地下道路阻燃沥青混合料路用性能研究

王海燕，娄中波，张彩利

（1.天津市政工程设计研究院，天津市300051；2.河北工业大学，天津市300401）

0 前言

沥青混合料作为沥青路面的面层材料，在使用过程中将承受车辆荷载反复作用以及环境因素的作用，结合地下道路特殊环境及交通特点要求，地下道路沥青混合料应满足：足够的抗剪切能力，良好的耐久性，良好的水稳定性，足够的抗滑能力，良好的低温抗裂性以及阻燃性能等。本文主要研究阻燃沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等路用性能以保证沥青路面优良的服务性能，安全美观、经久耐用。

1 阻燃沥青混合料路用性能

1.1 阻燃沥青混合料高温稳定性

沥青混合料是一种粘弹性材料，其物理力学性能与温度和作用时间密切相关[1]。沥青路面在使用期间，经受从低温到高温不同环境条件的考验。道路使用的实践表明，在通常的汽车荷载条件下，永久性变形主要是在夏季气温高于25 ℃～30 ℃，即沥青路面的路表温度达到40 ℃～50 ℃，已经达到或超过道路沥青的软化点温度的情况下容易产生，且随着温度的升高和荷载的加重，变形愈大。根据沥青材料的温度时间换算法则，长时间承受荷载与高温条件是等效的，而且时间是累积的。车辆在高速公路上以100 km/h 的速度行驶，对路面沥青层的作用时间不超过0.025 s，而在城市道路的交叉口、停车站，车辆停车时间1 min，相当于正常行车3 000 辆的情况。所以一般所说的高温稳定性能也包括长时间荷载作用的情况[2～3]。沥青路面在高温条件下或长时间承受荷载作用，沥青混合料会产生显著的变形，其中不能恢复的部分成为永久变形。降低路面的使用性能，危及行车安全，从而缩短沥青路面的使用寿命。高速公路的车辙是沥青路面的最具危害的破坏形式之一[4]。

由于地下道路车辆交通渠化现象比较严重，沥青路面在行车荷载的反复作用下，由于永久变形的累积而导致路表面出现车辙。沥青路面车辙的出现会影响路面的平整度，导致轮迹处沥青层厚度减薄，削弱了面层及路面结构的整体强度，同时造成雨天路表排水不畅，降低了路面的抗滑能力，甚至会由于车辙内积水而致车辆漂滑，影响行车安全。因此，车辙的产生将严重影响路面的使用寿命和服务质量。

本研究采用室内试验经常使用的马歇尔稳定度试验和车辙试验来评价阻燃沥青混合料的高温性能。

（1）马歇尔稳定度试验

本文研究将AC-13C 沥青混合料制备成101.6×（Φ63.5±1.3）mm 圆柱体试件，比较基质沥青、阻燃改性沥青混合料在最佳油石比条件下的稳定度，试验数据如表1 所示。

表1 沥青混合料试样的马歇尔稳定度

采用最佳油石4.9%，阻燃沥青为最佳阻燃剂掺量10%，成型8 个试件，分为两组，一组用于常规马歇尔试验，试验结果如表1 所示；另一组用于浸水马歇尔试验，试验结果如表4 所示。由表1 试验结果可知，马歇尔稳定度远远大于规范。但是，在相同试验条件下，阻燃剂的掺入，对提高沥青混合料的力学性能并不显著，这主要是因为在相同油石比的条件下，阻燃沥青相较于基质沥青粘稠性变化不大。

马歇尔稳定度和流值与路面相关性不好，对于控制车辙更是相距甚远[5]，因此采用车辙试验对沥青混合料高温稳定性进一步试验。车辙试验是一种模拟实际车轮荷载在路面上行走而形成车辙的工程试验方法。从广义上来说，室内小型往复车辙试验、旋转压实试验、大型环道试验、直道试验等都可以认为是属于车辙试验的范畴，这些试验最基本的和相同的原理就是通过采用车轮在板状试件表面或路面结构上反复行走，观察和检测试块或路面结构的响应，用动稳定度或车辙深度来表征试验结果。

