溫拌阻燃橡膠瀝青制備與影響因素研究

張冀

摘要：為獲得溫拌阻燃橡膠瀝青最佳制備方案，文章基于三大指標(biāo)試驗(yàn)、氧指數(shù)試驗(yàn)及布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)，探究溫拌劑、阻燃劑摻量及拌和工藝對(duì)溫拌阻燃瀝青性能的影響。結(jié)果表明：溫拌劑、阻燃劑摻量對(duì)溫拌阻燃瀝青性能的影響顯著，溫拌劑為3%、阻燃劑為6%、拌和速率為4 000 r/min時(shí)，溫拌阻燃瀝青性能最佳，其具有良好的高低溫性能及工作性能。

關(guān)鍵詞：道路工程;溫拌阻燃瀝青;橡膠瀝青;氧指數(shù)

中國(guó)分類號(hào)：U416.03

0引言

基于“碳達(dá)峰、碳中和”的承諾與目標(biāo)，我國(guó)積極參與國(guó)際社會(huì)碳減排，主動(dòng)順應(yīng)全球綠色低碳發(fā)展潮流，其中重點(diǎn)方向之一即是廢物利用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)及運(yùn)輸行業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量廢舊輪胎，其處理、堆放等問(wèn)題制約著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的綠色低碳發(fā)展[1]。針對(duì)這一問(wèn)題，可將廢舊輪胎磨細(xì)后與瀝青混熔，制得具有良好路用性能的橡膠瀝青，這樣既可達(dá)到循環(huán)利用的目的，且具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。橡膠瀝青混合料施工溫度較高，且會(huì)在拌和、運(yùn)輸和碾壓過(guò)程中產(chǎn)生大量的刺激性有毒氣體，在污染環(huán)境的同時(shí)也對(duì)作業(yè)人員的生命健康安全造成不良影響。特別是假如在環(huán)境封閉的隧道內(nèi)發(fā)生意外火情，橡膠瀝青混合料受熱產(chǎn)生大量有毒煙霧無(wú)法及時(shí)排出，易造成嚴(yán)重的人員傷亡。因此，降低橡膠瀝青施工溫度，減少對(duì)環(huán)境及施工人員的危害，增強(qiáng)瀝青路面阻燃性能成為橡膠瀝青研究的主要方向。本文擬對(duì)溫拌阻燃橡膠復(fù)合改性瀝青的開(kāi)發(fā)與性能評(píng)價(jià)展開(kāi)研究。

目前大量研究人員對(duì)溫拌阻燃瀝青展開(kāi)了相關(guān)研究，如喬建剛在SBS改性瀝青中分別摻入了EC130溫拌劑和FRMAX TM阻燃劑，然后測(cè)試了其高低溫流變性能和粘溫性能，結(jié)果表明兩者共同加入SBS改性瀝青，會(huì)提高其高溫性能和粘溫性能，但對(duì)其低溫性能不利[2];吳林松針對(duì)溫拌阻燃SBS改性瀝青混合料的路用性能的研究發(fā)現(xiàn)：溫拌劑和阻燃劑可改善瀝青混合料的抗車轍性能和抗水損害能力，但是劣化了混合料低溫抗裂能力[3]。但鮮有針對(duì)橡膠瀝青溫拌阻燃技術(shù)的相關(guān)研究，因此，本文選取性能優(yōu)良、應(yīng)用效果較好的溫拌劑、阻燃劑及成品橡膠瀝青，對(duì)溫拌阻燃橡膠瀝青性能展開(kāi)研究，以期指導(dǎo)相關(guān)工程項(xiàng)目。

1原材料

1.1橡膠瀝青

橡膠瀝青采用工廠化制備，由質(zhì)量比為12%的0.250 mm廢舊汽車輪胎膠粉（橡膠粉）、少量SBS改性劑與70 #道路石油瀝青摻配而成。其性能滿足《路用廢胎膠粉橡膠瀝青》（JT/T 798-2019）要求，如表1所示。

