阻燃温拌剂复合改性对沥青高低温性能影响

2022-07-11刘贤鹏奚文彬邹莹雪吴少鹏

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2022年3期

刘贤鹏奚文彬邹莹雪江琪吴少鹏*

(河北省高速公路延崇筹建处1) 张家口 075400) (武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室2) 武汉 430070)

0 引言

随着我国交通强国战略的实施，道路交通领域得以快速发展，现大部分道路已采用沥青路面．而普通沥青在拌和、摊铺以及碾压过程中会产生大量的有害气体，已成为行业内难题．赵疆等[1]利用原子力显微镜和黏度测试研究了Sasobit温拌剂对SBS沥青性能的影响，发现温拌剂分散性良好，能在沥青中均匀分布，且能在高温时降低沥青的黏度．刘中明[2]通过布氏黏度度和动态剪切流变试验探究了温拌掺量对橡胶沥青性能的影响，结果表明：温拌剂掺量越大，对沥青的降黏作用越强，高温性能也随之降低．李梦林[3]选用氢氧化铝、氢氧化镁、层状双金属氢氧化物三种阻燃剂，采用不同配比对SBS沥青进行改性，并研究了其阻燃性能和流变性能，发现与单一阻燃剂相比，复合阻燃剂对沥青的高温性能有更好的改善效果．李啟荣等[4]利用复合改性技术制备了高黏改性阻燃沥青，发现阻燃剂提高了沥青的抗永久变形能力，却降低了其低温性能．乔建刚等[5]利用EC130温拌剂和FRMAX阻燃剂对SBS进行复合改性，通过高低温流变性能和黏温性能测试发现复合改性提高了SBS沥青的高温性能和黏温性能，但降低了其低温性能．

目前常用的阻燃剂主要为卤-锑、磷-氮、卤-磷等阻燃材料复配而成，存在发烟量大、有毒、使用成本高等问题[6]．因此，本文设计了不同无机阻燃剂配比与有机温拌剂复配，以及设计有机温拌剂与阻燃剂的正交配比，制备了阻燃温拌改性沥青．并利用黏度测试、极限氧指数测试计算出了最佳配方，通过动态剪切流变仪探究了复合改性剂对沥青高低温性能的影响．

1 原材料与阻燃温拌沥青的制备

1.1 原材料

1.1.1沥青

采用秦皇岛某公司生产的SBS(I-C)改性沥青．其物理性能指标试验结果见表1.

表1 SBS改性沥青试验结果(I-C类)

1.1.2温拌剂和阻燃剂

温拌剂采用环保节能型沥青改性剂Sasobit，一种聚烯烃类的沥青改性剂．温拌剂采用EC-120，一种聚烯烃类的沥青改性剂．阻燃剂采用三种无机氢氧化物：氢氧化铝ATH、氢氧化镁MH、层状双金属氢氧化物LDHs．阻燃剂采用FRMAX，上述物理性能指标试验结果见表2．

表2 温拌剂性能指标

1.2 阻燃温拌沥青的制备

采用熔融法制备阻燃温拌沥青．将SBS改性沥青加热至熔融状态(170±5) ℃，采用以沥青质量的百分比，加入不同配比的无机阻燃剂，采用高速剪切仪，以3 000 r/min的转速搅拌1 h，使阻燃温拌剂均匀分散在沥青中，最后倒入一个干净的容器中，冷却至室温，即可制得相应的阻燃温拌沥青．将复合氢氧化物的掺量定为沥青质量的20%，温拌剂Sasobit掺量为沥青质量的2%．各阻燃温拌掺量(按照沥青的质量分数)见表3．

表3 不同复合阻燃剂的复配方案单位：%

在参考国内外相关研究文献的基础上，将温拌剂EC-120的掺量定为沥青质量的3%、3.5%、4%，阻燃剂的掺量定为沥青质量的7%、8%、9%，并通过不同的拌和温度进行拌和，即130，140，150 ℃．围绕这三因素设计正交试验，外加剂混合法制备温拌阻燃沥青．其中正交试验的设计方案见表4．