（2）车辙试验

虽然地下道路所处环境具有冬暖夏凉的特点，而这种特点可能会对沥青路面高温稳定性的要求较低，但是考虑到地下道路交通渠化现象严重，故对于地下道路沥青混合料的高温稳定性要求，主要还是依据我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)（以下简称《规范》），即在规定的试验条件下进行车辙试验并应符合规范相关要求。

本研究将最佳油石比阻燃沥青混合料及基质沥青混合料分别制备成300 mm×300 mm×50 mm块状试件，测试在60 ℃、0.7 MPa 轮压下的动稳定度DS，试验数据如表2 所示。

表2 沥青混合料试样的动稳定度

由表2 可得，掺加阻燃剂后沥青混合料的动稳定度增加了21.8%。这是因为阻燃剂的加入使得沥青的粘度和软化点都增大，改善了沥青抗高温性能，从而提高了混合料的车辙动稳定度。同时可以看出阻燃沥青混合料动稳定度大于3 000 次/mm，表明阻燃沥青混合料的高温稳定性满足路面高温稳定性能的要求。

1.2 阻燃沥青混合料低温抗裂性

当冬季气温降低时，沥青面层将产生体积收缩，而在基层结构与周围材料的约束作用下，沥青混合料不能自由收缩，将在结构层中产生温度应力。由于沥青混合料具有一定的应力松弛能力，当降温速率较慢时，所产生的温度应力会随着时间逐渐松弛减小，不会对沥青路面产生较大的危害。但当气温骤降时，所产生的温度应力来不及松弛，当温度应力超过沥青混合料的容许应力值时，沥青混合料被拉裂，导致沥青路面出现裂缝造成路面的破坏。因此，要求沥青混合料具备一定的低温抗裂性能，即要求沥青混合料具有较高的低温强度或较大的低温变形能力[6]。

本研究通过低温弯曲试验来对阻燃沥青混合料的低温性能进行探讨。沥青混合料低温弯曲试验可用来评价混合料的抗弯强度、破坏弯拉应变及破坏时的弯曲劲度模量。抗弯拉强度表征混合料抵抗弯拉应力作用的能力，抗弯拉强度越高，材料抵抗破坏的能力越强，低温时抵抗收缩应力的能力就越强，路面低温抗裂性越好。低温时混合料破坏弯拉应变与破坏时弯曲劲度模量也是表征混合料低温抗裂性指标。

对于不同的沥青混合料和工程所处地区的气候分区，《规范》规定了沥青混合料的破坏应变的要求。考虑到地下道路冬季气温比正常气温要高，且温差变化较小，故对地下道路沥青混合料的低温抗裂性能要求可适当降低，即可在现行规范的基础上适当降低要求。

本试验按照沥青混合料弯曲试验规程进行，将轮碾成型的板状试件切割为30 mm×35 mm×250 mm 的小梁试件，在-10 ℃±0.5 ℃温度下，加载速率50 mm/min，利用MTS-810 进行弯曲破坏试验以确定阻燃沥青混合料低温下的弯曲破坏强度、破坏应变及破坏劲度模量。试验结果见表3。

表3 阻燃沥青混合料的低温性能试验数据

一般来说，较好的低温抗裂性表现为较大的抗弯拉强度、较大的弯拉应变、较小的弯曲劲度模量。抗弯拉强度越大表明混合料抵抗低温开裂能力越大；极限应变越大，表明混合料的柔韧性越好；低温劲度模量越大，其抵抗变形能力越差[7]。

由表3 低温弯曲试验数据可以看出，阻燃沥青混合料在-10 ℃±0.5 ℃温度下的弯曲破坏强度比基质沥青混合料提高了0.8 MPa，弯曲破坏应变比不掺加阻燃剂的沥青混合料提高了6.5%，阻燃沥青混合料的弯曲劲度模量比基质沥青混合料小了240 MPa。这表明阻燃剂的加入可以改善沥青混合料的低温性能，但改善能力有限。

