温拌阻燃沥青混合料优化设计与性能评价

杨锐　周启伟　王磊　袁明园

摘要：为开发阻燃性能较好、适用于隧道路面的沥青混合料，基于正交试验设计，确定温拌剂、阻燃剂的最佳质量分数，设计温拌阻燃沥青混合料并进行路用性能评价；试验确定温拌阻燃沥青混合料最佳拌和温度与压实温度，并评价其路用性能、抗疲劳性能及阻燃性能。结果表明：温拌阻燃沥青混合料的最佳拌和温度为150 ℃，最佳压实温度为140 ℃；其水稳定性及抗疲劳性能均得到显著改善，高温、低温性能得到一定提高；从燃烧时间、质量损失水平及残留稳定度等参数分析表明，温拌阻燃沥青混合料可增加路面材料的阻燃性能，提高火灾事故后道路材料的基本路用性能，可为温拌阻燃沥青混合料在隧道工程中的应用提供参考。

关键词：道路工程；温拌阻燃沥青；路用性能；阻燃性能

中图分类号：U416.217文献标志码：A文章编号：1672-0032（2024）01-0049-07

引用格式：杨锐，周启伟，王磊，等.温拌阻燃沥青混合料优化设计与性能评价［J］.山东交通学院学报，2024，32（1）：49-55.

YANG Rui， ZHOU Qiwei， WANG Lei， et al. Optimization design and performance evaluation of flame-retardant warm-mix asphalt mixture［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（1）：49-55.

0 引言

目前大多数隧道均采用沥青路面，因隧道空间狭小，通风不佳，铺筑沥青混合料时危害气体难以散去，一旦出现火情，更易产生有毒气体和烟雾，对人员健康安全造成较大威胁[1-4]。因此，需研发具有抑烟阻燃作用的隧道沥青路面材料。

20世紀90年代，研究人员发现温拌沥青可显著降低温室气体的排放[5-6]，已研发多种降低沥青拌和温度的添加剂及方法，并在欧洲大规模推广以温拌沥青混合料为主要铺筑材料的道路[7]。Hou等[8]、Alimohammadi等[9]通过试验研究不同温拌剂质量分数下沥青混合料的性能，发现温拌剂与沥青的质量比为0.025%的沥青混合料的最低拌和温度可达129 ℃，最低碾压温度为110 ℃。Li等[10]对比分析热拌沥青混合料和添加Sasobit温拌剂的温拌沥青混合料的废气排放水平及抗车辙能力，结果表明添加温拌剂后废气排放明显减少，拌和温度可降低25 ℃，抗车辙能力相差不大。牛茏昌等[11]、申爱琴等[12]测试7种掺加不同温拌剂和抑烟阻燃剂的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene butadiene styrene，SBS）改性沥青及辉绿岩集料的表面能，基于表面能理论计算分析沥青与集料匹配性指标，发现温拌剂与沥青的质量比为0.007%、抑烟阻燃剂与沥青的质量比为0.14的SBS改性沥青与集料间黏附性最佳，沥青混合料水稳定性最好。龙云霄等[13]、乔建刚等[14]通过表面改性制备新型复合阻燃剂BPN-Ti，基于氧指数、烟密度及低温延度试验确定阻燃剂的合理用量，并通过对比试验分析表面改性对改性沥青的阻燃性、抑烟性、存储稳定性及路用性能的影响。蒋玮等[15]、王春等[16]、何立平等[17]、王朝辉等[18]基于试验设计确定温拌剂和阻燃剂与沥青的合理质量比、拌和温度及剪切速率，采用红外热成像仪评价温拌阻燃沥青混合料的阻燃效果，并通过路用性能试验分析发现温拌阻燃沥青混合料的长期水稳定性和抗疲劳性能有所降低，高温稳定性和低温稳定性均有提升。现阶段针对温拌阻燃沥青混合料的研究主要集中在添加剂、单一成分与沥青的质量比及路用性能方面，针对2种添加剂的复配混合设计及沥青混合料耐久性等的研究较少。

本文基于正交试验设计，得到2种添加剂与沥青的复配最佳质量比，优化设计温拌阻燃沥青混合料级配，评价沥青混合料的路用性能、疲劳性能及阻燃性能，以期为温拌阻燃混合料在隧道工程中的应用提供依据。

