溫拌阻燃瀝青結(jié)合料制備方案設(shè)計(jì)

李根存，但瑞強(qiáng)，張國慶

（龍懷高速公路管理中心龍連管理處，廣東 河源 517000）

0 引 言

傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料（Hot Mixture Asphalt，HMA）是目前隧道內(nèi)建設(shè)瀝青路面的基本材料。由于隧道空間狹窄封閉，路面鋪裝前通風(fēng)設(shè)備尚未完善，通風(fēng)條件較差，且通風(fēng)成本高，而HMA通常要保持相對較高的攤鋪溫度，在攤鋪過程中還會產(chǎn)生大量熱量、有害氣體和煙塵，導(dǎo)致隧道內(nèi)施工環(huán)境惡劣［1－2］。煙塵阻擋視線，隧道內(nèi)照明不足，攤鋪和碾壓設(shè)備因發(fā)動機(jī)水溫過高頻繁停機(jī)，這些對現(xiàn)場施工設(shè)備、人員以及瀝青路面質(zhì)量都發(fā)出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［3－5］。因此，工程技術(shù)人員開始考慮采用能夠降低溫度、煙塵和有害氣體排放量的溫拌瀝青混合料（Warm Mix Asphalt，WMA）進(jìn)行長大公路隧道瀝青路面的施工。

另一方面，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，公路隧道相對其他路段更容易發(fā)生火災(zāi)。隧道發(fā)生火災(zāi)將導(dǎo)致隧道內(nèi)溫度急劇上升，并產(chǎn)生大量有害煙氣，不僅使汽車燒毀、隧道設(shè)施和結(jié)構(gòu)嚴(yán)重毀壞，還會使道路交通長時間中斷，造成無法估計(jì)的損失，加上長隧道兩側(cè)逃生空間有限，往往容易導(dǎo)致人員傷亡。國內(nèi)外曾經(jīng)發(fā)生過多起由隧道交通事故引發(fā)的火災(zāi)，有些造成了災(zāi)難性后果［6－7］。

綜上所述，本文結(jié)合廣東省某高速公路建設(shè)實(shí)例，進(jìn)行溫拌阻燃瀝青結(jié)合料配合比設(shè)計(jì)，把溫拌劑和阻燃劑加入瀝青中，通過溫拌技術(shù)和阻燃技術(shù)降低其施工溫度和易燃性，從而使隧道的瀝青路面較易施工，且不容易發(fā)生燃燒。

1 原材料

1.1 瀝青

瀝青采用江蘇鎮(zhèn)江有限公司（殼牌）SBS改性瀝青（I－D），其相應(yīng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，如表1所示。

表1 SBS（I－D）改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果

1.2 溫拌劑

本研究采用EC－120溫拌劑，它是一種合成直鏈脂肪族碳?xì)浠旌衔?，在室溫下呈微小圓顆粒狀。該溫拌劑熔點(diǎn)為100℃，高于110℃時就會全部熔化在瀝青里。EC－120溫拌劑能夠使瀝青的高溫黏度顯著下降，所以將其摻入瀝青后不僅能減小瀝青混合料的拌合壓實(shí)溫度，還能改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性［8］。若瀝青中的油類、膠質(zhì)含量不斷下降，就會引起瀝青老化，由于該溫拌劑能鎖定瀝青中油類、膠質(zhì)組分，因此可使溫拌瀝青的抗老化性能得到改善。其物理化學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 EC－120基本參數(shù)

1.3 阻燃劑

阻燃劑采用深圳海川公司生產(chǎn)的FRMAX高效型阻燃劑，其外觀為白色粉末，密度為2.0～2.4 g·cm－1。該阻燃劑能在提高生產(chǎn)效率的同時不對環(huán)境產(chǎn)生污染，同時減少設(shè)備腐蝕。

