高性能阻燃橡膠復合改性瀝青應用研究

李彩曉

摘要：文章通過選取合適的阻燃劑制備出了高性能阻燃橡膠復合改性瀝青，研究了其物理性能和混合料路用性能，并通過氧指數(shù)、煙密度實驗和錐形量熱儀法對該高性能阻燃橡膠復合改性瀝青及其混合料的阻燃效果進行評價分析。結果表明：相比于傳統(tǒng)的阻燃橡膠瀝青，高性能阻燃橡膠復合改性瀝青的軟化點和延度較高，黏度和48 h離析軟化點差較小，具有更好的高溫性能、施工和易性及存儲穩(wěn)定性;阻燃劑的加入可有效地改善瀝青的煙密度、氧指數(shù)及其混合料的燃燒參數(shù)，且其混合料路用性能及實體長大隧道工程應用效果良好。

關鍵詞：阻燃;橡膠復合改性瀝青;路用性能

0 引言

20世紀以前國內(nèi)外高等級公路隧道路面大多以水泥混凝土路面鋪裝為主，但水泥混凝土路面施工周期長，橫向和縱向接縫處理工序相對復雜，路面平整度較差，行車舒適性一般，噪音大，且后期維修養(yǎng)護難。進入21世紀后，隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民生活水平的提高，日常通行對路面的舒適性、安全性以及綠色環(huán)保的要求日益突出，目前大多數(shù)隧道均采用瀝青混凝土路面。但由于隧道內(nèi)地理條件特殊，空間相對狹小，空氣流通較差，火災事故危害性較大，且路面常年潮濕，其要求所使用的瀝青混凝土既要具有一定的阻燃性，又要具有優(yōu)良的抗疲勞和抗水損性能。已有研究表明：橡膠瀝青混合料不僅符合環(huán)保要求，而且具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗水損害能力，其抗老化性能和抗疲勞性能更優(yōu)于其他改性瀝青混合料，使用橡膠瀝青混合料鋪筑的路面具有平穩(wěn)、舒適、噪音低、裂縫少等特點，能明顯改善路面的質(zhì)量并延長其使用壽命[1-2]。但是由于傳統(tǒng)橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性差，黏度偏大不易控制，使得橡膠瀝青只能在工地拌和站現(xiàn)拌現(xiàn)用，限制了橡膠瀝青的使用。

基于此，本文采用工廠化生產(chǎn)的高性能橡膠復合改性瀝青與阻燃劑進行復配，得到高性能阻燃橡膠復合改性瀝青，并對其瀝青和混合料性能、阻燃功效進行分析研究，對高性能阻燃橡膠復合改性瀝青在賀巴高速公路黃竹口長隧道工程中的應用效果進行檢測，以期為高性能橡膠復合改性瀝青在高等級公路（尤其是隧道）的推廣應用提供一定的數(shù)據(jù)支撐和參考。

1 原材料

1.1 集料

所用粗集料為1#（10～15 mm）和2#（5～10 mm）的輝綠巖碎石，經(jīng)過二級破碎整形，生產(chǎn)廠家為田東縣輝綠巖礦業(yè)有限責任公司;細集料為3#（0～5 mm）的機制砂，生產(chǎn)廠家為桐木銀山寨石場。集料的物理力學指標如表1、表2所示。

1.2 阻燃劑

阻燃劑是一種通過吸收大量熱量以降低有機物熱分解溫度，或通過隔斷、隔離有機物與空氣中的氧接觸，從而達到延緩或阻止有機物燃燒的物質(zhì)。按照反應類型及機理的不同主要分為填料型、化學反應型及膨脹型。填料型大多為氫氧化合物，無毒抑煙且成本相對低廉，但阻燃效果一般;化學反應型大多為鹵、磷、銻、硅系等化合物，通常采用二種及以上體系復合使用，相對較為高效，但成本較高;膨脹型通常由成炭劑、脫水劑和膨脹劑三部分組成，其要求被阻燃的有機物具有較高的匹配性[3]。本項目采用的是一種溴-銻系復合型阻燃劑。

2 高性能阻燃橡膠復合改性瀝青性能檢測

高性能阻燃橡膠復合改性瀝青室內(nèi)采用濕法制備，即將高性能橡膠復合改性瀝青加熱至180 ℃，摻加阻燃劑通過剪切均化工藝制備而得，參照廣西地區(qū)標準《橡膠瀝青路面施工技術規(guī)范》（DB45/T1098-2014）評價高性能阻燃橡膠復合改性瀝青與傳統(tǒng)阻燃橡膠瀝青性能的優(yōu)劣（其中高性能橡膠復合改性瀝青為廣西交科新材料有限責任公司提供，傳統(tǒng)橡膠瀝青采用普通的剪切攪拌工藝制備而得，膠粉摻量均為20%，阻燃劑摻量均為6%）。根據(jù)《瀝青混合料改性添加劑第3部分：阻燃劑》（JT/T860.3-2014）的試驗方法及要求，采用氧指數(shù)和煙密度評價高性能阻燃橡膠復合改性瀝青的阻燃效果。

由表3可知，相比于傳統(tǒng)的阻燃橡膠瀝青，高性能阻燃橡膠復合改性瀝青的軟化點和延度較高，黏度和48 h離析軟化點差較小，說明高性能阻燃橡膠復合改性瀝青具有更好的高溫性能、施工和易性及存儲穩(wěn)定性，可有效降低橡膠瀝青的施工難度，并能在一定程度上解決現(xiàn)場施工因天氣等不可抗因素導致的施工周期延長、瀝青性能因離析發(fā)生衰減的問題，提升了橡膠瀝青的適應性。

