李红刚， 季学文， 王丽丽， 沈菊男

(苏州科技大学 生态道路技术产业化工程研究中心，江苏 苏州 215000)

1 概述

随着我国交通运输业的迅速发展，公路隧道工程越来越多。沥青路面因其具有良好的平整性、抗滑性 、安全性、舒适性、降噪性和易养护等优点，在隧道路面工程中得到广泛运用。但沥青路面在隧道的应用中也存在一些缺点，主要包括两方面：一方面是在施工上，沥青在高温条件下会产生大量的烟雾，由于隧道封闭狭窄的环境使得沥青烟雾更容易聚集，这不仅会降低隧道可见度影响施工质量，更重要的是一些有毒的挥发性气体会侵害施工人员的健康并造成环境污染，这会给隧道的施工带来相当不利的影响。另一方面是在养护与使用上，由于沥青具有可燃性，在隧道工程中尤其是大型公路隧道和海底隧道的使用中存在一定的火灾安全隐患。因此研发降温效果较好的温拌沥青和高效、低毒、低烟雾的阻燃剂，以便将沥青路面更好应用于隧道路面的铺设中已经成为全世界相关研究人员的共识。近年来，专家和学者将沥青温拌技术和阻燃技术应用于隧道中的研究越来越多。

沥青温拌技术能够在满足路用性能的前提下，有效地降低施工温度、节约能源并减少环境污染。德国将Aspha-min温拌剂首次应用于公路上，铺设了世界上第1条温拌沥青混合料路面，同年冬季，德国又铺设了另一高等级道路，经过现场研究人员的统计，这种生产方法减少了大概30%的燃油消耗且该路面的路用性能指标未受到影响[1-2]。美国国家沥青研究中心也对温拌沥青进行了深入透彻的研究并阐明了其降温的可行性[3-4]。陶秋霖[5]将温拌剂Evotherm应用于隧道路面上，研究结果表明Evotherm温拌沥青混合料除水稳定性和低温性能略有下降外，其余各项使用性能与热拌混合料相差不大，但沥青烟、CO2、CO排放量下降明显。王春[6]结合隧道沥青路面的特点，对添加阻燃剂后的温拌沥青混合料的路用性能进行了对比分析，结果表明温拌沥青混合料完全可以满足隧道路面使用要求。赵馨鑫[7]将F-2与Sasobit温拌剂应用于隧道路面的铺设中，研究发现两种温拌剂都能明显降低沥青混合料的拌和温度，能有效减少一氧化碳、二氧化硫等的有害气体的排放。陈伟[8]对添加了Sasobit、Leadcap、DAT等3种温拌剂的沥青混合料降温效果和沥青烟排放量进行测试。结果表明温拌混合料在保证路面质量的前提下，能达到节能减排与无烟化施工的目的。

阻燃技术能够有效地抑制沥青路面燃烧、减少烟气的生成。HAGEMAN[9]研究发现加入NaHCO3可以降低沥青可燃性。BONATI[10]等研究发现影响沥青混合料燃烧性能的主要因素是矿料级配，将氢氧化镁、氢氧化铝与有机蒙脱土共同复配代替矿粉加入沥青混合料中，能明显提高沥青混合料的阻燃能力。金帆[11]对阻燃温拌沥青混合料隧道路面材料进行研究，研究结果表明使用ZAM无机阻燃剂能提高上面层沥青混合料的阻燃性能；李怀海[12]研究发现添加沥青含量5%的新型APFR阻燃剂于SBS改性沥青中，能够满足隧道的阻燃、抑烟的要求。徐婷[13]研究发现膨胀型阻燃剂的抑烟性能比卤素阻燃剂好。刘新权[14]提出以大空隙率结构阻燃为主，阻燃沥青胶浆材料为辅的设计思路来解决隧道路面阻燃和降噪问题。

鉴于此，本文将沥青温拌技术和阻燃技术相结合，开发出1种高性能且降温效果良好的温拌阻燃SMA-13沥青混合料，并以苏州春申湖路某隧道试验路段为依托取得了良好的效果，希望为以后的隧道铺设工程提供有益的参考。

