阻燃沥青及其混合料的路用性能研究

张开贵，陈 炎

(1. 四川公路桥梁建设集团有限公司，成都 610093; 2. 苏交科集团股份有限公司，南京 210019)

近年来，针对隧道沥青路面阻燃技术的研究逐渐增多，这类研究旨在提高沥青材料的着火点或减少其燃烧过程中的烟雾排放，提高隧道沥青路面在特殊情况下的安全性[1-4]。目前，常用的沥青阻燃剂按照化学类型和阻燃机理可分为化学阻燃剂，膨胀型阻燃剂，镁、铝的氢氧化物等无机填料型阻燃剂，消烟剂和纳米阻燃剂等，其阻燃机理基本包括吸热作用、覆盖作用、抑制链反应和不燃气体窒息作用[5-8]。其中，氢氧化镁、氢氧化铝等物质已在实际工程中被广泛运用于隧道路面，该类材料受热时放出的结合水会吸收大量的热，使材料难以达到热分解温度和燃烧温度；
此外，其通过抑制燃烧进而达到了抑制发烟的目的[9-10]。

然而，亦有研究表明，要使氢氧化镁和氢氧化铝材料在沥青中起到阻燃作用，需要较大的用量，因此易对沥青混合料的低温性能及水稳定性造成严重影响，且这种阻燃方法的成本过高，难以全面推广[6,9,11]。因此，研究更为完善的新型阻燃技术很有必要。本文基于新型纳米材料技术及对纳米材料表面改性技术的联合使用，开发了一种基于表面改性的纳米材料阻燃剂，在已确定该种阻燃沥青的阻燃特性和配方的基础上进一步研究阻燃沥青及其混合料的性能。考虑到已有研究多采用针入度、软化点等常用指标进行性能研究，而不足以表征阻燃沥青的实际路用性能；
以及大多数研究者采用温度扫描试验获取疲劳因子及车辙因子来表征阻燃沥青流变性能，但不适用于改性沥青的情况，本文采用AASHTO于2014年提出的高温稳定性评价试验——多重应力蠕变恢复试验及2018年提出的线性幅度扫描试验进行阻燃沥青流变性能评价，同时基于SMA级配对其混合料的基本性能进行研究，以评价该种阻燃沥青的路用性能，为其推广和运用奠定基础。

1.1 原材料

研究所用的SBS改性沥青(I-C级)技术指标如表1所示。复合阻燃剂由纳米氢氧化镁及氢氧化铝按1∶2比例混合而成，表面改性剂采用硅烷偶联剂，试验原材料如图1所示。

表1 SBS改性沥青(I-C级)技术指标

图1 试验原材料

1.2 制备工艺

1.2.1 表面处理工艺

根据参考文献[5]和参考文献[11]可知，偶联剂的用量应为纳米氢氧化铝量的0.9%，按如下步骤对复合纳米材料进行表面处理：

(1) 用乙醇作溶剂将硅烷偶联剂稀释成20%的处理液。

(2) 将纳米氢氧化铝置于100 ℃烘箱中恒温2 h 并冷却至室温。

(3) 将纳米氢氧化铝用处理液常温浸泡，并轻微搅拌3 h。

(4) 将步骤(3)所得物在60 ℃下烘干2 h并冷却至室温。

将处理之后得到的产物命名为沥青阻燃改性剂ZR-Si。

1.2.2 阻燃沥青制备工艺

为保证沥青阻燃剂在沥青介质中充分、有效地分散，本研究采用高速剪切机制备阻燃沥青。先将SBS改性沥青在110 ℃下脱水30 min，然后升温到170 ℃左右，加入阻燃剂剪切2～3 min，制成阻燃改性沥青。具体工序为：①取2.0 kg左右的SBS改性沥青升温至110 ℃并恒温20～50 min进行脱水，继续升温到170 ℃；
②启动高速剪切机，控制转速在500 r/min以内；
将沥青阻燃剂按比例加入其中，同时将剪切速率升至5 000 r/min以上，剪切2～3 min，即形成阻燃沥青SBS/ZR。

1.2.3 阻燃沥青阻燃性能试验

采用沥青氧指数来表征阻燃沥青的阻燃性能。采用英国FTT0077氧指数仪测试沥青氧指数，按照《沥青燃烧性能测定 氧指数法》(NB/SH/T 0815—2010)进行试验。

1.2.4 多重应力蠕变恢复试验

MSCR试验采用0.1 kPa与3.2 kPa的蠕变应力水平，每个应力水平进行10个周期，一个周期试验时长为10 s，其中包含了1 s的蠕变阶段与9 s的卸载恢复阶段，根据所得的应力应变数据得出最后的评价指标：形变恢复率R与不可恢复柔量Jnr[12-14]。R_0.1、R_3.2、Jnr_0.1及Jnr_3.2分别为0.1 kPa及3.2 kPa蠕变应力水平下的形变恢复率及不可恢复柔量；
试验沥青状态为原样沥青及其短期老化沥青，采用的仪器为安东帕流变仪。