1.3 阻燃沥青混合料水稳定性

沥青混合料水稳定性的评定方法，通常分为两个步骤进行，第一步是评定沥青与矿料的粘附性，第二步是评价沥青混合料的水稳定性。这两个阶段是密不可分的，必须综合运用。

由于地下道路长期处于潮湿封闭状态，这就对地下道路沥青混合料的水稳定性提出了更高的要求。故对地下道路沥青混合料的水稳定性指标可在《规范》的基础上适当提高。

研究主要采用浸水马歇尔试验残留稳定度MS 和冻融劈裂试验劈裂强度比TSR 双指标来评价阻燃沥青混合料的抗水害能力，试验结果如表4、表5 所示。

表4 沥青混合料浸水马歇尔试验结果

表5 沥青混合料冻融劈裂试验结果

冻融劈裂试验的名义上为冻融试验，但其真正含义上是检验沥青混合料的水稳定性，且试验条件较一般的浸水试验条件苛刻一些，试验结果与实际情况较为吻合，是目前使用较为广泛的试验。本研究对比分析基质沥青、阻燃沥青混合料在两个不同条件下的劈裂抗拉强度，残留稳定度，冻融劈裂抗拉强度比具体试验结果如表5 所示。

由表4、表5 及图1 结果可得，阻燃沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比分别比基质沥青混合料提高了0.3%和0.4%，说明阻燃沥青混合料的水稳性较好，基质沥青混合料在加入阻燃剂后，相应的水稳定性有一定的提高，但两者的差值并不是很大，这也说明基质沥青加入阻燃剂之后水稳性并没有很显著的提高。

1.4 阻燃沥青混合料抗滑性能

分别对阻燃沥青混合料及基质沥青混合料试件测定了摆值及构造深度，用以评定其抗滑性能，试验结果见表6。由抗滑性能试验结果可以看出，阻燃改性沥青混合料及普通沥青混合料抗滑性能均满足现行《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）的相关要求。掺加阻燃剂之后，沥青混合料的抗滑能力有所提高，但幅度不大。

表6 不同沥青混合料的抗滑性能试验数据

1.5 阻燃沥青混合料渗水性能

渗水性能采用实验室成型的车辙试件进行试验，油石比采用最佳油石比，同车辙试验成型条件相同。对基质沥青和阻燃沥青混合料分别进行渗水试验，试验结果如表7。

表7 混合料渗水系数试验结果

由渗水试验结果可得，阻燃沥青的混合料的渗水系数比基质沥青混合料下降了30%，这说明沥青混合料中含有的阻燃剂在集料的压密中起到了积极的作用，从而提高了混合料的密水性能。

2 阻燃沥青混合料阻燃性能

由于试验条件的限制，阻燃沥青混合料的阻燃性能测试不能再采用氧指数法，沥青混合料是由集料和沥青组成，集料间靠沥青的粘结使之成为一体。当温度升高时，沥青的粘结性能下降，集料间的粘结力随着下降。如果用氧指数法测试阻燃沥青混合料的阻燃性能时，由于试件的燃烧端温度很高，集料在重力的作用下自由掉落，带有火焰的集料掉落后，使燃烧端的火焰产生熄灭，使试验结果偏差很大，所测试的结果也不能真实地反映试样的阻燃性能[8]。所以研究通过燃料燃烧模拟的方法进行阻燃沥青混合料阻燃性能试验，分析阻燃沥青对混合料阻燃性能的提高。

地下道路火灾的发生通常是与液体燃料发生着火有关的，这些燃料一般是车辆运输的过程中发生泄漏并遇到火源产生燃烧的。通过试验室对现场燃料发生泄漏并发生火灾条件的模拟，研究阻燃沥青混凝土对火灾发生时所产生的阻燃作用。具体试验步骤如下：

（1）采用相同集料级配、相同的油石比条件下的阻燃沥青混合料（采用A1 阻燃剂，三组掺量5%，10%，15%）和普通改性沥青混合料分别成型标准马歇尔试件；

（2）成型好的阻燃沥青混合料试件和普通沥青混合料试件各分成6 组，使每一组试件体积性能相同，准备进行常规试验和燃烧后试验；

（3）将燃烧试件分别浸没到93# 汽油中，时间分别为5 s，10 s，15 s 取出，立即点燃试件测试燃烧时间；待自熄后放在60 ℃烘箱中5 h 烘干，称量重量损失，未燃烧的常规试件同样放入烘箱中5 h。

