公路隧道溫拌阻燃瀝青研究進展

張欣，王長偉，凌愛城，鄭軍濤，陳迪，張乾，趙品暉

（1.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南264001；2.山東建筑大學，山東 濟南250101）

我國公路建設(shè)隨著經(jīng)濟快速發(fā)展和交通強國戰(zhàn)略實施，公路總里程截止到2021年末已超過519.81 萬公里，其中高速公路通車里程16.10 萬公里，排名世界第一。公路隧道作為公路系統(tǒng)的重要組成部分，其數(shù)量多達21316 處，共2199.93 萬延米。[1]然而，隧道施工過程中瀝青煙霧會對工人的身體健康造成安全隱患，隧道交通事故中瀝青路面的燃燒也會造成高溫和人員傷亡。為了解決這些問題，可以通過加入溫拌劑和阻燃劑對瀝青進行改性，以降低施工溫度和改善瀝青阻燃性能，確保隧道交通安全平穩(wěn)運行。阻燃瀝青技術(shù)可通過向瀝青混合料中添加阻燃劑來實現(xiàn)，其阻燃機理包括吸收熱量阻燃、在燃燒表面形成覆蓋層阻燃、捕捉自由基阻燃和產(chǎn)生惰性氣體阻燃。目前主要的阻燃劑類型包括有機類、無機類、復(fù)合類和納米類。本論文綜述了溫拌阻燃瀝青技術(shù)的作用機理和解決的主要問題，同時展望了未來發(fā)展趨勢。

1 阻燃瀝青技術(shù)分類及研究進展

1.1 阻燃技術(shù)的分類

1.1.1 添加阻燃劑

目前，最主要的阻燃方式是向瀝青混合料中添加阻燃劑，而阻燃劑的阻燃機理主要可分為吸收熱量阻燃、在燃燒表面形成覆蓋層阻燃、捕捉自由基阻燃、產(chǎn)生惰性氣體阻燃。阻燃劑可按組成成分分為有機、無機、復(fù)合和納米類。

有機類阻燃劑主要分為鹵系和有機磷系。鹵系阻燃劑包括碘、氯和溴，如十溴二苯乙烷和氯化石蠟。其阻燃機理包括吸收熱量、產(chǎn)生惰性氣體和捕捉自由基。但其燃燒過程容易產(chǎn)生有害物質(zhì)且放煙量大。有機磷系阻燃劑具有低鹵、高效和放煙量小的優(yōu)點，可以促進表面生成炭覆蓋層以達到阻燃目的。但由于其具有毒性和致癌性，大量使用可能污染環(huán)境并對施工人員造成傷害。

無機類阻燃劑主要包括金屬氫氧化物、無機磷系和無機硼系阻燃劑。金屬氫氧化物阻燃劑環(huán)保、放煙量少、無毒，但阻燃效果較差。無機磷系阻燃劑包括聚磷酸銨和紅磷，聚磷酸銨阻燃性能好，但抑煙性差，紅磷阻燃效果好但易氧化。無機硼系阻燃劑以硼酸鋅最典型，具有良好的阻燃和抑煙性能，能形成炭覆蓋層防止瀝青熔滴?？傮w而言，無機類阻燃劑相對于有機類阻燃劑具有較好的環(huán)保性能，但在阻燃效果、抑煙性等方面仍需進一步優(yōu)化。

納米類阻燃劑為半導(dǎo)體或金屬材料，因其本身結(jié)構(gòu)特性，能在一定程度上減少加入傳統(tǒng)阻燃劑對瀝青混合料的路用性能造成的不良影響，目前常用的納米類阻燃劑可分為：蒙脫土、石墨烯、納米級金屬氫氧化物等。

復(fù)合阻燃劑是由兩種或兩種以上的阻燃劑組成，包括鹵、銻、磷、氮、金屬氫氧化物、石墨、納米材料等。其作用是消除單一阻燃劑對瀝青或瀝青混合料路用性能的不良影響，提升阻燃抑煙性能。常見的復(fù)合阻燃劑有FRMAX 和膨脹型復(fù)合阻燃劑（IFR）。IFR 是一種環(huán)保復(fù)合阻燃劑，其受熱分解時形成密實炭層，能夠阻隔可燃氣體、防止瀝青熔滴、抑煙作用，達到阻燃抑煙目的。

1.1.2 添加不可燃礦物纖維阻燃

從瀝青路面組成成分的整體出發(fā)，集料中的木質(zhì)纖維、礦粉等采用不可燃礦物纖維替代。由于礦物纖維本身含有羥基的阻燃基，受熱釋水后吸收熱量同時脫水后迅速成炭形成保護層，從而達到阻燃的目的。

