刘玉君 寇建国 江 琪 孙 倩 吴少鹏 谢 君 贾 梓

(1.河北省高速公路延崇筹建处 张家口 075400; 2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070;3.河北锐驰交通工程咨询有限公司 石家庄 050000)

沥青混凝土路面因其表面平整、降噪功能明显、良好的行车舒适性、机械化程度高、易于建设和维护等优点，越来越广泛地应用于高速公路和隧道路面。

目前大多数隧道内沥青路面在建设过程中均采用传统的热拌沥青混合料(hot mixture asphalt,HMA)。因隧道通风性差，空间相对封闭等特点，采用传统的热拌沥青混合料铺筑路面时，会产生大量沥青烟气和粉尘，对施工人员的身体健康及人身安全造成隐患；并且隧道修建在山区内，其结构具有曲折性，一旦发生交通事故，由于隧道特殊的封闭环境和沥青的易燃性，很容易引起火灾。为解决上述安全隐患，需开发一种高效的阻燃温拌沥青混合料，以在路面建设中降低沥青混合料的施工温度，并提高沥青路面的难燃系数。

国外对温拌和阻燃沥青技术的研究起步较早[1]。一般来讲，温拌沥青技术包括有机添加剂、化学添加剂和发泡技术3大体系[2-3]。海川新材公司生产的温拌剂EC-120是一种聚烯烃类的沥青改性剂，相关研究表明EC-120具有良好的路用性能。例如，田小革等[4]研究发现EC-120的加入提高了沥青结合料的抗高温车辙性能，降低了其低温性能。马峰等[5]选用Aspha-min和Sasobit 2种温拌剂，研究了不同温拌剂对沥青混合料路用性能的影响。研究表明Sasobit温拌剂可将基质沥青混合料的动稳定度提升70%以上[6]。 然而针对无机阻燃剂和有机温拌剂复合的阻燃温拌沥青混合料的路用性能研究较少。因此，本研究制备了一种阻燃温拌沥青混合料，并研究该混合料的路用性能，为该类型混合料应用于实际工程提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1沥青

采用盘锦北方沥青燃料有限公司提供的AH-90重交石油沥青。其物理性能指标试验结果见表1。

表1 AH-90重交石油沥青试验结果

1.1.2阻燃剂

采用北京泰科莱尔化工有限公司提供的复合阻燃剂，其主要由有机硅改性层状双金属氢氧化物LDHs和石墨烯组成，其中LDHs中的镁铝质量比为2∶1，LDHs和石墨烯均为层状结构。

1.1.3温拌剂

温拌剂采用河北陆鹏交通科技股份有限公司生产的环保节能型沥青改性剂Sasobit，其主要化学成份是聚烯烃类高分子聚合物，能有效降低沥青混合料的拌和温度。

1.1.4集料

粗集料选用蔚县新源玄武矿业有限公司的玄武岩，细集料选用赤城县惠康砂石料加工有限公司的机制砂。

1.1.5矿粉

矿粉一般在沥青混合料中起空隙填充作用。采用阳原龙阳钙业有限责任公司石灰岩磨制的矿粉。

1.2 试验方法

试验利用有机硅改性层状双金属氢氧化物LDHs、石墨烯和温拌剂Sasobit与AH-90重交石油沥青均匀混合得到阻燃温拌改性沥青。

采用AC-13型沥青混合料，合成级配曲线图见图1，其最佳油石比为4.8%。

图1 沥青混合料(AC-13)的矿料级配图

在最佳油石比条件下，沥青混合料指标见表2，均满足相关规范的对天然骨料沥青混合料的设计要求。通过干法制备上述阻燃温拌沥青混合料，其中沥青外加剂的用量(沥青质量比)分别为：3%有机硅改性层状双金属氢氧化物LDHs、3%石墨烯、0.5%温拌剂Sasobit。

表2 沥青混合料的设计指标

沥青混合料的矿料级配和最佳油石比确定均按照JTG F40-2004 《公路沥青路面施工技术规范》的规定进行，并采用贝雷法中的CA值设计指标对沥青混合料的矿料级配进行控制。沥青混合料制备完成后，依据JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的规定对沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳性能、燃烧性能进行测试。