1 原材料性能

选择SBS改性沥青，基本性能测试结果如表1所示。粗集料、细集料物理力学性能指标如表2、3所示。石灰石磨细制成石灰岩矿粉，技术指标如表4所示。某A型阻燃沥青改性剂的性能指标如表5所示。HH-XII型温拌剂为棕绿色黏稠液体，主要成分为表面活性剂，密度为0.99～1.01 g/cm pH值为8～1 基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料的降温幅度分别为10～30 ℃、20～40 ℃。

由表1～5可知本文试验所用原材料性能均满足文献[19]要求。

2 施工参数正交试验确定方法

基于相关正交试验设计，确定温拌剂、阻燃剂与沥青的合理质量比和温拌阻燃沥青混合料的最佳拌和温度，优化工艺参数。以温拌剂与沥青的质量比A、阻燃剂与沥青的质量比B与温拌阻燃沥青混合料的拌和温度C为影响因素，根据推荐最佳用量和工程经验，每个影响因素确定3个水平，正交分析各因素对沥青性能的影响。各正交试验影响因子和水平为：A1～A3分别为5%、6%、7%，B1～B3分别为7%、9%、11%，C1～C3分别为140、150、160 ℃。选择L9（34）正交表进行试验和极差分析，结果如表6、7所示。

由表6、7可知：针入度、5 ℃延度和氧指数随温拌剂质量分数的增大而减小，软化点随温拌剂质量分数的增大而增大，说明温拌剂掺量过高对沥青性能不利。沥青的5 ℃延度和针入度随阻燃剂的质量分数的增大而降低，软化点和氧指数则相反；温拌剂的质量分数对针入度、5 ℃延度的影响较大，阻燃剂的质量分数对软化点、氧指数的影响较大，拌和温度对各指标影响较小；方案6的沥青性能最佳，确定温拌剂、阻燃剂与沥青的最优质量比分别为0.06、0.1 拌和温度为140 ℃。

3 温拌阻燃沥青混合料配合比及施工温度

3.1 配合比设计

选择AC-13级配沥青混合料，确定规范要求的级配范围，筛分粗、细集料并设计级配，通过试算，确定粒径分别为>9.5～13.2、>4.75～9.5、>2.36～4.75、0～2.36 mm的矿料与矿粉的质量比为35：15：18：27：5，合成级配曲线如图1所示。

选择SBS改性沥青，温拌剂及阻燃剂与沥青的质量比分别为0.06、0.1 根据规范要求制备试样，进行室内马歇尔试验，试验结果如表8所示。

参考最佳油石比确定步骤，计算得到沥青与矿料的最佳质量比为0.046 8。综合考虑各项指标试验结果，结合工程实践经验，确定最佳油石比为4.6%。

3.2 拌和与压实温度

空隙率反映路面的压实效果，空隙率过大将导致路面二次压实形成车辙，水更易进入路面造成水损坏。温度对温拌阻燃沥青混合料的影响较大，需确定压实温度和温拌阻燃沥青混合料空隙率的相关关系，以此得到温拌阻燃沥青混合料最佳拌和温度和最佳压实温度。设置压实温度分别为120、130、140、150、160 ℃（每组混合料的拌和温度均比压实温度高10 ℃），掺加温拌剂和阻燃剂后分别拌和温拌阻燃沥青混合料，制备试件并测试空隙率，结果如图2所示。

由图2可知：温拌阻燃沥青混合料的空隙率随压实温度升高而减小；160 ℃压实普通热拌沥青混合料时，空隙率为4.0%；拟合公式中，138 ℃下压实温拌阻燃沥青混合料时，空隙率为4.0%，比普通热拌沥青混合料的压实温度低22 ℃。分析图2中空隙率与压实温度的关系，最佳压实温度为140 ℃，最佳拌和温度为150 ℃。

