温拌阻燃沥青混凝土技术性能研究

余小勇

(广西龙靖高速公路有限公司，广西 南宁 530021)

0 引言

伴随全国公路交通建设事业的迅猛发展，公路隧道因其线形标准高、运营里程缩短、生态环境破坏较小等优点越发受到人们青睐。但大型隧道呈相对封闭的管状结构，加上隧道内部环境封闭，通风性能比较差，在长大隧道中即使在隧道口安装鼓风机，污染空气的排放效果依然比较差。另外，空间封闭无法散热，发生火灾时，短时间内温度就可高达800 ℃，一旦发生火灾将引起严重的人员伤亡。传统热拌沥青混合料HMA(Hot-MixAsphalt)是一种热拌热铺材料，其拌合、摊铺及碾压过程都需在较高的温度下(约135 ℃～160 ℃)进行。因此，HMA的生产和施工，不但需要大量的能源消耗，而且还会排放出大量的废气和粉尘，使周围环境和施工人员的身体健康受到严重影响[1][2]。

目前国内外研究人员的研究重点在于改善隧道内火灾的报警系统和灭火系统，意将火灾消灭在初始阶段；国外发达国家对温拌沥青混合料的设计与施工已经有了较为成熟的经验和技术，这为我国开展相关研究工作提供了很好的借鉴[3]。但同时，温拌阻燃沥青混合料作为一项新技术，还有进一步完善和提升的空间，尤其是在我国，温拌阻燃沥青混合料技术的研究还处于刚刚起步阶段[4]。

因此，研究和开发一种拌合温度低、阻燃效果好的温拌阻燃沥青混合料，降低混合料拌合温度，以期达到降低能源消耗，减少烟尘，保护环境的目的，从而使隧道内的施工和运营安全条件得到改善，并使施工人员的健康和使用者的生命安全得到最大限度的保护，具有十分重要的意义。

1 试验材料

1.1 沥青

试验采用广西国创道路材料有限公司供应的SBS(I-D)改性沥青，主要技术指标见表1。

表1 沥青技术指标表

试验结果表明该沥青延度较大，低温性能较好，同时135 ℃黏度接近规范上限要求，施工温度区间内该沥青黏度较大，若不采用温拌工艺，则需要在较高温度下进行施工。

1.2 温拌剂

试验对温拌剂进行了基本性能技术检测，其技术性状见表2。

表2 温拌剂技术性状表

该温拌剂为有机降粘型温拌剂，是一种新型聚烯烃类沥青普适改性剂。其改性机理为将低熔点的有机添加剂加入至沥青或混合料中，熔化后的温拌剂在沥青中发挥润滑的作用，使沥青的黏度降低，从而使沥青混合料的拌合温度得到降低[5]。

1.3 阻燃剂

试验对阻燃剂进行了基本性能技术检测，其技术性状见表3。

表3 阻燃剂A技术性状表

该阻燃剂为复合型阻燃剂，是一种高效阻燃型改性剂。其作用机理为以磷、氮为主要活性组分，不含卤系，也不采用氧化锑为协效剂，在沥青中加入膨胀型阻燃剂后，受热的沥青表面会生成一层均匀的炭层泡沫层，此碳层泡沫层不但隔热、抑烟、隔氧，而且会防止产生沥青融滴现象，因此具有良好的阻燃性能[6]。

1.4 集料与填料

依托广西某高速公路隧道路面工程，上面层SBS改性沥青混合料AC-13采用温拌阻燃技术，集料为灰绿岩，填料为石灰岩矿粉，其技术指标见表4。

表4 集料及填料技术指标表

2 温拌阻燃沥青制备方法

制备温拌阻燃沥青温度宜控制在140 ℃～150 ℃之间[7]，采用高速剪切仪进行制备。即先取一定量的SBS改性沥青，边搅拌边加热至拌合温度，待沥青在拌合温度稳定后，放到具有搅拌装置的AE300L.P型实验室乳化机高速剪切仪上，添加相应质量的温拌剂进行高速剪切制备温拌沥青，以1 500～2 000 r/min进行高速剪切搅拌20 min。然后再向温拌沥青中分多次边搅拌边添加阻燃剂，待沥青表面无明显漂浮的白色粉末时，再以1 500～2 000 r/min进行高速剪切搅拌15 min。温拌剂、阻燃剂的掺量均为厂家推荐用量，分别为3%、7%。

3 温拌阻燃沥青混合料试验

上面层AC-13改性沥青混合料采用温拌阻燃技术，在最佳油石比4.7%下进行各项路用性能试验，并与热拌沥青混合料进行对比[8][9]。AC-13改性沥青混合料设计级配见表5。

表5 SBS改性沥青混凝土AC-13级配组成表

3.1 水稳定性(表6)

表6 温拌阻燃沥青混合料和热拌沥青混合料AC-13水稳定性试验结果表

3.2 高温稳定性(表7)

表7 温拌阻燃沥青混合料和热拌沥青混合料AC-13车辙试验结果表

3.3 低温抗裂性(表8)