2 溫拌阻燃瀝青結(jié)合料的制備

2.1 溫拌阻燃瀝青的制備方法

溫拌阻燃瀝青的制備步驟如下：將瀝青在烘箱中加熱到熔融狀態(tài)后稱取一定質(zhì)量的瀝青；按照設(shè)計(jì)的外加劑摻量稱取溫拌改性劑以及阻燃改性劑；在瀝青勻速攪拌過程中加入溫拌劑及阻燃劑，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的拌合速率和溫度加以攪拌，攪拌時間均為30min，如圖1所示。

圖1 溫拌阻燃瀝青的制備

2.2 溫拌阻燃瀝青結(jié)合料的性能試驗(yàn)方法

2.2.1 三大指標(biāo)試驗(yàn)

三大指標(biāo)（針入度、軟化點(diǎn)、延度）測試方法簡單，且設(shè)備成本較低，有大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可參照對比。因此在本研究中依然采取三大指標(biāo)來評價溫拌阻燃改性瀝青結(jié)合料的性能，從而對正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的溫拌阻燃瀝青中溫拌劑以及阻燃劑的摻入量進(jìn)行優(yōu)選［9］。2.2.2 極限氧指數(shù)試驗(yàn)方法

采用閃點(diǎn)和燃點(diǎn)可有效評價瀝青在儲存及施工過程中的安全性，但不能評價瀝青混凝土道路運(yùn)營過程中瀝青的燃燒能力。相關(guān)研究表明，采用極限氧指數(shù)指標(biāo)能較好地評價阻燃劑對阻燃瀝青燃燒性能的影響［10］。

極限氧指數(shù)是指在滿足試驗(yàn)要求的前提下，在氧氣與氮?dú)獾幕旌蠚饬髦?，試樣恰好可燃燒的最低氧氣濃度。若材料的極限氧指數(shù)小于21%，則為易燃材料；若材料的極限氧指數(shù)在21%～27%，則為可燃材料；若材料的極限氧指數(shù)大于27%，則材料為自熄滅材料。氧指數(shù)計(jì)算方式為

式中：［O2］為臨界氧氣濃度時氣流中氧氣的體積流量；［N2］為臨界氧氣濃度時氣流中氮?dú)獾捏w積流量。

根據(jù)式（1），氧指數(shù)的具體試驗(yàn)方法如下：首先制備長10cm、寬1cm、厚0.6cm的溫拌阻燃瀝青試樣，每組10個，且試樣表面滿足《塑料燃燒性能試驗(yàn)方法》（GB／T2406—93）的要求；然后采用南京市儀器廠生產(chǎn)的JF－3型氧指數(shù)測定儀測試。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 因素的選取

根據(jù)研究需要分別選取溫拌劑摻量和阻燃劑摻量作為考慮因素，另外考慮制備方式的影響，選取摻入溫拌劑、阻燃劑后的拌合轉(zhuǎn)速及拌合溫度共同作為正交試驗(yàn)的4個因素。

3.2 水平的選取

試驗(yàn)設(shè)計(jì)中EC－120溫拌劑摻量（A）取3種，分別為2.5%、3.5%、4.5%；高效阻燃劑摻量（B）取3種，分別為6%、8%、10%；瀝青結(jié)合料拌合溫度（C）取3種，分別為155℃、165℃、175℃；瀝青結(jié)合料拌合轉(zhuǎn)速（D）取3種，分別為3 000、4 000、5 000 r·min－1，如表3、4所示。

瀝青路面的使用性能與瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度有著密切的聯(lián)系，采用極限氧指數(shù)法進(jìn)行瀝青阻燃性能評價，對隧道瀝青路面在突發(fā)起火時防火抗災(zāi)能力有著重要的作用。因此，本文將研究瀝青三大指標(biāo)和極限氧指數(shù)與各因素的關(guān)系。采用極差法分析各因素對瀝青結(jié)合料性能的影響，并確定溫拌阻燃瀝青的最佳制備方案。

