复合阻燃剂对SBS改性沥青混合料路用性能的影响
时间：2023-02-21 21:05:05 来源：千叶帆 本文已影响人
刘光辉
(湖南省潭衡高速公路管理中心，湖南 湘潭 411100)
沥青路面行车舒适性好、施工便捷及运营期养护维修封闭交通时间短，隧道工程多采用沥青路面。长大隧道相对密闭，通风性较差，而沥青混合料特别是掺加SBS改性剂的沥青混合料中包含大量易燃有机化合物，遇明火会迅速燃烧并产生大量浓烟，造成不可控制的严重后果。因此，应特别注意长大隧道路面及衬砌材料的阻燃性能。国外已在较多隧道工程中开展了阻燃沥青研究与应用，并研发了多种阻燃剂。但国内研究较晚，已有成果较少涉及阻燃沥青对路用性能的影响及在实际工程中的应用效果。本文在常规阻燃剂研究的基础上配制一种阻燃性能更高的复合阻燃剂，通过室内试验分析其对SBS改性沥青混合料路用性能的影响，并通过工程应用验证其实际应用效果。
1.1 试验材料
(1)沥青。选用东海牌SBS(1-C)改性沥青，其主要性能见表1。
表1 SBS改性沥青的主要性能指标
(2)阻燃剂。以氢氧化镁∶硼酸锌∶十溴二苯乙烷=1∶4∶5(质量比)的配比制备复合阻燃剂。选用常用镁盐晶须阻燃剂及无氯阻燃剂进行对比。
(3)集料。粗集料采用玄武岩，矿粉采用石灰岩粉末，其性能检测结果见表2。
表2 集料的物理力学性能检测结果
1.2 复合阻燃剂的最佳用量
通过高速剪切混合器制备掺有不同阻燃剂的改性沥青。先将SBS改性沥青加热至175 ℃，再掺入不同类型阻燃剂机械剪切10 min。
制作涂抹阻燃改性沥青的玻璃纤维试件(长×宽=15 cm×4.5 cm)进行氧指数试验，测定燃烧后试件的氧指数。氧指数OI的计算公式为：
式中：[O2]、[N2]分别为氧气和氮气的体积流量(L/min)。
氧指数试验结果见图1。从图1可以看出：SBS改性沥青的OI随着不同类型阻燃剂用量的增加而增加，其阻燃效果越来越好。复合阻燃剂掺量大于8%时，OI迅速增加，掺量为10%时达到26.1%，满足隧道阻燃沥青路面OI>25%的要求，且优于掺加其他两种阻燃剂的改性沥青；
之后，随着掺量的增加，OI缓慢增长。综合考虑安全性与经济效益，复合阻燃剂的最佳掺量为10%。
图1 不同阻燃剂及掺量下SBS改性沥青的氧指数
1.3 配合比设计
分别选用AC-13及SMA-13级配类型，参照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中级配中值进行目标级配设计，结果见表3、表4。
表3 AC-13矿料级配设计
表4 SMA-13矿料级配设计
按JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》对10%复合阻燃剂掺量沥青混合料进行马歇尔试验，确定AC-13、SMA-13混合料的最佳油石比分别为4.8%、6.2%。
1.4 试验方案
按设计级配及最佳油石比制备掺10%复合阻燃剂的SBS改性沥青混合料试件，根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》分别进行高温车辙试验、小梁弯曲试验及浸水马歇尔试验，分析其路用性能。
2.1 高温稳定性
分别制备复合阻燃剂掺量为10%的不同级配类型SBS改性沥青混合料试件进行车辙试验，分析其高温稳定性，试验结果见图2。
图2 车辙试验结果
由图2可知：不同级配类型SBS改性沥青混合料在掺入10%复合阻燃剂后，其动稳定度得到提高，AC-13与SMA-13混合料的动稳定度分别提高8.8%、9.6%，高温稳定性得到改善。掺入复合阻燃剂后，SBS改性沥青的软化点与黏度在复合阻燃剂中无机材料的改性下得到提高，进而提高了高温稳定性能。10%复合阻燃剂掺量下，SMA-13混合料的动稳定度比AC-13高15.6%，表明SMA-13具有更好的高温稳定性，适用于隧道路面。