2 试验材料与性能

试验选用木质和聚酯纤维作为沥青混合料的添加剂。使用的阻燃剂为中科阻燃生产的阻燃剂，其技术指标如下：25 ℃溶解度不溶于水，pH为中性，25 ℃密度为2.0 g /cm3，粒径5～10 μm。选用的温拌剂是美德维实伟克公司生产的Evotherm M1(以下简称 M1)、阿克苏诺贝尔公司生产的Redise LQ-1102C(以下简称1102),其性能指标如表1所示。使用的集料是来自安徽来安的玄武岩，按照JTGE42-2005《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行性能试验，试验结果均能满足规范要求。

表1 温拌剂M1、1102性能指标Table 1 Performance indicators M1、1102 warm mixers项目颜色密度/(g·cm-3)胺值pHM1 检测值黑琥珀色1.0>5008.11102 检测值褐色1.02.18.6

所用的新型温拌阻燃沥青是采用“湿拌”法先分别添加1102(沥青质量的0.75%)、M1(沥青质量的0.5%)、2种温拌剂制备出温拌沥青，然后再添加阻燃剂(沥青质量的8%)制备的。老化前后温拌阻燃沥青的25 ℃针入度见表2,软化点见表3,5 ℃延度见表4。

表2 老化前后温拌阻燃沥青的25 ℃针入度Table 2 25 ℃ penetration of warm mix flame retardant as-phalt before and after aging种类针入度/(0.1 mm)RTFO前RTFO后残留比/%损失率/%SBS62.048.578.221.71102+阻燃61.450.381.918.1M1+阻燃61.148.879.920.1

表3 老化前后温拌沥青的软化点Table 3 Softening point of warm mix asphalt before and after aging种类软化点/℃RTFO前RTFO后软化点增值/%增值率/%SBS81.788.67.18.71102+阻燃80.684.33.74.6M1+阻燃82.785.52.83.4

表4 老化前后温拌沥青的 5 ℃延度Table 4 5 ℃ ductility of warm mix asphalt before and af-ter aging种类5 ℃延度/cmRTFO前RTFO后延度保留率/%SBS45.623.150.71102+阻燃44.323.552.8M1+阻燃42.822.151.6

与原SBS改性沥青相比添加温拌剂1102、M1和阻燃剂基本不会对沥青的三大指标产生不利影响。经旋转薄膜短期老化后，掺入温拌剂1102、M1的沥青的残留针入度比变大、软化点增加比例减少，延度保留率增加；可以得出温拌剂1102、M1可以提高沥青的抗老化性能。添加阻燃剂后的各沥青极限氧指数试验结果见表5。

表5 极限氧指数试验结果Table 5 Test results of the extreme oxygen index沥青类型极限氧指数/%无有SBS19.622.7110220.523.7M120.324.3

测试结果显示，添加了阻燃剂后的各沥青的极限氧指数均有不同程度地上升。表明阻燃剂的添加可以很好地提升沥青的阻燃性能。

对比于原SBS改性沥青，添加温拌剂1102、M1的新型温拌阻燃沥青的极限氧指数上升，表明温拌剂1102、M1也可以提升沥青的阻燃性能。

3 新型温拌阻燃SMA-13沥青混合料设计

3.1 旋转压实最佳沥青含量试验结果

本文用旋转压实法确定2种温拌剂、2种纤维和其3种掺量的阻燃SMA-13沥青混合料的最佳沥青用量与拌合温度。其结果如图1、图2所示。

图1 木质纤维最佳沥青含量结果

图2 聚酯纤维的最佳沥青含量结果

以空隙率4.0%为控制指标，通过图1、图2的数据和线性方程求得木质纤维最佳沥青用量为5.88%，聚酯纤维的最佳沥青用量为5.7%。

3.2 旋转压最佳压实温度的确定

以旋转压实方法，取180 ℃、165 ℃、150 ℃的3个拌合温度，0.3%、0.15%、0的3种纤维掺量的木质、聚酯2种纤维，1102、M1这2种温拌剂，以4%空隙率来确定新型温拌阻燃沥青的最佳拌合温度。

