温拌阻燃沥青结合料制备方案设计

2018-08-28李根存但瑞强张国庆

筑路机械与施工机械化 2018年6期

李根存，但瑞强，张国庆

（龙怀高速公路管理中心龙连管理处，广东河源 517000）

0 引言

传统的热拌沥青混合料（Hot Mixture Asphalt，HMA）是目前隧道内建设沥青路面的基本材料。由于隧道空间狭窄封闭，路面铺装前通风设备尚未完善，通风条件较差，且通风成本高，而HMA通常要保持相对较高的摊铺温度，在摊铺过程中还会产生大量热量、有害气体和烟尘，导致隧道内施工环境恶劣［1－2］。烟尘阻挡视线，隧道内照明不足，摊铺和碾压设备因发动机水温过高频繁停机，这些对现场施工设备、人员以及沥青路面质量都发出了严峻的挑战［3－5］。因此，工程技术人员开始考虑采用能够降低温度、烟尘和有害气体排放量的温拌沥青混合料（Warm Mix Asphalt，WMA）进行长大公路隧道沥青路面的施工。

另一方面，由于结构的特殊性，公路隧道相对其他路段更容易发生火灾。隧道发生火灾将导致隧道内温度急剧上升，并产生大量有害烟气，不仅使汽车烧毁、隧道设施和结构严重毁坏，还会使道路交通长时间中断，造成无法估计的损失，加上长隧道两侧逃生空间有限，往往容易导致人员伤亡。国内外曾经发生过多起由隧道交通事故引发的火灾，有些造成了灾难性后果［6－7］。

综上所述，本文结合广东省某高速公路建设实例，进行温拌阻燃沥青结合料配合比设计，把温拌剂和阻燃剂加入沥青中，通过温拌技术和阻燃技术降低其施工温度和易燃性，从而使隧道的沥青路面较易施工，且不容易发生燃烧。

1 原材料

1.1 沥青

沥青采用江苏镇江有限公司（壳牌）SBS改性沥青（I－D），其相应指标满足规范要求，如表1所示。

表1 SBS（I－D）改性沥青试验结果

1.2 温拌剂

本研究采用EC－120温拌剂，它是一种合成直链脂肪族碳氢混合物，在室温下呈微小圆颗粒状。该温拌剂熔点为100℃，高于110℃时就会全部熔化在沥青里。EC－120温拌剂能够使沥青的高温黏度显著下降，所以将其掺入沥青后不仅能减小沥青混合料的拌合压实温度，还能改善沥青混合料的高温稳定性［8］。若沥青中的油类、胶质含量不断下降，就会引起沥青老化，由于该温拌剂能锁定沥青中油类、胶质组分，因此可使温拌沥青的抗老化性能得到改善。其物理化学指标见表2。

表2 EC－120基本参数

1.3 阻燃剂

阻燃剂采用深圳海川公司生产的FRMAX高效型阻燃剂，其外观为白色粉末，密度为2.0～2.4 g·cm－1。该阻燃剂能在提高生产效率的同时不对环境产生污染，同时减少设备腐蚀。

2 温拌阻燃沥青结合料的制备

2.1 温拌阻燃沥青的制备方法

温拌阻燃沥青的制备步骤如下：将沥青在烘箱中加热到熔融状态后称取一定质量的沥青；按照设计的外加剂掺量称取温拌改性剂以及阻燃改性剂；在沥青匀速搅拌过程中加入温拌剂及阻燃剂，按照试验设计的拌合速率和温度加以搅拌，搅拌时间均为30min，如图1所示。

图1 温拌阻燃沥青的制备

2.2 温拌阻燃沥青结合料的性能试验方法

2.2.1 三大指标试验

三大指标（针入度、软化点、延度）测试方法简单，且设备成本较低，有大量的经验数据可参照对比。因此在本研究中依然采取三大指标来评价温拌阻燃改性沥青结合料的性能，从而对正交试验设计的温拌阻燃沥青中温拌剂以及阻燃剂的掺入量进行优选［9］。2.2.2 极限氧指数试验方法

采用闪点和燃点可有效评价沥青在储存及施工过程中的安全性，但不能评价沥青混凝土道路运营过程中沥青的燃烧能力。相关研究表明，采用极限氧指数指标能较好地评价阻燃剂对阻燃沥青燃烧性能的影响［10］。

极限氧指数是指在满足试验要求的前提下，在氧气与氮气的混合气流中，试样恰好可燃烧的最低氧气浓度。若材料的极限氧指数小于21%，则为易燃材料；若材料的极限氧指数在21%～27%，则为可燃材料；若材料的极限氧指数大于27%，则材料为自熄灭材料。氧指数计算方式为