1.1.3 高空隙率型路面結(jié)構(gòu)阻燃

高空隙率的瀝青路面主要在三方面起到阻燃的作用：第一，當路面發(fā)生事故涉及到可燃性液體泄漏時，高孔隙率的瀝青路面結(jié)構(gòu)會迅速將可燃液體吸收到內(nèi)部，阻止在路面表層燃燒。第二，由于高孔隙率的路面內(nèi)部氧氣含量較少，迅速吸入瀝青路面內(nèi)部的燃料得不到燃燒。第三，由于液體燃料大部分被吸入，所以在路面表面得不到大面積擴散，因此而達到阻燃目的。

1.2 阻燃技術(shù)研究進展

2007年姜汶泉等人通過馬歇爾試件燃燒實驗、隧道模擬瀝青混凝土路面燃燒實驗發(fā)現(xiàn)阻燃瀝青混合料的阻燃性能要好于SBS 改性瀝青混合料，且隧道瀝青混凝土路面的防火和阻燃層厚度應(yīng)該不小于4cm[2]。2013年，劉細軍等發(fā)現(xiàn)氫氧化鋁作為阻燃劑的可以提高混合料的阻燃性能，且能提高混合料的高溫穩(wěn)定性[3]。2013年，AliceBonati 等學者研究了納米復(fù)合性材料與傳統(tǒng)阻燃劑的綜合作用對瀝青混合料阻燃性能的影響。氫氧化鋁、氫氧化鎂等與納米復(fù)合材料同時作用可以有效提升瀝青混合料的阻燃性能[4]。2014年，張婷等人對SMA 瀝青混合料的阻燃性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)采用硅藻土、氫氧化鎂及硅樹脂組成的復(fù)合阻燃劑能夠提高SMA 的阻燃性能，且對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性都有改善作用[5]。2015年，武斌發(fā)現(xiàn)氫氧化鋁（ATH）與氫氧化鈣（HL）按照1:1 制備的復(fù)合阻燃劑相較于單一氫氧化物阻燃劑具有較高的阻燃性與抑煙能力，并且其可以替代瀝青混合料中的部分礦粉，相較于單一阻燃劑，增強了瀝青混合料的力學性能與路用性能[6]。2021年，XiaWJ 等發(fā)現(xiàn)納米阻燃劑可以有效抑制瀝青在混合料中的燃燒效果，在混合料的表面形成致密穩(wěn)定的炭渣，減少瀝青混合料燃燒冷凝與氣相煙氣的釋放與質(zhì)量損失[7]。

2 溫拌瀝青技術(shù)分類及研究進展

2.1 瀝青路面溫拌技術(shù)分類

2.1.1 使用瀝青降粘技術(shù)

瀝青降粘技術(shù)是為了降低瀝青的高溫粘度而添加降粘劑，以實現(xiàn)溫拌的目的。目前常用的降粘劑有Sasobit、EC-120 和Asphaltan-B。Sasobit 在超過114 ℃時通過攪拌溶解于瀝青中，能夠降低高溫粘度，但會降低阻燃性能和長期水穩(wěn)定性。EC-120 超過110℃后完全溶解于瀝青中，降低高溫粘度，提高低溫粘度，有助于抗老化。Asphaltan-B 的熔點與EC-120 接近，能夠提高瀝青流動性，實現(xiàn)溫拌的目的，也能提高壓實度與抗車轍能力。

2.1.2 表面活性平臺技術(shù)

Evotherm 溫拌劑是基于表面活性平臺技術(shù)的溫拌劑，通過將乳化劑添加到含水瀝青中來降低其粘度，使拌和溫度降至100 攝氏度左右。拌和過程中，表面活性添加劑、水、瀝青一起形成結(jié)構(gòu)性水膜，潤滑不受溫度影響，有效防止瀝青粘度增加，提高拌和性，從而實現(xiàn)溫拌。

此外，山東建筑大學的王立志、趙品暉等人開發(fā)了新型的油溶性溫拌劑，可以直接加入到瀝青中，通過潤滑作用降低混合料的生產(chǎn)溫度，對混合料路用性能的影響較小。

2.1.3 瀝青發(fā)泡技術(shù)