由表6～表8中数据可知，新型阻燃混合料的降温效果随着纤维掺量的降低不断增强，这是因为

表6 3种掺量木质纤维沥青混合料的体积参数Table 6 Volume parameters of three kinds of wood fiber asphalt mixtures类型压实温度/℃木质纤维掺量/%毛体积相对密度空隙率/%矿料间隙率饱和度1802.4983.6516.876.91650.32.4854.1017.375.21502.4744.4217.573.41802.5063.5316.277.6SBS+11021650.152.4973.8416.776.31502.4804.1117.074.81802.5153.1516.180.016502.5093.5416.478.61502.4993.7816.876.81802.4903.6417.078.31650.32.4804.0117.376.51502.4704.5017.674.81802.5073.3116.579.6SBS+M11650.152.5003.5916.978.31502.4903.9617.176.21802.5203.1416.180.616502.5143.3816.478.91502.5043.6516.777.4

表7 3种掺量聚酯纤维沥青混合料的体积参数Table 7 Volume parameters of three kinds of polyester fi-ber asphalt mixtures类型压实温度/℃聚酯纤维掺量/%毛体积相对密度空隙率/%矿料间隙率饱和度1802.4983.7016.677.61650.32.4864.1517.375.51502.4644.8217.773.21802.5043.5516.277.6SBS+11021650.152.4933.8516.776.31502.4884.1517.074.81802.5153.3515.979.816502.5093.6416.278.41502.4993.8916.777.51802.4993.6516.678.31650.32.4834.0917.076.31502.4674.6417.573.31802.5123.3516.379.5SBS+M11650.152.5053.6916.677.61502.4934.0616.875.61802.5223.2516.179.916502.5133.4516.378.51502.5053.8016.577.1

表8 最佳压实温度的确定Table 8 Determination of optimum compaction tempera-ture类型纤维掺量/%最佳拌合温度/℃0.3169SBS+11020.151530134木质0.3165SBS+M10.1514901320.3170SBS+11020.151560140聚酯0.3168SBS+M10.151530137

纤维对沥青有吸附和加筋作用使得沥青混合料显得很黏稠，因此难以拌合和压实。而同一纤维掺量下温拌剂M1的降温效果优于1102。综合降温效果与空隙率来分析，木质纤维优于聚酯纤维。

4 新型温拌阻燃SMA-13沥青混合料的路用性能

4.1 新型温拌阻燃SMA-13沥青混合料高温性能

随着纤维掺量的增加，新型温拌阻燃SMA沥青混合料的动稳定度不断提高，说明纤维掺量越高，沥青混合料的高温稳定性就越好。木质纤维混合料的高温抗车辙能力优于聚酯纤维。原因是木质纤维沥青含量较高，它在沥青中所形成的网状结构比聚酯纤维的更加均匀结实。不同纤维掺量高温性能见表9。

表9 不同纤维掺量的高温性能Table 9 High temperature properties of different fiber con-tent纤维种类混合料种类不同纤维掺量(%)的动稳定度/(次·mm-1 )0.30.150木质1102+SBS6 6705 6603 550M1+SBS6 7705 5303 670聚酯1102+SBS6 2005 3003 300M1+SBS6 2205 2003 400

4.2 新型温拌阻燃SMA-13沥青混合料低温性能

由表10中数据可知，在同种类型沥青混合料条件下，木质纤维极限弯拉应变大于聚酯纤维，说明了木质纤维沥青混合料的低温性能要优于聚酯纤维。随着纤维掺量的增加新型温拌阻燃SMA沥青混合料的极限弯拉应变与抗弯拉强度都有不同程度的提升，表明纤维的添加可以提高混合料的低温性能。

表10 不同纤维掺量的低温性能Table10 Low-temperature properties of different content纤维种类混合料种类纤维掺量/%极限弯拉应变/με抗弯拉强度/MPa0.33 3008.351102+SBS0.153 1008.15027807.35木质0.33 2008.40M1+SBS0.153 0008.0002 7007.400.33 1008.151102+SBS0.153 0407.8502 7707.20聚酯0.33 0708.25M1+SBS0.152 9007.7502 7057.25