式中：［O2］为临界氧气浓度时气流中氧气的体积流量；［N2］为临界氧气浓度时气流中氮气的体积流量。

根据式（1），氧指数的具体试验方法如下：首先制备长10cm、宽1cm、厚0.6cm的温拌阻燃沥青试样，每组10个，且试样表面满足《塑料燃烧性能试验方法》（GB／T2406—93）的要求；然后采用南京市仪器厂生产的JF－3型氧指数测定仪测试。

3 正交试验设计

3.1 因素的选取

根据研究需要分别选取温拌剂掺量和阻燃剂掺量作为考虑因素，另外考虑制备方式的影响，选取掺入温拌剂、阻燃剂后的拌合转速及拌合温度共同作为正交试验的4个因素。

3.2 水平的选取

试验设计中EC－120温拌剂掺量（A）取3种，分别为2.5%、3.5%、4.5%；高效阻燃剂掺量（B）取3种，分别为6%、8%、10%；沥青结合料拌合温度（C）取3种，分别为155℃、165℃、175℃；沥青结合料拌合转速（D）取3种，分别为3 000、4 000、5 000 r·min－1，如表3、4所示。

沥青路面的使用性能与沥青针入度、软化点、延度有着密切的联系，采用极限氧指数法进行沥青阻燃性能评价，对隧道沥青路面在突发起火时防火抗灾能力有着重要的作用。因此，本文将研究沥青三大指标和极限氧指数与各因素的关系。采用极差法分析各因素对沥青结合料性能的影响，并确定温拌阻燃沥青的最佳制备方案。

表3 因素及水平

表4 正交组合

3.3 正交试验结果与分析

3.3.1 试验结果

按表4的设计方案，进行正交试验，得出针入度、软化点、延度和极限氧指数，试验结果如表5所示。

表5 正交试验结果

3.3.2 试验结果评价方法

基于温拌阻燃沥青三大指标和极限氧指数等，最优配方的选择需要同时考虑针入度、软化点、延度和极限氧指数4个指标。具体评分方法如下：总分（W）即针入度得分（x）、软化点得分（y）、延度得分（z）、极限氧指数得分（i）的总和。针入度得分

式中：Xi为第i组的针入度数值；为基质沥青针入度数值。

软化点得分

式中：Yi为第i组的软化点数值为基质沥青软化点数值。

延度得分

式中：Zi为第i组的延度数值；为基质沥青延度数值。

极限氧指数得分

式中：Ii为第i组的极限氧指数数值为基质沥青极限氧指数数值。

3.3.3 最佳配方的选择

从总分结果可以看出，第5组总分为0.477，得分最高，可判定其综合性能最好。因此，选择第5组配方作为最佳设计方案，即EC－120温拌剂掺量为3.5%，FRMAX高效阻燃剂掺量为8%，拌合温度为175℃，拌合转速为3 000r·min－1。

3.3.4 试验结果极差分析

在正交试验方案表中，首先将同因素同水平的试验结果累加起来得到该因素该水平下的K值，用Kjm表示，j代表j因素，m代表j因素下的m 水平；其次，用Kjm除以j因素m水平参与的试验组数，就得到了值；再在j因素下，用减去 min就得到j因素的极差。将各列间的极差进行比较，若极差较大则表明在这个水平变化范围内由该因素造成的差别大，对试验结果产生的影响也大，该因素就是主要影响因素；若极差较小则表明在这个水平变化范围内由该因素造成的差别小，对试验结果产生的影响也小，该因素就是次要影响因素。本试验的极差分析结果如表7所示。

表6 得分汇总

表7 温拌阻燃沥青结合料试验结果极差分析

根据温拌阻燃沥青结合料试验结果，计算对应因素各水平K值及极差，得出各因素的影响次序，即：对于针入度，各因素的影响从大到小依次为D、C、B、A，即拌合转速对其影响最大，拌合温度次之，温拌剂掺量影响最小；对于软化点，各因素的影响从大到小依次为A、B、D、C，即温拌剂掺量对其影响最大，阻燃剂掺量次之，拌合温度影响最小；对于延度，各因素的影响从大到小依次为A、B、D、C，即温拌剂掺量对其影响最大，阻燃剂掺量次之，拌合温度影响最小；对于极限氧指数，各因素的影响从大到小依次为C、B、A、D，即拌合温度对其影响最大，阻燃剂掺量次之，拌合转速影响最小。