1.2溫拌劑及阻燃劑

溫拌劑選用Sa-sobit型聚烯烴類有機(jī)降粘型溫拌劑;阻燃劑采用FRMAX TM高效型阻燃劑。其技術(shù)性能分別如表2、表3所示。

2試驗(yàn)方法與方案設(shè)計(jì)

2.1試驗(yàn)方案

2.1.1三大指標(biāo)試驗(yàn)

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）（以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)規(guī)程）中T0604-2011、T0606-2011、T0605-2011試驗(yàn)方法，分別檢測(cè)不同瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和5 ℃延度。

2.1.2布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)

依據(jù)試驗(yàn)規(guī)程中T0625-2011布氏瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)方法測(cè)定瀝青表觀黏度。

2.1.3氧指數(shù)試驗(yàn)

采用試驗(yàn)規(guī)程中GB/T 2406氧指數(shù)試驗(yàn)方法測(cè)定極限氧指數(shù)（LOI）來(lái)評(píng)價(jià)瀝青阻燃性能，LOI越小表示材料越易燃。可由式（1）計(jì)算：

2.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參考廠家推薦及國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[4]，初步確定各原材料用量范圍，選取各影響因素的試驗(yàn)水平如表4所示，進(jìn)行L9（3 3）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3溫拌阻燃橡膠瀝青性能評(píng)價(jià)

按正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的不同影響因素各水平成型試件后，依照前述試驗(yàn)方法進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)、布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)、氧指數(shù)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

采用極差分析法進(jìn)行定量分析（表6），其中ki表示某因素第i水平對(duì)應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)的平均值，極差為ki（i=，3）中最大值與最小值的差值。

綜合分析各因素對(duì)溫拌阻燃瀝青高低溫性能、阻燃性能及降黏效果的影響結(jié)果，9組試驗(yàn)組中溫拌劑為3%、阻燃劑為6%、拌和速率為4 000 r/min時(shí)，溫拌阻燃瀝青性能最佳。

3.1高溫性能（圖1～3）

（1）剪切機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)溫拌阻燃瀝青高溫性能基本無(wú)影響，而溫拌劑及阻燃劑摻量對(duì)其高溫性能影響較為顯著，其中溫拌劑摻量對(duì)其影響最大，三因素對(duì)應(yīng)針入度、軟化點(diǎn)極值大小排序均為：溫拌劑摻量>阻燃劑摻量>剪切儀轉(zhuǎn)速。

（2）溫拌劑的摻入有利于瀝青的高溫性能，且隨摻量的增大對(duì)其有進(jìn)一步的提升。隨著2%溫拌劑的摻入，橡膠瀝青軟化點(diǎn)從73 ℃提升至74.4 ℃，針入度從5.93 mm下降至5.11 mm，且隨摻量的增加，溫拌阻燃瀝青軟化點(diǎn)進(jìn)一步增大，針入度進(jìn)一步減小。這說(shuō)明溫拌劑的摻入，會(huì)使瀝青變硬，抗變形能力增強(qiáng)，高溫性能有所提升。

（3）阻燃劑的摻入同樣對(duì)瀝青高溫性能有利，但提升效果弱于溫拌劑。由圖1、圖2可知，阻燃劑摻量從4%增至8%，瀝青軟化點(diǎn)從75 ℃增至76.8 ℃，提升了1.8 ℃;溫拌劑摻量從2%增至4%，瀝青軟化點(diǎn)從74.4 ℃增至77.1 ℃，提升了2.7 ℃;隨著溫拌劑摻量的增大，溫拌阻燃瀝青軟化點(diǎn)逐步增大，針入度逐步減小，高溫性能逐漸增強(qiáng)，且溫拌劑對(duì)瀝青高溫性能改善效果更明顯。