2 结果与讨论

2.1 确定施工温度

沥青混合料在路面工程应用中的施工和易性主要由拌和及压实2个过程的温度控制。为确定基质沥青的施工温度，目前广泛使用的方法是采用Brookfield黏度计测定并绘制的沥青黏温曲线，以表观黏度(0.17±0.02)Pa·s对应的温度作为拌和温度，以表观黏度(0.28±0.03)Pa·s对应的温度作为压实温度。

对本研究的阻燃温拌沥青和基质沥青分别测定黏温曲线，结果见图2。经计算，阻燃温拌沥青和普通基质沥青的拌和和压实温度结果见表3。

图2 沥青的黏温曲线

表3 根据黏温曲线确定的沥青混合料的拌和及压实温度 ℃

2.2 高温性能

沥青混合料高温性能主要体现在车轮反复碾压的抗车辙能力。高温车辙试验是将沥青混合料制备成标准车辙板，在60 ℃的车辙试验箱中保温5 h，随后将碾压轮以0.7 MPa的荷载作用在车辙板上反复碾压，记录试验作用时间和车辙形成的深度，最终用动稳定度来评价沥青混合料的高温性能。动稳定度越大，沥青混合料的高温性能越好。

通过对沥青混合料的高温车辙试验，得到车辙板车辙深度随试验时间的变化，以及动稳定度结果，分别见图3和表4。

图3 高温车辙试件形变量随试验时间的变化

表4 高温车辙试验结果

由表4可知，阻燃温拌沥青混合料的动稳定度达到2 583 次/mm，远超基质沥青混合料动稳定度1 000 次/mm的技术要求。

2.3 低温性能

沥青路面在昼夜温差大或者寒冷地区的极寒条件下，会出现表面裂纹，甚至是裂缝的现象。通过对沥青混合料进行低温三点弯曲试验，计算沥青混合料的抗弯拉强度、最大弯拉应变和弯曲劲度模量，以此来评价沥青混合料的低温性能。

在-15 ℃条件下，采用UTM万能试验机对沥青混合料进行低温三点弯曲试验，试验得到荷载-挠度曲线及抗弯拉强度、最大弯拉应变和弯曲劲度模量等相关指标，分别见图4和表5。

图4 低温三点弯曲试验的荷载-挠度曲线

表5 低温三点弯曲试验结果

由表5可见，阻燃温拌沥青混合料的最大弯拉应变达到2 647×10-6，远超基质沥青混合料在-21.5 ℃至-37.0 ℃的冬季寒冷地区的最大弯拉应变2 300×10-6的技术要求。

首先，学院应建立院系两级校企合作理事会，将学院和相关企业人员纳入理事会成员。其次，整合校内职能，成立科研与校企合作部，并安排专职人员，设立固定场所。校企合作理事会主要负责为院系的重大发展问题提供咨询、建议和指导，加强院系与行业、企业的联系，促进产、学、研紧密合作，实质性推进合作办学、合作育人、合作就业、合作发展，增强办学活力，加强理事会成员单位之间的交流与合作等。科研与校企合作部主要负责研究学院校企合作方面的重大问题，推动校企合作体系建设、起草校企合作计划、制定校企合作制度，并组织和推动实施等。

2.4 水稳性能

我国沥青路面早期破坏的主要原因是水损害，水进入沥青混合料的骨架孔隙中，通过来往车轮的泵吸作用，使得水在孔隙中持续冲刷和挤压混合料中的沥青和集料，最终导致沥青与集料的黏附性下降，路面开始出现坑洼、掉粒、孔洞等病害，严重降低沥青路面的服役寿命。本文通过浸水马歇尔稳定度和冻融劈裂来评价沥青混合料的水稳性能。

2.4.1马歇尔残留稳定度

残留稳定度试验是通过对比马歇尔试件浸水前后的稳定度来反映沥青混合料的抗水损害能力。其常规稳定度、浸水稳定度、残留稳定度，试验结果见表6。

表6 浸水残留稳定度试验结果

由表6可得，加入了阻燃温拌剂的沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度达到91.56%，远超热拌沥青混合料浸水残留稳定度80%的技术要求。