4.3 新型温拌阻燃SMA-13沥青混合料疲劳性能

本文采用底部带有切缝的半圆弯曲试件进行混合料疲劳试验。

根据研究表明，应力比与疲劳寿命的公式为：

Nf=k(1/t)n

式中：Nf为疲劳寿命；t为应力比；k、n为与材料相关的回归系数。

将上式两边取对数，可得到可转化为线性方程：

lnNf=lnk-nlnt

式中： lnk所表示的是曲线的截距，lnk值越大，表明该半圆试件的疲劳寿命越长，其抗疲劳性能就越好。n作为曲线的斜率，反映了半圆试件的疲劳寿命对应力比的敏感程度，n值越大，则表示疲劳寿命对应力比变化越敏感，其疲劳性能就越差。本文用lnk/n来评价各种温拌沥青混合料的抗疲劳性能，lnk/n越大，则表明混合料的抗疲劳性能越好。不同掺量各沥青混合料半圆弯曲静载强度如表11所示。

表11 不同掺量各沥青混合料的半圆弯曲静载强度Table 11 Semi-circular bending static load strength of asphalt mixture with different content混合料种类纤维种类纤维掺量/%疲劳方程lnknlnk/n破坏荷载/kN0.3lnNf=-4.201 0 lnt+1.199 01.199 04.201 00.285 46.56木质0.15lnNf=-4.718 5 lnt+0.551 50.551 54.718 50.116 96.300lnNf=-5.501 2 lnt-0.293 1-0.293 15.501 2-0.053 36.501102+SBS0.3lnNf=-4.554 5 lnt+0.787 30.787 34.554 50.172 95.84聚酯0.15lnNf=-5.057 7 lnt+0.378 70.378 75.057 70.074 94.900lnNf=-5.689 2 lnt-0.363 1-0.363 15.689 2-0.063 86.250.3lnNf=-4.215 3 lnt+1.189 71.189 74.215 30.282 25.65木质0.15lnNf=-4.816 3 lnt+0.555 60.555 64.816 30.115 44.800lnNf=-5.637 4 lnt-0.288 6-0.288 65.637 4-0.051 26.60M1+SBS0.3lnNf=-4.865 3 lnt+0.589 90.589 94.865 30.121 25.85聚酯0.15lnNf=-5.027 5 lnt+0.330 20.330 25.027 50.065 74.880lnNf=-5.753 7 lnt-0.375 5-0.375 55.753 7-0.065 36.30

在同掺量的纤维条件下，对疲劳寿命方程进行分析可知:木质纤维疲劳方程的k值高于聚酯纤维，n值低于聚酯纤维，即木质纤维的疲劳寿命高于聚酯纤维，疲劳寿命反应比聚酯纤维的更迟钝，通过比较lnk/n值，可以发现聚酯纤维的耐疲劳性能比木质纤维的差。

在同种纤维不同掺量下，对疲劳寿命方程进行分析发现:在不同应力比作用下，随着纤维掺量的增加，n值即斜率不断变小， lnk值即截距不断增大。通过比较lnk/n值，表明试件的耐疲劳性能随着纤维量的增大而增强。

5 新型温拌阻燃SMA-13沥青混合料灰色关联分析结果

根据灰色关联分析方法，选择各类型沥青混合料的降温幅度(X1)、动稳定度(X2)、极限弯拉应变(X3)、半圆弯曲强度(X4)、疲劳性能lgk/n值(X5)作为评价指标确定参考数列与比较数列。从这5个性能角度来分析温拌剂、纤维性能与新型温拌阻燃SMA-13混合料性能关联度。其中A、B、C、D、E、F、G、H分别表示：1102+SBS+0.3木、M1+SBS+0.3木、1102+SBS+0.15木、M1+SBS+0.15木、1102+SBS+0.3聚、M1+SBS+0.3聚、1102+SBS+0.15聚、M1+SBS+0.1聚。其参考数列如比较数列如表12所示。

2种纤维的关联度结果为:M1+SBS+0.3木>1102+SBS+0.3木>1102+SBS+0.3聚>M1+SBS+0.3聚>M1+SBS+0.15木>1102+SBS+0.15木>1102+SBS+0.15聚>M1+SBS+0.1聚。见表13。