4 温拌阻燃沥青混合料性能试验及分析

4.1 试验设计

测试沥青混合料的路用性能时，按文献[20]中T 0703的要求成型马歇尔试件和车辙板试件，按T 0719方法测试高温稳定性，按文獻[20]中T 0715D的方法测试低温稳定性，按文献[20]T 0709和T 0729方法测试水稳定性，按文献[20]T 0739的方法评价疲劳性能，采用应变控制方法，选用应变分别为2×10-4、4×10-4、6×10-4。

燃烧试件，模拟车辆漏油或其他原因引发的道路火灾事故，评价沥青混合料的阻燃性能。试件在汽油中浸泡10 s，点燃后测定燃烧时间，燃烧后把试件放在通风的地方，5 h后测定试件的质量损失，测试车辙板的动稳定性。马歇尔试件的残留稳定度

Ms0=Ms1/Ms×100%，

式中：Ms1为马歇尔试件燃烧后的稳定度，Ms为马歇尔试件燃烧前的稳定度。

车辙板试件的残留稳定度

MsD=MsD1/MsD0×100%，

式中：MsD1为车辙板燃烧后的动稳定度，MsD0为车辙板燃烧前的动稳定度。

4.2 路用性能试验结果

对各组试件进行车辙试验，温拌阻燃沥青混合料3组平行试件的动态稳定度分别为4 426、4 382、4 315次/mm，热拌SBS改性沥青混合料3组平行试件的动态稳定度分别为4 487、4 395、4 345 次/mm。温拌阻燃沥青混合料的动态稳定度与热拌SBS改性沥青混合料之差小于1%，说明在沥青混合料中加入2种添加剂不会明显降低混合料的高温稳定性，2种添加剂对沥青混合料的高温性能影响较小。

分别对2种沥青混合料进行低温弯曲试验和水稳定性能试验，结果如表9、10所示。

由表9可知：加入2种添加剂对沥青混合料的低温性能无显著影响，低温弯拉应变小幅减小，抗弯拉强度小幅增大，弯曲劲度模量波动幅度较小。说明加入2种添加剂可在一定程度上改善沥青混合料的低温性能。

由表10可知：加入2种添加剂在一定程度上改善了温拌阻燃沥青混合料的水稳定性能。相比于SBS改性沥青混合料，温拌阻燃沥青混合料的30 min、48 h稳定度指标均得到改善，残留稳定度提高3%。温拌阻燃沥青混合料的未冻融、冻融劈裂强度均高于SBS改性沥青混合料，前者的冻融劈裂强度比远超过规范要求（80%），比后者提高约2%。加入2种添加剂可提高沥青混合料的水稳定性，有利于温拌阻燃沥青混合料的抗水损坏性能。

4.3 疲劳性能

热拌SBS改性沥青混合料和温拌阻燃沥青混合料的疲劳性能试验结果如图3所示。

由图3可知：2种沥青混合料的疲劳寿命随应变的增大均缩短。同种应变下，热拌SBS改性沥青混合料的疲劳寿命更高，低应变水平下差距更明显，应变为2×10-4水平下，温拌阻燃沥青混合料的疲劳寿命比热拌SBS改性沥青混合料高约2倍，说明加入温拌剂、阻燃剂可显著改善沥青混合料的疲劳耐久性能。

4.4 阻燃性能

分别对2种马歇尔试件和车辙板试件进行燃烧试验，测定燃烧时间，结果如图4所示。分别分析2种车辙和马歇尔试件燃烧试验后的质量损失，结果如图5所示。

由图4可知：温拌阻燃沥青混合料试件的燃烧时间明显缩短，仅有部分试件的燃烧用时比热拌SBS沥青混合料试件长。原因是部分试件浸润汽油时，因表面结构的特点吸附较多汽油，燃烧时间变长。马歇尔试件的燃烧用时约为20～40 s，明显低于热拌沥青混合料；温拌阻燃沥青混合料制备的车辙板试件的燃烧用时比热拌SBS改性沥青混合料试件缩短约60 s，说明前者的阻燃效果较好。试件的主要燃烧物质为汽油，阻燃剂混合在沥青内部，未暴露时不会影响燃烧时间。车辙板试件的体积比普通马歇尔试件大，附着更多汽油，燃烧时间明显延长。沥青成为燃烧主体时，阻燃剂释放，减缓、削弱了沥青燃烧过程。