瀝青發(fā)泡技術(shù)是通過將水與熱瀝青混合，使水迅速變成水蒸氣，從而實現(xiàn)瀝青體積膨脹、粘度降低的技術(shù)。常用的技術(shù)有WMA-Foam 溫拌技術(shù)、沸石降粘技術(shù)和低能量瀝青（LEA）技術(shù)。WMA-Foam 溫拌技術(shù)采用兩階段法生產(chǎn)溫拌瀝青混合料，而沸石降粘技術(shù)則利用沸石中的孔腔吸附水分子，在加熱過程中迅速釋放水蒸氣使瀝青發(fā)泡。LEA 技術(shù)則是先將瀝青與粗集料加熱拌和，再將水與細集料拌和，最后將濕潤的細集料加入粗集料與瀝青的混合料中，使瀝青發(fā)泡并降低粘度。這些技術(shù)都能實現(xiàn)溫拌效果，具有降低能耗、環(huán)保、提高路用性能等優(yōu)點。

2.2 溫拌技術(shù)研究進展

2011年，劉勇制備了丙烯酸十八酯-苯乙烯-馬來酸酐（SSM）共聚物作為降粘劑，將其添加到基質(zhì)瀝青中，研究了SSM 共聚物對基質(zhì)瀝青性能的影響規(guī)律并探討了溫拌作用機理[8]。2013年，王玲研究發(fā)現(xiàn)Sasobit 降粘劑會降低瀝青的高溫粘度，改善瀝青的流變性能[9]。2014年，楊躍煥研究發(fā)現(xiàn)泡沫溫拌SBS 改性瀝青和表面活性劑溫拌SBS 改性瀝青混合料的高溫抗車轍能力降低，低溫抗裂性增強[10]。2017年，黃剛等人則發(fā)現(xiàn)Sasobit 溫拌瀝青與表面活性劑型DAT 溫拌瀝青對短期水穩(wěn)定性影響較小。但Sasobit 會降低長期水穩(wěn)定性，且能夠提高高溫穩(wěn)定性和降低低溫穩(wěn)定性。而DAT 則對瀝青混合料高低溫性能影響較小[11]。韋萬峰2018年研究發(fā)現(xiàn)水量是影響瀝青發(fā)泡的主要因素，摻入溴化銨可提高泡沫瀝青的水穩(wěn)定性，路用性能與熱拌瀝青相當[12]。

3 溫拌阻燃瀝青混合料研究進展

鄧祥明等人于2017年使用極限氧指數(shù)和黏度等實驗分析了Sasobit 溫拌劑和FRMAXTM 阻燃劑對瀝青和混合料的影響。研究表明，Sasobit 溫拌劑會提高抑煙性能，但對阻燃性能不利；Sasobit 溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑對SBS 改性瀝青混合料的高溫性能沒有影響，但會降低其低溫性能、抗疲勞性能和抗水損傷能力。[13]2020年，WanZM 等對Evotherm 溫拌劑預(yù)濕處理的氫氧化鋁阻燃劑的溫拌阻燃瀝青進行研究，發(fā)現(xiàn)添加顆粒狀阻燃劑和水滑石混合可提高瀝青混合料的限氧指數(shù)，形成自熄滅材料[14]。2021年，ChenR 等人對使用反應(yīng)性聚合物（RPFR）阻燃劑的環(huán)保環(huán)氧樹脂瀝青（WEAB）的溫拌阻燃性能進行研究，RPFR 的加入增加了WEAB 的限氧指數(shù)與熱穩(wěn)定性，且RPFR 中的環(huán)氧基團與環(huán)氧瀝青中的固化劑反應(yīng)降低了瀝青的粘度，延長了施工時間，達到溫拌的目的[15]。同年，JiangQ 等得出3.5%EC-120溫拌劑與8%FRAMAX 阻燃劑與瀝青拌合達到良好的溫拌阻燃效果，可以減少45.5%的VOC 排放[16]。

4 結(jié)論與展望

溫拌阻燃瀝青技術(shù)同時實現(xiàn)了溫拌與阻燃效果，降低了瀝青混合料的拌和溫度，減少了有毒煙氣的排放，有效防止了在隧道工程中發(fā)生火災(zāi)事故引燃瀝青路面造成的人員傷亡。但在后續(xù)的研究中重點解決以下問題：

（1）目前的評價指標體系對抑煙性能的研究較少，需要建立完整全面的溫拌阻燃、抑煙性能評價體系；

（2）亟需研究開發(fā)綠色環(huán)保、穩(wěn)定且對瀝青混合料路用性能影響小的復(fù)合協(xié)同溫拌阻燃劑；

（3）缺乏對瀝青路面整體設(shè)計，在瀝青混合料中的級配選擇與面層結(jié)構(gòu)方面研究較少；

（4）溫拌阻燃機理研究相對匱乏，尤其是需要從微觀層面研究相互之間的作用機理。