表4 正交试验设计方案

2 最佳配方的确定方法与高低温性能测试方法

2.1 最佳配方的确定方法

2.1.1黏度试验

美国SHRP计划采用的旋转黏度计即Brookfield黏度计是双筒旋转黏度计的简化版本，主要用于测定沥青处于较高温度状态下(牛顿流体)的黏度．因此，选用Brookfield黏度计测定改性沥青的表观黏度．

2.1.2极限氧指数试验

采用极限氧指数仪器，根据NB/SH/T 0815-2010《氧指数法-沥青燃烧性能测定》，测定正交试验中的阻燃温拌沥青的极限氧指数．极限氧指数的定义为：在规定的实验条件下，材料在氧气、氮气混合流中，刚好能维持式样燃烧状态所需的最低氧气浓度，以氧气所占有的体积分数表示．

氧指数LOI为

(1)

式中：[O]为临界氧浓度时混合流中氧气的体积流量；[N]为临界氧浓度时混合流中氮气的体积流量．

2.1.3最佳配方确定方法

基于阻燃温拌沥青的阻燃和温拌的双重目标，最佳配方的选择需要同时考虑黏度和极限氧指数这两个指标．设计一组评价方法，以此作为筛选最佳配方的判断依据，以下是具体评分方法.

T(Totalscore)=L+V

(2)

极限氧指数得分方法：

L=(Li-L0)/L0

(3)

式中：L为极限氧指数得分；Li为第i组的极限氧指数数值；L0为所有组试验极限氧指数的平均值．

黏度得分方法：

V=(Vi-V0)/V0

(4)

式中：V为黏度得分；Vi为第i组的黏度数值；V0为所有组试验黏度的平均值．

2.2 高低温性能测试方法

采用的动态剪切流变仪型号为MCR-101型．通过对改性沥青进行高温和低温温度扫描实验，研究其高低温性能．实验在控制应变的模式下进行，实验温度范围分别为30～80 ℃及-10～30 ℃，升温速率为2 ℃/min，转子直径分别为25和8 mm，沥青厚度分别为1和2 mm，角频率为10 rad/s．

3 结果与讨论

3.1 阻燃温拌沥青的最佳配方

3.1.1黏度

采用Brookfield旋转黏度仪，在135 ℃下根据相应的试验规范，测定了正交试验中的阻燃温拌沥青黏度，试验结果见表5．

表5 黏度试验结果

3.1.2极限氧指数

极限氧指数LOI是表征沥青燃烧性能的重要指标．一般认为，当样品的LOI<21%时，样品被认定为易燃材料；21%27%时，样品被认定为自熄灭材料．

3.1.3最佳配方的确定

计算得到1～4组L0=26.8，V0=1.941．由表5可知：3组总分最高，代表着该组合的阻燃温拌的综合性能最好．由此，选择3组配方作为最佳配方，即阻燃剂的比例ATH∶MH∶LDHs=7∶7∶6，掺量为沥青质量的20%，温拌剂Sasobit掺量为沥青质量的2%．计算得到第5～13组L0=30.22，V0=1.960．由表5可知：6组总分最高，代表着该组合的温拌阻燃的综合性能最好．由此，选择6组配方作为最佳配方，即3.5%EC120+8%FRMAX，拌和温度140 ℃．

从上述所有阻燃温拌沥青的氧指数和黏度的结果来看，自主设计的无机复合氢氧化物阻燃剂和Sasobit温拌剂的组合的氧指数低于有机阻燃剂FRMAX和温拌剂EC-120的氧指数；但在沥青降黏效果方面，前者的温拌效果优于后者．

3.2 阻燃温拌沥青的高温性能

通过DSR试验仪器对阻燃温拌沥青的高温性能进行表征，沥青的抗车辙能力用抗车辙因子G*/sinδ表示，低温开裂性能用疲劳因子G*sinδ表示．已知1～4组阻燃温拌沥青的最佳配方是阻燃剂的比例ATH∶MH∶LDHs=7∶7∶6，掺量为沥青质量的20%，温拌剂Sasobit掺量为沥青质量的2%，拌和温度为160 ℃．选择其他三种沥青和阻燃温拌沥青进行车辙因子和疲劳因子的比对试验，试验采取的四种沥青见表6．