由图5可知：相比普通热拌SBS改性沥青试件，温拌阻燃沥青混合料制备的马歇尔、车辙板试件质量损失分别减少40.6%、46.6%。根据氧化分解反应机理，外侧沥青燃烧分解后，附着在沥青内部的阻燃剂释放，发挥阻燃作用，沥青材料本身的燃烧时间减少，试件的质量损失减小。实际隧道路面发生火灾时，沥青燃烧会产生大量的致癌气体，采用温拌阻燃沥青混合料可大大减少致癌气体的排放量，减轻隧道内路面发生火灾造成的生态危害。

分别计算车辙板试件和马歇尔试件燃烧试验后的稳定度变化，结果如表11所示。

由表11可知：温拌阻燃沥青混合料制备的马歇尔试件、车辙板试件燃烧后残留稳定度比SBS改性沥青混合料分别提高5.2%、6.5%。说明加入2种添加剂未改变沥青混合料的高温性能，显著改善温拌阻燃沥青混合料的阻燃效果。

集料间相互接触形成的嵌挤结构决定材料的高温性能，燃烧过程不会对嵌挤作用产生影响，因此温拌阻燃沥青混合料的高温性能未受影响。但燃烧过程中沥青分解，黏结作用降低，试件的稳定度减小。加入温拌剂和阻燃剂可减缓沥青质量损失，汽油燃烧完全后，试件仍具有较高的残留稳定度，说明加入2种添加剂可显著改善温拌阻燃沥青混合料的阻燃性能。

5 结论

1）基于正交设计，分析温拌剂、阻燃剂2种添加剂与沥青的质量比及拌和温度对沥青性能的影响，确定2种添加剂的最优质量比分别为0.06、0.11。

2）通过配合比设计综合确定最佳油石比为4.6%，基于温度与沥青混合料空隙率的相关关系，确定最佳拌和温度为150 ℃，最佳压实温度为140 ℃。

3）设计试验评价温拌阻燃沥青混合料的路用性能、耐久性能及阻燃性能，加入2种添加剂可显著提高温拌阻燃沥青混合料的水稳定性，高温及低温性能得到一定提升；各种加载条件下试件的疲劳寿命均远超过普通AC-13沥青混合料；通过多个指标参数分析沥青混合料的阻燃能力，表明加入添加剂可显著改善温拌阻燃沥青混合料的阻燃性能。

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Optimization design and performance evaluation of flame-retardant warm-mix asphalt mixture

YANG RuiZHOU Qiwei2， WANG LeiYUAN Mingyuan2

Abstract：To develop asphalt mixtures with good flame-retardant performance for tunnel pavement， an orthogonal experimental design is conducted to determine the optimal mass fractions of warm mix additives and flame retardants. The warm-mix flame-retardant asphalt mixture is designed and evaluated for its road performance. The optimal mixing and compaction temperatures for the warm mix flame-retardant asphalt mixture are determined through experiment， and its road performance， fatigue resistance， and flame retardation are evaluated. The results show that the optimal mixing temperature is 150 ℃， and the optimal compaction temperature is 140 ℃. The water stability and fatigue resistance of the warm mix flame-retardant asphalt mixture are significantly improved， and its performance at high and low temperatures is also enhanced. Analysis of parameters such as combustion time， mass loss， and residual stability indicate that the warm mix flame-retardant asphalt mixture can increase the flame retardation of road materials， and improve the basic road performance of materials after fire accidents， and provide data foundation for the application of warm mix flame-retardant asphalt mixtures in tunnel projects.

Keywords：road engineering; warm-mix flame-retardant asphalt; road performance; flame retardancy

（責任编辑：王惠）

收稿日期：2022-12-10

基金项目：重庆市科学技术局技术创新与应用发展专项援藏项目（CSTB2022TIAD-GPX0006）；安徽省高校自然科学研究项目（2022AH052459，2023AH052969，2023AH052972）；全国交通运输职业教育教学指导委员会项目（LQZZW20221 LQZWH202310）；安徽省职业与成人教育学会课题（AZCJ2023150）

第一作者简介：杨锐（1986—），女，河南漯河人，讲师，工学硕士，主要研究方向为道路工程，E-mail：695749271@qq.com。