2.2 低温抗裂性能
在温度为-10 ℃时，采用SANS万能试验机，通过单点加载的小梁弯曲试验测试复合阻燃剂掺量为10%的不同级配类型SBS改性沥青混合料的低温抗裂性能，试验结果见图3。
图3 小梁弯曲试验结果
从图3可以看出：不同级配类型SBS改性沥青混合料在掺入10%复合阻燃剂后，其破坏应变均降低，低温抗裂性能出现一定程度降低，AC-13与SMA-13混合料的低温破坏应变分别降低11.5%、9.4%，AC-13混合料的低温抗裂性能已不能满足规范要求，SMA-13混合料的低温抗裂性能仍满足规范要求。掺入复合阻燃剂后，SBS改性沥青的黏稠度增大，低温下的劲度大幅下降，较大程度影响了其抗变形能力。但10%复合阻燃剂掺量对SMA-13沥青混合料的影响较小，混合料仍具有较好的低温抗裂性能。
2.3 水稳定性
复合阻燃剂的掺量取10%，按最佳油石比分别制备不同级配类型SBS改性沥青混合料试件进行浸水马歇尔试验，试验结果见图4。
图4 浸水马歇尔试验结果
由图4可知：不同级配类型SBS改性沥青混合料在掺入10%复合阻燃剂后，水稳定性均出现一定程度降低，AC-13与SMA-13混合料的水稳定性分别降低5.1%、5.0%，但均满足规范要求。这是因为掺入复合阻燃剂后，沥青与集料之间的黏结力降低，其在水分作用下更容易剥离，水稳定性降低。
3.1 工程概况
某新建公路K342+210—K345+350段为双向两车道隧道。以K342+210—520段作为试验段，沥青路面上面层铺筑掺复合阻燃剂的SMA-13 SBS改性沥青混合料，路面结构形式为20 cm 4%水泥稳定碎石底基层+20 cm 5%水泥稳定碎石基层+8 cm AC-25下面层+6 cm AC-20中面层+4 cm SMA-13上面层。该路段施工所采用材料类型及检测方法均同室内试验。复合阻燃剂掺量取10%，油石比为6.2%。
3.2 现场性能检测
在SMA-13 SBS改性沥青混合料出料后对其进行随机抽样，抽样检测结果见表5。由表5可知：施工现场拌合的混合料的相关性能均优于室内试验结果，路用性能良好。
表5 SMA-13型SBS改性沥青混合料抽样检测结果
K342+210—520段铺筑完成后，每隔20 m对其钻芯取样，进行验收检测，取平均值作为检测结果(见表6)。由表6可知：试验段的各项验收检测结果均满足规范要求，施工质量优异。
表6 试验段验收检测结果
3.3 持续观测与评价
该隧道工程于2017年3月建成，同年4月该新建公路全线通车。通车2年内对试验段持续进行观测，结果显示：掺复合阻燃剂的SMA-13沥青路面平整度高，无车辙病害及明显裂缝产生，路用性能良好。低掺量复合阻燃剂对沥青路面的路用性能影响较小，可推广应用。
(1)随着复合阻燃剂掺量的增加，SBS改性沥青的阻燃效果增强，考虑到安全性和经济效益，复合阻燃剂最佳用量为10%。
(2)AC-13与SMA-13沥青混合料在掺入10%复合阻燃剂后，高温稳定性得到提高，动稳定度分别提高8.8%、9.6%。
(3)掺入10%复合阻燃剂后，沥青混合料的低温抗裂性能出现一定程度降低，AC-13与SMA-13沥青混合料的低温破坏应变分别降低11.5%、9.4%，AC-13沥青混合料的低温抗裂性能已不能满足规范要求，但SMA-13沥青混合料的低温抗裂性能仍满足规范要求。
(4)沥青混合料的水稳定性在掺入10%复合阻燃剂后出现一定程度降低，AC-13与SMA-13沥青混合料的水稳定性分别降低5.1%、5.0%，但均在规范要求范围内。
(5)掺10%复合阻燃剂的SMA-13沥青路面通车2年内平整度高，无车辙病害及明显裂缝产生，路用性能良好。低掺量复合阻燃剂对沥青路面的路用性能影响不大，可推广应用。
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