表3 因素及水平

表4 正交組合

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

按表4的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行正交試驗(yàn)，得出針入度、軟化點(diǎn)、延度和極限氧指數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果評價方法

基于溫拌阻燃瀝青三大指標(biāo)和極限氧指數(shù)等，最優(yōu)配方的選擇需要同時考慮針入度、軟化點(diǎn)、延度和極限氧指數(shù)4個指標(biāo)。具體評分方法如下：總分（W）即針入度得分（x）、軟化點(diǎn)得分（y）、延度得分（z）、極限氧指數(shù)得分（i）的總和。針入度得分

式中：Xi為第i組的針入度數(shù)值；為基質(zhì)瀝青針入度數(shù)值。

軟化點(diǎn)得分

式中：Yi為第i組的軟化點(diǎn)數(shù)值為基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)數(shù)值。

延度得分

式中：Zi為第i組的延度數(shù)值；為基質(zhì)瀝青延度數(shù)值。

極限氧指數(shù)得分

式中：Ii為第i組的極限氧指數(shù)數(shù)值為基質(zhì)瀝青極限氧指數(shù)數(shù)值。

3.3.3 最佳配方的選擇

從總分結(jié)果可以看出，第5組總分為0.477，得分最高，可判定其綜合性能最好。因此，選擇第5組配方作為最佳設(shè)計(jì)方案，即EC－120溫拌劑摻量為3.5%，F(xiàn)RMAX高效阻燃劑摻量為8%，拌合溫度為175℃，拌合轉(zhuǎn)速為3 000r·min－1。

3.3.4 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

在正交試驗(yàn)方案表中，首先將同因素同水平的試驗(yàn)結(jié)果累加起來得到該因素該水平下的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水平參與的試驗(yàn)組數(shù)，就得到了值；再在j因素下，用減去 min就得到j(luò)因素的極差。將各列間的極差進(jìn)行比較，若極差較大則表明在這個水平變化范圍內(nèi)由該因素造成的差別大，對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響也大，該因素就是主要影響因素；若極差較小則表明在這個水平變化范圍內(nèi)由該因素造成的差別小，對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響也小，該因素就是次要影響因素。本試驗(yàn)的極差分析結(jié)果如表7所示。

表6 得分匯總

表7 溫拌阻燃瀝青結(jié)合料試驗(yàn)結(jié)果極差分析

根據(jù)溫拌阻燃瀝青結(jié)合料試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算對應(yīng)因素各水平K值及極差，得出各因素的影響次序，即：對于針入度，各因素的影響從大到小依次為D、C、B、A，即拌合轉(zhuǎn)速對其影響最大，拌合溫度次之，溫拌劑摻量影響最??；對于軟化點(diǎn)，各因素的影響從大到小依次為A、B、D、C，即溫拌劑摻量對其影響最大，阻燃劑摻量次之，拌合溫度影響最??；對于延度，各因素的影響從大到小依次為A、B、D、C，即溫拌劑摻量對其影響最大，阻燃劑摻量次之，拌合溫度影響最小；對于極限氧指數(shù)，各因素的影響從大到小依次為C、B、A、D，即拌合溫度對其影響最大，阻燃劑摻量次之，拌合轉(zhuǎn)速影響最小。

4 結(jié) 語

（1）溫拌阻燃瀝青結(jié)合料最佳設(shè)計(jì)方案為：溫拌劑EC－120摻量為3.5%，高效阻燃劑FRMAX摻量為8%，拌合溫度為175℃，拌合轉(zhuǎn)速為3 000r·min－1。

（2）拌合轉(zhuǎn)速對溫拌阻燃瀝青結(jié)合料針入度的影響最大，溫拌劑摻量對其軟化點(diǎn)的影響最大，溫拌劑摻量對其延度的影響最大，拌合溫度對溫拌阻燃瀝青結(jié)合料極限氧指數(shù)的影響最大。