表6 试验采取的四种沥青

图1为1～4组DSR试验-沥青高温性能．由图1可知:随着温度的升高，四种沥青的车辙因子(G*/sinσ)、复合剪切模量(G*)均减小．阻燃沥青和SBS改性沥青的车辙因子的变化趋势基本一致，而阻燃剂FRMAX的软化点为130 ℃，说明阻燃剂对沥青的在30～80 ℃中储存稳定性好．温拌沥青和阻燃温拌沥青中均含有温拌剂SASOBIT，且二者在图中的复合剪切模量(G*)较低，说明温拌剂的降粘效果起了作用．

图1 1～4组DSR试验-沥青高温性能

在30～45 ℃之间，四种沥青的相位角(σ)随着温度的升高，表明掺加了外加剂的沥青对温度的敏感性更高．随后在45～65 ℃之间，添加了温拌剂的温拌沥青和阻燃温拌沥青的相位角(σ)一直随着温度上升而增大，可能是添加了温拌剂增大了沥青的流动性和温敏性随着温度的升高，沥青发生了由固态-半固态的相变转变，此时的相位角(σ)变化幅度大．随后65～80 ℃之间，四种沥青的相位角(σ)随着温度的升高而增大，表明此温度区间，四种沥青再次发生了由固态-半固态的相变．

已知5～13组温拌阻燃沥青的最佳配方是3.5%EC120+8%FRMAX，拌和温度为140 ℃．选择其他三种沥青和温拌阻燃沥青进行车辙因子的比对试验，试验采取的四种沥青见表7．

表7 试验采取的四种沥青

图2为5～13组DSR试验-沥青高温性能．由图2可知:随着温度的升高，四种沥青的车辙因子(G*/sinσ)、复合剪切模量(G*)均减小．通常而言，高温下的G*值大，代表物质有足够的弹性来抵抗外力作用下的变形，温拌沥青和温拌阻燃沥青中均含有温拌剂EC-120，且二者在图中的复合剪切模量(G*)较低，说明温拌剂的降粘效果起了作用．在30～45 ℃之间，四种沥青的相位角(σ)随着温度的升高，说明均发生了相变，即发生了固态-半固态的转变．其中SBS改性沥青的相位角(σ)相对最低，表明掺加了外加剂的沥青对温度的敏感性更高．随后温拌阻燃沥青的相位角(σ)在45～65 ℃之间下降更低，是因为温拌阻燃沥青是在SBS改性沥青的基础上，添加了温拌阻燃剂，使得改性沥青的内部网络结构或PS链段的物理交联更加复杂．随后65～80 ℃之间，四种沥青的相位角(σ)随着温度的升高而增大，表明此温度区间，四种沥青再次发生了由固态-半固态的相变．

图2 5～13组DSR试验-沥青高温性能

3.3 阻燃温拌沥青的低温性能

通过DSR试验仪器对表6中的阻燃温拌沥青的低温性能进行表征，见图3．由图3可知:随着温度的升高，四种沥青的低温下的疲劳因子(G*sinσ)和复合剪切模量(G*)均减小．通常来讲，低温环境下G*小，则该物质可发生黏性流动来减小低温开裂的可能性．在-10～10 ℃之间，可见阻燃剂可以提高SBS改性沥青的弹性性能，温拌剂有效降低SBS改性沥青的黏性性能．

图3 DSR试验-沥青低温性能

四种沥青的相位角(σ)随着温度的变化中，温拌沥青和阻燃温拌沥青趋势一致，SBS改性沥青和阻燃沥青趋势一致，也说明了沥青在固态-半固态转变过程中，阻燃剂不会影响沥青的低温开裂性．

表7中的阻燃温拌沥青的低温性能测试结果见图4．由图4可知:随着温度的升高，四种沥青的低温下的疲劳因子(G*sinσ)和复合剪切模量(G*)均减小，阻燃沥青>温拌阻燃沥青>SBS改性沥青>温拌沥青．通常来讲，低温环境下G*小，则该物质可发生黏性流动来减小低温开裂的可能性．在-10～10 ℃之间，可见阻燃剂可以提高SBS改性沥青的弹性性能，温拌剂有效降低SBS改性沥青的黏性性能．四种沥青的相位角(σ)随着温度的变化中，温拌沥青和温拌阻燃沥青趋势一致，SBS改性沥青和阻燃沥青趋势一致，也说明了沥青在固态-半固态转变过程中，阻燃剂不会影响沥青的低温开裂性．