表12 参考数列和比较数列Table 12 Reference and comparison series序列X1X2X3X4X5A116 6703 3006.500.285B146 7703 2006.600.284C275 6603 1005.840.119D315 5303 0005.850.114E106 2003 1006.250.186F126 2203 0706.300.124G245 3003 0405.650.061H275 2002 9005.650.066

表13 新型温拌阻燃SMA沥青混合料性能关联度Table 13 Performance correlation of new temperate flame retardant SMA asphalt mixture序号关联度序号关联度A(ξ1)0.715E(ξ5)0.706B(ξ2)0.752F(ξ6)0.698C(ξ3)0.652G(ξ7)0.558D(ξ4)0.687H(ξ8)0.536

同类型温拌剂与纤维掺量下，木质纤维总是优于聚酯纤维。从综合降温效果和沥青混合料各种路用性能考虑，添加了温拌剂M1的沥青混合料虽然在某些性能上存在不足，但整体上为最佳的温拌技术，同样的木质纤维为最佳纤维。

6 经济环境效益分析

沥青混合料从高温转为低温，可以降低原材料成本，降低了有害气体和温室气体的排放，有利于对环境的保护。由于温度的降低，改善了生产施工现场环境，保证了现场施工人员的身体健康，因此降低一半纤维掺量具有良好的经济环境效益。因此，M1+SBS+0.15木质纤维为最佳新型温拌阻燃SMA沥青混合料。沥青混合料加热能源消耗如表14所示，1 t沥青混合料气体排放量比较如表15所示。

表14 沥青混合料加热能源消耗Table 14 Heating energy consumption of asphalt mixture混合料种类比热容/[kJ·(kg·℃-1 )]质量 /kg温度/℃能源消耗/MJ初始温度加热温度分项合计天然气消耗/m3M1-SBS-0.3 木沥青2.10602016618.10145.24.4集料0.8494520176127.10M1-SBS-0.15 木沥青2.10602014916.0130.03.9集料0.8494520159114.0

表15 1 t沥青混合料气体排放量比较Table 15 1 t Comparison of gas emissions from asphalt mixtureskg类型CO2排放量CO2减少量NOX 排放量NOX减少量SO2 排放量SO2 减少量M1+SBS+0.3木7.90.80.004 70.000 50.001 10.000 2M1+SBS+0.15木7.10.004 20.000 9

7 新型温拌阻燃SMA-13沥青混合料实际工程应用

本文所设计的新型温拌阻燃SMA-13沥青混合料被用于苏州国际快速物流通道二期工程-春申湖路快速化改造工程元和塘西隧道试验段的左右幅，试验段总长为310 m。因实际工程受气候、环境和施工条件等的影响，部分试验方法和材料用量有所调整。

用挥发性有机化合物气体检测仪对现场烟气进行检测(见图3)：放料热拌时为24 PPM，烟气非常明显；放料新型温拌时显示12 PPM，基本无烟。现场温度测试结果见图4。

图3 施工现场烟气排放检测

试验段的试验结果表明： ① 新型温拌阻燃沥青玛蹄脂混合料可以成功降低现场施工温度20 ℃左右。② 新型温拌阻燃沥青玛蹄脂混合料现场施工可以减低烟气排放50%左右。

(a) 摊铺温度

8 结论

a.阻燃剂不会对沥青性能产生不利影响，温拌剂1102、M1对沥青的高、低温性能影响较小，且能改善沥青的抗老化性能。

b.M1温拌剂的降温效果最好，且纤维掺量越低，降温效果越好。

c.通过灰色关联理论得出新型温拌阻燃SMA-13沥青混合料最优的温拌剂为M1，最佳的纤维为木质纤维，且木质纤维沥青混合料的路用性能均优于聚酯纤维沥青混合料；通过经济环境效益分析得出，纤维掺量为0.15%不仅能节省成本，还能降低 CO2和有害气体的排放。

d.实际工程中试验路段的试验结果表明：选用温拌剂为M1、木质纤维的新型温拌阻燃SMA混合料铺设的隧道沥青路面降温与阻燃效果较好，烟气排放下降明显。因次该沥青混合料可以适应新时代隧道沥青路面的需求。