小，說明瀝青燃燒過程產生的煙霧量越小。

1.2.3 瀝青常規性能試驗

溫拌劑是通過降低瀝青黏度，從而實現降低瀝青施工溫度，因此本文采用布氏黏度試驗評價不同溫拌劑對瀝青改性效果，并通過軟化點試驗及延度試驗（5 ℃）評價溫拌阻燃瀝青高低溫性能。

2 阻燃劑與溫拌劑種類選擇

2.1 阻燃種類優選

以SBS改性瀝青為對照組，根據國內相關研究經驗［3］，選用8%摻量（質量比），采用DBDPE、DBDPO、APP及ATH四種阻燃劑對SBS改性瀝青進行阻燃改性，并進行極限氧指數試驗與煙密度試驗。極限氧指數試驗結果如見表4，煙密度試驗結果見圖1。

由表2可知，阻燃劑提升了SBS改性瀝青的阻燃性能。4種外摻阻燃劑的SBS改性瀝青的極限氧指數均大于SBS改性瀝青，極限氧指數由大到小排序為：DBDPO阻燃劑gt;DBDPE阻燃劑gt;APP阻燃劑gt;ATH阻燃劑，其中前3種阻燃劑改性的瀝青的極限氧指數值接近，且明顯高于ATH-SBS改性瀝青，說明ATH阻燃劑對瀝青阻燃性能的改善效果不及其他3種阻燃劑。

由圖3可知，DBDPE、APP及ATH阻燃劑可以提高SBS改性瀝青的抑煙效果，而DBDPO阻燃劑劣化了SBS改性瀝青的抑煙性能。4種阻燃瀝青及SBS改性瀝青的光密度曲線由低至高排序為：ATHgt;DBDPEgt;APPgt;SBSgt;DBDPO，說明ATH-SBS改性瀝青試驗煙霧量最小，抑煙性能最好，其次是DBDPE-SBS改性瀝青與APP-SBS改性瀝青；而DBDPO-SBS改性瀝青的煙霧量較未摻阻燃劑的SBS改性瀝青更大，其抑煙性能較差。

綜上述分析，DBDPE阻燃劑與DBDPO阻燃劑的阻燃性能較好，而DBDPO阻燃劑制備的SBS改性瀝青試驗煙霧量較大，抑煙性能較差，因此本文采用DBDPE作為改性瀝青研究的阻燃劑。

2.2 溫拌劑種類優選

利用布氏黏度計測定SBS改性瀝青與摻入Sasobit、Aspha-min、EWMA-1及芳烴油4種溫拌劑的SBS改性瀝青的黏度，進行溫拌劑種類優選。Sasobit、Aspha-min、EWMA-1及芳烴油摻量分別為2.5%、4%、0.3%及6%。布氏黏度試驗結果見圖2。

由圖4可知：EWMA-1與芳烴油在全域溫度范圍內降低了SBS改性瀝青黏度；而在低溫區（＜135 ℃）內，Aspha-min與Sasobit增大了SBS改性瀝青黏度，而到高溫區時（＞135 ℃），Aspha-min與Sasobit對SBS改性瀝青具有較明顯的降黏作用，且其黏溫曲線明顯低于EWMA-1及芳烴油的黏溫曲線。說明在低溫區，EWMA-1與芳烴油對SBS改性瀝青降黏效果較優，而在高溫區Aspha-min與Sasobit對SBS改性瀝青的降黏效果更好。

一般來說，瀝青黏度越低，瀝青混合料施工和易性越好，溫拌劑使瀝青在相對低溫條件下達到了施工黏度要求，從而實現降低瀝青混合料施工溫度的目的。由圖4可知，在高溫區4種溫拌劑中降黏效果最好的為Sasobit，且其在低溫區對瀝青有一定的增黏效果，低溫增黏可提高瀝青與集料的粘附性，改善瀝青的路用性能。因此，本文選用Sasobit作為本文改性瀝青研究的溫拌劑。

3 阻燃溫拌SBS改性瀝青制備

3.1 正交試驗

采用前文溫拌阻燃SBS改性瀝青制備方法，DBDPE阻燃劑與Sasobit溫拌劑作為改性劑，以阻燃劑摻量、溫拌劑摻量及瀝青制備剪切溫度作為試驗因素，以軟化點、延度、極限氧指數作為高低溫性能及阻燃性能評價指標，展開阻燃溫拌SBS改性瀝青制備研究。根據廠家推薦制備參數，本文擬定DBDPE阻燃劑試驗摻量分別為8%、10%、12%，Sasobit溫拌劑試驗摻量分別為2%、3%、4%，制備剪切溫度分別為140 ℃、150 ℃、160 ℃。為提高試驗效率，本文采用正交試驗方法進行試驗方案設計。表5為正交試驗因素水平表，表6為L9（33）正交試驗設計表。

3.2 正交結果分析

按照表6試驗參數制備阻燃溫拌SBS改性瀝青，并進行軟化點試驗、延度試驗及極限氧指數試驗，結果見表7。

采用均值分析法進行各因素水平對瀝青性能的影響研究。均值分析法是指選擇單一因素不同影響水平為研究對象，計算相同水平試驗組指標結果均值，以該均值表征該因素水平對試驗對象的影響［4］。對表7試驗結果進行均值分析，繪制影響因素-指標結果關系曲線見圖3～5。