2.4.2冻融劈裂

冻融劈裂试验是通过测试马歇尔试件冻融前后的劈裂抗拉强度来反映沥青混合料的抗水损害能力，其常规劈裂抗拉强度、冻融劈裂抗拉强度、冻融劈裂抗拉强度比，试验结果见表7。

表7 冻融劈裂试验结果

由表7可得，加入了阻燃温拌剂的沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比达到87.52%，远超热拌沥青混合料75%的技术要求。

2.5 机理分析

由上述实验结果可知，本研究制备的新型复合阻燃温拌沥青混合料具有良好的路用性能，其高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害性能均显著超过了JTG F40-2004 《公路沥青路面施工技术规范》的要求。在级配一定的情况下，沥青胶浆的模量越大，则其流动活化能也越大，抵抗高温变形能力越强。由于在沥青中加入3%有机硅改性层状双金属氢氧化物LDHs、3%石墨烯和0.5%温拌剂Sasobit，相当于增加了胶浆的粉胶比，因此赋予沥青混合料较好的高温稳定性。而在这3种外加剂中，Sasobit是一种新型聚烯烃类改性剂，属于低熔点的有机外加剂，可以使沥青在相对较低的温度下达到需要的黏度。而阻燃剂中LDHs有效成分及石墨烯均具有层状结构，对沥青有良好的润滑效果，促进沥青层间剪切，使沥青具有良好的流动性，增强沥青与集料的黏附能力，提高沥青胶浆在低温下的韧性应变，因此使温拌阻燃沥青混合料可以保持良好的抗水损害性能与低温抗裂性能。

2.6 燃烧性能

目前聚合物材料阻燃性能的测试方法主要有极限氧指数、UL94法、锥形量热法、烟密度及热分析法等。沥青的燃烧和实际路面混凝土的燃烧方式存在差异，因此沥青的阻燃性能用LOI表征，沥青混合料的阻燃性能用锥形量热表征；UL94法是主观性较强的试验，对火焰判断会造成试验的较大误差；锥形量热法能够准确评价材料燃烧性和阻燃性，并提供烟密度、吸收、释放热量、引燃时间等参数，但车辙板制作过程繁琐，试验结果涉及试件成型手法，单个试件成本较高，因此该方法未能推广应用。

马歇尔试件相较于车辙板试件而言，表面积小，汽油较集中，不能很好地模拟实际路面燃烧情况。车辙板的表面远大于马歇尔试件表面，可以较合理地模拟实际路面燃烧情景，故对沥青混合料的车辙板试件进行完全燃烧试验。试验方法为：在2种沥青混合料制成的车辙板试件上均匀浇洒50 mL汽油后点燃，记录点燃时间，观察燃烧现象。试验结果及现象分别见表8和图5。

表8 车辙板燃烧时间 s

图5 车辙板燃烧现象 (左：阻燃温拌沥青混合料，右：AH-90基质沥青混合料)

由表8可见，掺加了阻燃温拌剂的沥青混合料燃烧时间较长，比基质沥青混合料延长近10 s。从图5可见，刚加入汽油阶段，2种沥青混合料车辙板试件的燃烧状况相似，均剧烈燃烧，这是因为参加燃烧的仅仅是汽油，冒出的黑烟是汽油燃烧不充分时的黑烟；当继续燃烧，部分沥青已开始参与燃烧，温拌阻燃沥青中的阻燃剂也开始发挥作用，火势得到缓解，发烟量也得到抑制，从而达到阻燃的目的。

3 结论

1) 添加阻燃温拌剂的沥青混合料的基本性能均符合相关规范要求，添加阻燃温拌剂的沥青混合料的残留稳定度增加了11.56%，冻融劈裂强度比增加了12.52%，说明阻燃温拌剂对混合料的水稳定性有一定的促进作用。

2) 无论拌和温度还是压实温度，温拌阻燃沥青比基质沥青要下降10 ℃左右，这表明采用温拌阻燃沥青可以有效地降低沥青混合料的拌和及压实温度，从而实现温拌的目的。

3) 利用有机硅改性层状双金属氢氧化物LDHs、石墨烯和温拌剂Sasobit与AH-90重交石油沥青均匀混合得到阻燃温拌改性沥青，并进一步制备出AC-13型沥青混合料，其混合料各项性能指标均优于传统基质沥青混合料。