1.2.5 线性幅度扫描试验

LAS试验是一种基于黏弹性连续损伤的新型试验。该试验采用的是应变控制的加载方式，即对荷载进行扫描，扫描时间计划为300 s，在该时间段内，荷载的施加方式为线性增加，振幅范围为0.1%～30%，频率为10 Hz[15-16]。本试验方法适用于薄膜烘箱试验(TFOT)和沥青压力老化试验(PAV)，仪器采用安东帕流变仪。

1.2.6 阻燃沥青混合料级配设计

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，采用马歇尔试验进行阻燃沥青混合料SMA-13级配设计，阻燃沥青混合料SMA-13合成级配及最佳油石比如表2所示。

表2 阻燃沥青混合料SMA-13合成级配及最佳油石比

2.1 沥青氧指数试验

沥青极限氧指数随阻燃剂掺量的变化曲线如图2所示。

图2 沥青极限氧指数随阻燃剂掺量的变化曲线

从图2可以看出，阻燃沥青的极限氧指数随着ZR-Si阻燃剂用量的增加呈稳步上升的变化趋势。根据设计文件，按照现阶段难燃2级的标准(极限氧指数≤27%)，要求ZR-Si的用量≥6%，即6%为ZR-Si产生阻燃效应的用量下限，后续阻燃沥青及其混合料路用性能评价均参照该掺量。

2.2 MSCR

根据试验结果，绘制70 ℃下SBS改性沥青及其阻燃沥青样品在3.2 kPa应力水平下的应变-时间曲线，SBS改性沥青及其阻燃沥青的应变-时间关系如图3所示，图中，SBS-TFOT为TFOT后的SBS改性沥青，SBS/ZR-TFOT为TFOT后的阻燃沥青。下同。

图3 SBS改性沥青及其阻燃沥青的应变-时间关系

由图3可知，向SBS改性沥青中加入阻燃剂后，其应变在同等应力作用下有所减小，同样的规律在其短期老化(即TFOT后)的沥青中亦有体现，这表明加入的阻燃剂分散在沥青分子的链段之间，增强了沥青的抗变形能力。此外，分析老化前后的应变改变量可知，阻燃剂对沥青或沥青中的聚合物起到了一定的阻隔作用,因此对沥青具有一定的保护作用，可延缓沥青的老化，与此前的其他研究具有相同的结论。

根据测量曲线，计算评价指标形变恢复率(R)与不可恢复柔量(Jnr)，SBS改性沥青及其阻燃沥青高温性能评价如图4所示，图中，SBS-PAV为PAV后的SBS改性沥青，SBS/ZR-PAV为PAV后的阻燃沥青。下同。

(a) 不可恢复柔量(Jnr)

(b) 形变恢复率(R)图4 SBS改性沥青及其阻燃沥青高温性能评价

由图4可知，SBS改性沥青加入阻燃剂后，改性沥青在不同老化阶段的不可恢复柔量减小，弹性回复率增大，这表明阻燃剂加入后分散在沥青分子的链段之间，增强了沥青的高温抗变形能力。

2.3 LAS试验

根据线性幅度扫描试验，经数据处理得到两种改性沥青不同老化状态下的损伤曲线如图5所示。

图5 两种改性沥青不同老化状态下的损伤曲线

由图5可以看出，SBS/ZR原样沥青及其短期老化沥青的损伤曲线基本趋于水平，表明阻燃剂的弹性作用可提高沥青的抗疲劳损伤能力，但随着长期老化(即PAV)的作用，两种改性沥青材料损伤速率迅速增加，与此对应的疲劳寿命迅速减少，但SBS/ZR原样沥青与SBS改性沥青的不同之处在于，SBS/ZR沥青初始损伤速度较快，但沥青在积累一定损伤后趋于平缓；
然而SBS改性的老化状态损伤曲线却一直较为陡峭，表明此时SBS改性沥青容易迅速发生疲劳破坏，这与阻燃剂对改性沥青的老化保护关联密切。

综上，结合试验原理，取不同的应变水平可能计算不同的沥青疲劳寿命，沥青寿命与基层结构应变-疲劳寿命的关系如图6所示。

图6 沥青寿命与基层结构应变-疲劳寿命的关系

由图6可知，两种改性沥青的疲劳寿命在老化发生时均迅速减少，但是SBS/ZR沥青的疲劳寿命减少更为缓慢。根据现有研究，由沥青得到的疲劳寿命参数与沥青混合料的疲劳寿命虽不能等效，但其预测的疲劳寿命值与其实际对应的混合料实测的寿命值有一致的规律，即当某种沥青的抗疲劳性能较好时，与其对应的混合料的抗疲劳性能也较好，由此可知，少量的阻燃剂加入对提升沥青路面的抗疲劳性能具有积极作用。