由表4可知，高性能阻燃橡膠復合改性瀝青的氧指數(shù)為30.8%，煙密度為61.8%，均滿足JT/T860.3-2014中的技術要求，說明其可用于大規(guī)模的隧道施工，具有較好的阻燃性能。

3 阻燃橡膠復合改性瀝青混合料路用性能研究3.1 配合比

以“骨架嵌擠均勻密實”為控制目標，盡量減少細集料的用量，重點控制0.075 mm、2.36 mm、4.75 mm及9.5 mm篩孔的通過率，在確保路面密實不滲水的前提下，結合隧道路面的使用特點，選擇合適的油石比，盡可能提高路面的構造深度和抗車轍能力，提升隧道路面的抗滑安全性及耐久性。最終確定礦料配合比為11～16∶7～11∶4～7∶0～4∶礦粉=34∶35∶5∶22∶4，油石比為5.6%，合成級配通過率如表5所示。

3.2 混合料性能檢測及阻燃效果評價

按照表5中的配合比，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）相關試驗方法、《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F 40-2004）及《橡膠瀝青路面施工技術規(guī)范》（DB 45/T 1098-2014）對阻燃橡膠復合改性瀝青的高溫性能和水穩(wěn)定性能進行評價，結果如表6～8所示。

由表6～8可知阻燃橡膠復合改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度為90.2%，凍融劈裂抗拉強度比為95.1%，60 ℃動穩(wěn)定度為5 392次/min，均優(yōu)于相關技術規(guī)范要求，表明該阻燃橡膠復合改性瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性，適用于重載交通及隧道潮濕環(huán)境。

采用錐形量熱儀法對阻燃橡膠復合改性瀝青混合料和非阻燃橡膠復合改性瀝青混合料進行測試，分析比較阻燃橡膠復合改性瀝青混合料的阻燃效果。其中瀝青混合料的試件尺寸為（100×100×50）mm，試驗時的熱輻射強度為50 kw/m2，空氣流速為24 L/s。試驗結果如表9所示。

錐形量熱儀法操作簡便，與真實火災情形相關性較高，可定量獲取可燃物燃燒的多種不同燃燒參數(shù)，用阻燃效果評價時可直觀地進行比較[4-6]。

一般來說，在相同條件下，有機物的引燃時間越短，說明其越容易著火。從表9中可知，阻燃橡膠復合改性瀝青混合料的引燃時間為303 s，而非阻燃橡膠復合改性瀝青混合料的引燃時間為265 s，前者較后者延長了38 s，說明阻燃劑的加入延長了瀝青材料的引燃時間，起到了阻燃的效果。

熱釋放速率峰值可代表火焰強度，峰值越大，火焰強度越大，可燃物熱分解燃燒的速度越快。表9中阻燃橡膠復合改性瀝青混合料的熱釋放速率峰值較非阻燃橡膠復合改性瀝青混合料的峰值小，說明阻燃劑能夠吸收燃燒所產(chǎn)生的部分熱能，降低火焰強度，有利于控制火焰的大小。

從表9可知，阻燃橡膠復合改性瀝青混合料的CO、CO2的生成量及生煙總量均比非阻燃橡膠復合改性瀝青混合料小，說明阻燃劑的加入可起到明顯的抑煙作用，降低火災的危害性。

4 工程應用效果

賀巴高速公路昭平至蒙山段地勢復雜多變，橋隧比較高，其中黃竹口隧道為路段內(nèi)最長隧道，全長約4 km。隧道內(nèi)采用AC-20+阻燃ARAC-13結構，施工完成后檢測其路面性能。檢測結果如后頁表10所示。

由表10可知阻燃橡膠復合改性瀝青路面壓實度達標，平整度和構造深度均優(yōu)于《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準第一冊土建工程》（JTG F80 /1-2017）及設計要求，表明該路面行車舒適，抗滑安全，且基本不滲水，適用于隧道潮濕環(huán)境，抗水損較好。

5 結語

（1）高性能阻燃橡膠復合改性瀝青相比于傳統(tǒng)的阻燃橡膠瀝青，其軟化點和延度較高，黏度和48 h離析軟化點差較小，具有更好的高溫性能、施工和易性及存儲穩(wěn)定性。

（2）高性能阻燃橡膠復合改性瀝青氧指數(shù)和煙密度均滿足相關技術要求，具有較好的阻燃性能;且其混合料殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂抗拉強度比及60 ℃動穩(wěn)定度均優(yōu)于相關技術規(guī)范要求。

（3）通過錐形量熱儀法對阻燃橡膠復合改性瀝青混合料的實驗結果分析，表明阻燃劑的加入可有效延長瀝青材料的引燃時間，減小熱釋放速率峰值，降低火焰強度，且具有較好的抑煙作用，能夠降低火災的危害性。

（4）高性能阻燃橡膠復合改性瀝青混合料路面的各項關鍵檢測指標結果均優(yōu)于相關技術規(guī)范及設計要求，適用于低溫潮濕密閉的長大隧道路面工程。

參考文獻：

[1]王 芳，王選倉.高等級瀝青路面使用性能評價指標與標準研究[J].路基工程，2009（5）：32-33.

[2]曹榮吉.橡膠瀝青應力夾層在鹽通高速公路上的應用研究[J].公路交通科技，2006（10）：120-122.

[3]趙 輝，劉 楠，黃 磊.隧道瀝青路面常用阻燃劑及阻燃機理分析[J].建筑工程技術與設計，2014（30）：407.

[4]舒中俊，徐曉楠，李 響.聚合物材料火災燃燒性能評價[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[5]何騰飛，王文和，米紅甫，等.基于CONE的聚合物材料火災危險性綜合評價方法研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2018，44（10）：10-13，24.

[6]張 陽.聚合物材料燃燒性和阻燃性的研究[D].廣州：華南理工大學，2012.