由图4(a)可以看出，高钛渣原料呈现出金属盐团聚吸附包裹在表面。结合图1，高钛渣原料含有Mg-Ti-O、Fe-Ti-O和Fe-Mn-Ti-O等黑钛石物相，苏打焙烧的目的就是破坏这种难与酸反应的结构。杨艳华[12]对云南钛渣直接进行了高压酸浸除杂实验，实验结果显示高压酸浸并没有破坏钛渣表面的包裹结构，TiO2的品位也只提高到了83%。图4(b)显示，钛渣经苏打焙烧后形成了针状、柱状、板条状晶体，这种结构形态与未经苏打焙烧时对比发生了明显变化，这种松散结构可使物料的比表面积显著增加，有利于加快焙烧钛渣酸浸反应的速率，明显改善酸浸除杂效果。

2.1 燃烧时间

对阻燃沥青混合料和改性沥青混合料的燃烧试件进行测试，测试结果见表8。

表8 不同浸泡时间后试件燃烧结果

从不同浸泡时间下的平均燃烧时间来看，采用阻燃沥青的混合料燃烧时间稍微短一些。由表8 可得：

（1）同一掺量的阻燃沥青混合料，浸泡时间越长，燃烧时间也越长；相同浸泡时间的阻燃沥青混合料，阻燃剂掺量越大，燃烧时间越短；相同浸泡时间，掺入阻燃剂的沥青混合料燃烧时间比普通沥青混合料要稍短些；

（2）浸泡5 s 后燃烧，三种不同阻燃剂掺量沥青混合料的平均燃烧时间相差不大，随着浸泡时间的增加，三种掺量混合料的平均燃烧时间差距逐渐增长。

阻燃沥青中的阻燃剂分散在沥青中，当沥青发生燃烧时，沥青开始分解或燃烧，使部分阻燃剂暴露出来，暴露出的阻燃剂在受热或火源的作用下开始对沥青的分解和燃烧发挥阻碍作用；在燃料汽油发生燃烧时，沥青中暴露的阻燃剂很少，不足以对燃料汽油进行阻燃。由此可知，通过燃烧时间不能很好地判断阻燃沥青混合料阻燃性能的优越性。

2.2 质量的损失

将燃烧自熄后的试件放入60 ℃烘箱中烘干5 h 后，称量重量，结果记录如表9 所示。

表9 不同浸泡时间后试件燃烧质量损失

试件质量的损失主要是由于燃烧时沥青参与燃烧并发生氧化反应，生成气体和水等物质而损失，沥青在参与燃烧时，阻燃剂也参与了燃烧，但参与燃烧的阻燃剂降低了参与燃烧的沥青量，降低了混合料燃烧后的质量损失。

3 小结

本文对阻燃沥青混合料的路用性能和阻燃性能进行试验检测。主要结论如下：

（1）通过马歇尔稳定度试验和车辙试验对阻燃沥青混合料的高温稳定性进行了检测，试验表明阻燃剂的掺入对混合料的高温稳定性并没有太大的影响，按照目标级配成型的试件高温性能满足要求，同时针对地下道路交通渠化现象严重特点，提出地下道路沥青混合料的高温性能指标不能低于地表道路要求。

（2）通过低温弯曲试验对阻燃沥青混合料的低温抗裂性进行了研究，试验数据表明，阻燃沥青混合料的低温抗裂性基本符合要求，掺加阻燃剂能适当提高沥青混合料的低温抗裂性，同时提出对于地下道路沥青混合料的低温性能指标可在现行规范基础上适当降低。

（3）从MS 和TSR 值的试验数据可以看出，沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比始终是阻燃沥青混合料要稍高于基质沥青混合料，说明阻燃沥青混合料的水稳性较好，但两者的差值并不是很大，这也说明加入阻燃剂之后水稳性并没有显著的提高。根据地下道路内特殊的工作环境特点得出，地下道路内路面渗水与抗滑标准应提高。

（4）通过燃烧分析试验测试了阻燃沥青混合料的阻燃性能，从燃烧时间和质量损失值得出，一定掺量的阻燃剂能起到较好的阻燃效果，相较于基质沥青混合料而言，阻燃沥青混合料的阻燃性能非常显著，阻燃性能随掺量增加而增强。

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