3.2.1 高溫性能

DBDPE阻燃劑與Sasobit溫拌劑均可提高SBS改性瀝青高溫性能。由圖5可知，隨DBDPE摻量增加，瀝青軟化點增加，隨Sasobit摻量增加，軟化點呈現先增加而后略微下降現象，DBDPE與Sasobit的摻量水平1至水平3過程，軟化點整體呈現上升趨勢，且原樣SBS改性瀝青的軟化點為78.8 ℃，低于阻燃劑或溫拌劑在摻量水平1時的軟化點。

提高制備時剪切溫度，有利于提高阻燃溫拌SBS改性瀝青高溫性能。由圖5可知，隨制備剪切溫度提高，瀝青軟化點均值持續升高，剪切溫度由140 ℃提高至160 ℃時，對應的軟化點由83.7 ℃提高至86.3 ℃。這可能是因為剪切溫度越高，越利于阻燃劑和溫拌劑與瀝青融合。

3.2.2 低溫性能

DBDPE阻燃劑與Sasobit溫拌劑的摻入會劣化改性瀝青低溫性能，由圖6可知，隨阻燃劑摻量增加，瀝青延度先增大后減小，整體呈現下降趨勢；隨溫拌劑摻量增加，瀝青延度持續降低。說明阻燃劑與溫拌劑摻量越大，越不利于阻燃溫拌SBS改性瀝青的低溫性能。

剪切溫度對瀝青的低溫性能影響較小。由圖6可知，隨剪切溫度升高，瀝青延度均值變化曲線平緩，說明剪切溫度對瀝青延度影響較小。

3.2.3 阻燃性能

DBDPE阻燃劑與Sasobit溫拌劑均可提升瀝青的阻燃性能。由圖7可知，隨阻燃劑與溫拌劑摻量增加，極限氧指數曲線均呈現上升趨勢，極限氧指數越高，瀝青產生有焰燃燒所需的氧含量越高，從而越不易燃燒，阻燃性能越好。另一方面，阻燃劑摻量對應的極限氧指數曲線上升斜率最大，說明阻燃劑摻量對瀝青阻燃性能影響較顯著，增大阻燃劑摻量，可有效提升瀝青的阻燃性能。

剪切溫度對瀝青阻燃性能影響甚微。圖7中剪切溫度的極限氧指數曲線先略微上升，而后下降，且變化幅度較小，說明剪切溫度對瀝青極限氧指數影響不大。

3.3 pearson相關性分析

為研究各因素對瀝青性能顯著性，優選阻燃溫拌SBS改性瀝青制備參數，采用SPSS軟件對表7結果進行pearson相關性分析，計算結果見表8。

阻燃劑摻量對各指標影響程度由大到小排序為極限氧指數gt;軟化點gt;延度，且對極限氧指數與軟化點指標為顯著性影響，說明阻燃劑摻量對SBS改性瀝青的高溫性能及低溫性能影響顯著，結合前文各指標隨阻燃劑摻量變化趨勢，確定阻燃劑摻量為10%。

溫拌劑摻量對瀝青各項指標影響程度排序為延度gt;極限氧指數gt;軟化點，因此溫拌劑摻量選擇為2%；剪切溫度對瀝青各項指標影響程度排序為軟化點gt;極限氧指數gt;延度，因此剪切溫度選擇為160 ℃。

4 結語

本文通過室內試驗對阻燃劑與溫拌劑材料進行優選及開展基于正交試驗的阻燃溫拌SBS改性瀝青制備研究，得出以下結論：

（1）DBDPE阻燃劑與DBDPO阻燃劑的阻燃性能較好，但DBDPO抑煙效果不佳；Sasobit溫拌劑在低溫區可提高SBS改性瀝青黏度，且高溫區可有明顯降黏效果，因此選擇DBDPE與Sasobit分別作為SBS改性瀝青的阻燃劑與溫拌劑。

（2）提高DBDPE阻燃劑與Sasobit溫拌劑摻量有利于SBS改性瀝青高溫性能，且在一定程度上改善其阻燃性能，但也會劣化瀝青的低溫性能；提高制備剪切溫度可提高瀝青高溫性能，而對低溫性能及阻燃性能影響較小。

（3）結合瀝青性能指標隨研究因素變化特征及pearson相關性研究進行分析得出：阻燃溫拌SBS改性瀝青的DBDPE阻燃劑摻量為10%，Sasobit溫拌劑摻量為2%，剪切溫度為160 ℃。

參考文獻

［1］李成林.特長隧道鋪裝溫拌阻燃瀝青的制備與性能研究［D］.重慶：重慶交通大學，2021.

［2］王 春.隧道溫拌阻燃瀝青混合料技術性能研究［D］.西安：長安大學，2010.

［3］楊小龍，申愛琴，蔣宜馨，等.基于阻燃抑煙的納米黏土改性瀝青綜述［J］.交通運輸工程學報，2021，21（5）：42-61.

［4］孫海平，高曙光.超細橡膠改性瀝青正交試驗分析［J］.中外公路，2016，36（6）：252-256.

收稿日期：2022-11-01