Jungermannia ohbae Amkawa，Fl. 熊 源 新 等（2006）；
杨志平（2006）

2.4 沥青弯曲梁流变试验

通过弯曲梁流变试验(BBR)表征阻燃沥青的低温性能，试验的沥青低温劲度模量(S)如图7所示，沥青低温劲度模量随时间变化斜率(m)如图8所示。

图7 沥青低温劲度模量(S)

图8 沥青低温劲度模量随时间变化斜率(m)

由图7和图8可知，相同温度下，SBS改性沥青低温弯曲劲度明显低于SBS/ZR复合沥青，仅为后者一半，m值大于SBS/ZR复合沥青，这说明无机阻燃剂的加入约束了改性沥青在低温时的分子链运动，降低了分子自由度，从而降低了一定的低温使用性能，但影响的程度未超过一个温度等级。此外，因纳米阻燃沥青使用时采用的是替代部分矿粉的方式，因此，后续同等掺量的胶浆试验及混合料低温性能的验证十分必要。

2.5 小梁弯曲试验

研究按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的方法，试验仪器选用澳大利亚的万能材料试验机UTM-25，试件尺寸为250 mm×35 mm×30 mm，在-10 ℃、加载速率50 mm/min的条件下，对棱柱体小梁进行低温弯曲试验以评价沥青混合料的低温性能，将试验获取的荷载——跨中挠度曲线直线段延长与横坐标相交作为曲线原点，在图中量取峰值时的最大荷载及跨中挠度，计算得到试件破坏时的抗弯拉强度、破坏劲度模量、破坏应变，沥青混合料低温小梁弯曲试验结果如表3所示。

表3 沥青混合料低温小梁弯曲试验结果

由表3可以看出，低温条件下两种沥青混合料的小梁弯曲破坏应变均值差异较小，阻燃沥青的破坏应变稍低于SBS改性沥青，但不影响实际使用，满足阻燃沥青对原始沥青混合料性能影响较小的要求。

2.6 车辙试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，通过轮碾法成型车辙试件，并在60 ℃、0.7 MPa条件下进行车辙试验，检验两种改性沥青混合料的高温稳定性，车辙试验结果如表4所示。

表4 车辙试验结果

由表4可知，在同一级配下，阻燃沥青的动稳定度略高于SBS改性沥青，表明阻燃沥青具有更好的抗车辙能力。进一步分析车辙试验时的变形量情况可以发现，45 min时阻燃沥青的变形量小于SBS改性沥青的变形量，这说明在相同的荷载情况下阻燃沥青模量更高，阻燃剂分散于SBS改性沥青的网络后增强了改性沥青混合料的高温性能。

2.7 浸水马歇尔试验残留稳定度

采用浸水马歇尔试验评价沥青混合料的水稳定性。浸水马歇尔试验采用双面各击实75次的马歇尔试件，参照对比试件在60 ℃条件下水浴保温48 h，而后对两组试件分别进行马歇尔试验，获得其浸水残留稳定度。浸水马歇尔试验残留稳定度结果如表5所示。

表5 浸水马歇尔试验残留稳定度结果

由表5可知，两种沥青混合料的浸水马歇尔试验残留稳定度均能够满足≥85%的使用要求，虽然阻燃沥青残留稳定度稍低于SBS改性沥青，但其改变度较小(变化率<5%)，在工程实践中可认为基本不变。

2.8 冻融劈裂试验

采用冻融劈裂试验模拟沥青水损害过程。冻融劈裂试件采用双面各击实50次的马歇尔试件，将试件分为两组，其中一组进行真空饱水，将其在-18 ℃条件下冷冻16 h后，经60 ℃水浴保温24 h，再将两组试件共同放入25 ℃水中保温，2 h后取出分别进行劈裂试验，获得残留强度比。冻融劈裂试验结果如表6所示。

表6 冻融劈裂试验结果

由表6可知，所设计的两种沥青混凝土冻融劈裂残留强度比均能够满足≥80%的使用要求，虽然阻燃沥青冻融劈裂残留强度比稍低于SBS改性沥青，但其改变度较小( 变化率<5%)，在工程实践中可认为基本不变。

本文基于阻燃沥青及其混合料的路用性能试验结果，得出以下结论：

(1) 根据两种沥青的高温、中温及低温流变性能可知，阻燃剂的加入对沥青不同温度域的流变性能具有不同程度的影响，可提高沥青的高温稳定性及中温抗疲劳性，但对其低温性能有害。

(2) 分析两种沥青老化前后的应变改变量可知，阻燃剂对沥青或沥青中的聚合物起到了一定的阻隔作用,对沥青具有一定的保护作用，可延缓沥青的老化。

(3) 低温条件下两种沥青混合料的小梁弯曲破坏应变均值差异较小，阻燃沥青破坏应变稍低于SBS改性沥青，但不影响实际使用情况，满足阻燃沥青对原始沥青混合料低温性能影响较小的要求。

(4) 浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验表明，两种沥青混合料的冻融劈裂残留强度比均能满足使用要求，虽然阻燃沥青的水稳定性稍低于SBS改性沥青混合料，但其改变度较小(变化率<5%)，在工程实践中可认为基本不变。