3.2低溫性能（圖4～5）

（1）溫拌劑、阻燃劑的摻量顯著影響瀝青的低溫性能，剪切機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青低溫性能基本無(wú)影響。其中，阻燃劑摻量對(duì)溫拌阻燃瀝青低溫性能影響最大，三種因素延度極值大小排序?yàn)椋鹤枞紕搅?gt;溫拌劑摻量>剪切機(jī)轉(zhuǎn)速。

（2）溫拌劑、阻燃劑的摻入對(duì)瀝青低溫性能有顯著的不利影響。隨著溫拌劑、阻燃劑摻量的增大，瀝青延度逐漸減小，低溫性能逐漸變差。這是由于溫拌劑中有機(jī)添加物存在蠟結(jié)晶，增加了瀝青脆性，使得延度降低;同時(shí)阻燃劑吸附于瀝青分子表面，使得瀝青分子間表面自由能下降，從而致使瀝青低溫抗裂性能下降。因此在溫拌劑、阻燃劑摻量選取時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注瀝青低溫性能的變化，避免瀝青性能劣化。

3.3降黏性能（圖6～7）

（1）所選三因素中對(duì)瀝青135 ℃黏度影響最大的是溫拌劑摻量，其次是阻燃劑摻量，剪切機(jī)轉(zhuǎn)速影響最小，三者對(duì)應(yīng)極差大小排序?yàn)椋?.5 Pa·s>0.4 Pa·s>0.1 Pa·s。

（2）溫拌劑可有效降低溫拌阻燃瀝青黏度，降低施工中瀝青拌和及壓實(shí)溫度，且隨溫拌劑摻量的增大，降黏效果越好。溫拌劑摻量從2%增大至4%，溫拌阻燃瀝青135 ℃黏度從2.1 Pa·s降至1.6 Pa·s，這是由于溫拌劑中低熔點(diǎn)的有機(jī)添加劑在瀝青中融化，起到潤(rùn)滑作用，從而降低瀝青黏度。

（3）阻燃劑的摻入對(duì)溫拌劑的降黏效果存在不利影響，且隨其摻量增加，對(duì)瀝青溫拌工作性能更為不利。阻燃劑摻量從4%增至8%，溫拌阻燃瀝青135 ℃黏度增加0.3 Pa·s，增幅達(dá)17.6%。

3.4阻燃性能（圖8～9）

（1）阻燃劑的摻入可有效提升瀝青的阻燃性能，阻燃劑摻量從4%增至8%，瀝青氧指數(shù)從23.5%增加到27.4%。這是由于阻燃劑在瀝青受熱時(shí)，在表面生成一層均勻的碳化泡沫層，從而隔氧隔熱，因此提升了瀝青的阻燃性能。

（2）剪切機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)瀝青阻燃性能基本無(wú)影響，溫拌劑的摻量對(duì)溫拌阻燃瀝青的阻燃性能存在不利影響，隨著溫拌劑摻量的增大，瀝青氧指數(shù)逐漸減小，阻燃性能有所下滑，因此在溫拌阻燃瀝青溫拌劑摻量的選取時(shí)，應(yīng)考慮其對(duì)瀝青阻燃效果的影響。

4結(jié)語(yǔ)

（1）綜合考慮溫拌阻燃瀝青的高溫性能、低溫性能、阻燃性能及降黏效果，溫拌阻燃瀝青最佳制備方案為：溫拌劑3%、阻燃劑6%、拌和速率4 000 r/min。

（2）溫拌劑、阻燃劑均對(duì)瀝青高溫性能有利，而對(duì)瀝青低溫性能存在較為不利的影響，因此對(duì)于溫拌劑及阻燃劑摻量的選取，應(yīng)著重考慮其對(duì)瀝青低溫性能的影響，防止性能顯著劣化。

（3）溫拌劑對(duì)于瀝青阻燃性能不利，阻燃劑又影響著瀝青降黏效果，因此選取溫拌阻燃瀝青的溫拌劑及阻燃劑時(shí)，應(yīng)對(duì)溫拌劑與阻燃劑的配伍性展開(kāi)研究。

參考文獻(xiàn)：

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