表8 温拌阻燃沥青混合料和热拌沥青混合料AC-13低温弯曲试验结果表

3.4 劈裂强度

旋转压实成型φ63.5 mm×100 mm圆柱体试件，在不同的水环境(无水、浸水)、温度(5 ℃、15 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃)条件下测试温拌阻燃沥青混凝土的劈裂强度。试验结果见表9。

表9 温拌阻燃沥青混凝土AC-13劈裂强度表(MPa)

试验结果表明，随着温度的升高，温拌阻燃沥青混凝土AC-13的劈裂强度逐渐降低，如无水和浸水情形下，50 ℃和15 ℃的劈裂强度之比分别为13.3%、13.0%；浸水环境下的劈裂强度低于无水环境下的劈裂强度，浸水会使劈裂强度降低5%～25%。总之，高温和浸水会显著降低材料的劈裂强度，该不利影响不容忽视。

3.5 抗剪强度

针对温拌阻燃沥青混凝土AC-13，成型车辙板试件(30 cm×30 cm×5 cm)并切割成一定尺寸的梁式试件(30 cm×6 cm×5 cm)，在不同的水环境(无水、浸水)、温度(5 ℃、15 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃)和正压力(0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa)试验条件下测试抗剪强度。

将抗剪强度对正应力进行线性拟合，得到相应的抗剪强度指标见表10。

表10 温拌阻燃沥青混凝土抗剪强度指标表

根据试验结果可以看出：

(1)无水环境下温拌阻燃AC-13的抗剪强度高于浸水环境下的抗剪强度。

(2)随着温度的升高，抗剪强度逐渐下降。

3.6 抗冲刷性能

3.6.1 动水冲刷对沥青混合料性能的影响

采用动水冲刷试验，通过动水冲刷前后温拌阻燃沥青混合料渗水系数、抗压强度、劈裂强度和质量变化的对比分析，研究动水冲刷作用对温拌阻燃沥青混合料性能的影响程度。为降低个体差异对试验的影响，每组试验采用三个平行试件并取平均值进行分析，见表11～表14。

(1)渗水系数

表11 动水冲刷前后的渗水系数对比表(ml/min)

(2)抗压强度

表12 动水冲刷前后的抗压强度对比表(MPa)

(3)劈裂强度

表13 动水冲刷前后的劈裂强度对比表(MPa)

(4)冲刷量

表14 动水冲刷后质量损失表

试验结果表明，与渗水系数、质量损失相比，沥青混合料的强度受动水冲刷作用会显著降低，而且空隙率为8%～10%时，强度损失比最大。

3.6.2 抗冲刷性能评价指标及标准

(1)渗水系数评价标准

对于AC-13，规范中配合比设计时目标空隙率为3%～4%，重载路段放宽到4.5%，因此主要考察空隙率为4%～4.5%的渗水系数[10]。本试验中空隙率为4.5%时渗水系数为66 ml/min，因此建议渗水系数以70 ml/min作为最高标准界限，并以此作为沥青混合料抗冲刷性能的辅助评价指标。

(2)动水冲刷残留强度比评价标准

由于不同水环境处理后沥青混合料强度损失比呈现相似规律，因此可以根据残留强度比的相关性，与沥青混合料水稳定性的评价标准进行类比，提出基于动水冲刷试验的残留强度比评价标准建议值，即动水冲刷残留抗压强度比和动水冲刷残留劈裂强度比均≥80%，并以此作为沥青混合料抗冲刷性能的主要评价指标。

3.7 耐腐蚀性能

对温拌阻燃沥青混合料AC-13和热拌SBS改性沥青混合料AC-13，旋转压实成型φ63.5 mm×100 mm圆柱体试件。在试验温度20 ℃时，浸泡汽油进行耐腐蚀试验。

通过试验可以看出，随着在汽油中浸泡时间的延长，混合料的质量逐渐减少，其劈裂强度下降，其中温拌阻燃沥青混合料AC-13的质量损失率明显小于热拌SBS改性沥青混合料AC-13的质量损失率，并且温拌阻燃沥青混合料AC-13的劈裂强度比值大于热拌SBS改性沥青混合料AC-13。因此，温拌阻燃沥青混凝土AC-13比热拌沥青混凝土AC-13更耐油污腐蚀。

4 结语

(1)温拌阻燃沥青混凝土与热拌沥青混凝土的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性能差别不大，温拌剂和阻燃剂对沥青混凝土的常规路用性能影响较小，但温拌阻燃沥青混凝土比热拌沥青混凝土更耐油污腐蚀。

(2)高温和浸水会显著降低温拌阻燃沥青混合料的劈裂强度和抗剪强度。

(3)提出了基于动水冲刷试验的残留强度比作为沥青混合料抗冲刷性能的主要评价指标，以渗水系数作为辅助评价指标，并给出了建议值，即动水冲刷残留抗压强度比和动水冲刷残留劈裂强度比均≥80%，渗水系数≤70 ml/min。

(4)本文仅选用一种温拌剂、一种阻燃剂研究了温拌阻燃沥青混合料的技术性能，而多种温拌剂或多种阻燃剂在不同组合下的温拌沥青混合料的技术性能或许会有更大的改善。