溫拌阻燃瀝青混合料優化設計與性能評價

楊銳　周啟偉　王磊　袁明園

摘要：為開發阻燃性能較好、適用于隧道路面的瀝青混合料，基于正交試驗設計，確定溫拌劑、阻燃劑的最佳質量分數，設計溫拌阻燃瀝青混合料并進行路用性能評價；試驗確定溫拌阻燃瀝青混合料最佳拌和溫度與壓實溫度，并評價其路用性能、抗疲勞性能及阻燃性能。結果表明：溫拌阻燃瀝青混合料的最佳拌和溫度為150 ℃，最佳壓實溫度為140 ℃；其水穩定性及抗疲勞性能均得到顯著改善，高溫、低溫性能得到一定提高；從燃燒時間、質量損失水平及殘留穩定度等參數分析表明，溫拌阻燃瀝青混合料可增加路面材料的阻燃性能，提高火災事故后道路材料的基本路用性能，可為溫拌阻燃瀝青混合料在隧道工程中的應用提供參考。

關鍵詞：道路工程；溫拌阻燃瀝青；路用性能；阻燃性能

中圖分類號：U416.217文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2024）01-0049-07

引用格式：楊銳，周啟偉，王磊，等.溫拌阻燃瀝青混合料優化設計與性能評價［J］.山東交通學院學報，2024，32（1）：49-55.

YANG Rui， ZHOU Qiwei， WANG Lei， et al. Optimization design and performance evaluation of flame-retardant warm-mix asphalt mixture［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（1）：49-55.

0 引言

目前大多數隧道均采用瀝青路面，因隧道空間狹小，通風不佳，鋪筑瀝青混合料時危害氣體難以散去，一旦出現火情，更易產生有毒氣體和煙霧，對人員健康安全造成較大威脅[1-4]。因此，需研發具有抑煙阻燃作用的隧道瀝青路面材料。

20世紀90年代，研究人員發現溫拌瀝青可顯著降低溫室氣體的排放[5-6]，已研發多種降低瀝青拌和溫度的添加劑及方法，并在歐洲大規模推廣以溫拌瀝青混合料為主要鋪筑材料的道路[7]。Hou等[8]、Alimohammadi等[9]通過試驗研究不同溫拌劑質量分數下瀝青混合料的性能，發現溫拌劑與瀝青的質量比為0.025%的瀝青混合料的最低拌和溫度可達129 ℃，最低碾壓溫度為110 ℃。Li等[10]對比分析熱拌瀝青混合料和添加Sasobit溫拌劑的溫拌瀝青混合料的廢氣排放水平及抗車轍能力，結果表明添加溫拌劑后廢氣排放明顯減少，拌和溫度可降低25 ℃，抗車轍能力相差不大。牛蘢昌等[11]、申愛琴等[12]測試7種摻加不同溫拌劑和抑煙阻燃劑的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene butadiene styrene，SBS）改性瀝青及輝綠巖集料的表面能，基于表面能理論計算分析瀝青與集料匹配性指標，發現溫拌劑與瀝青的質量比為0.007%、抑煙阻燃劑與瀝青的質量比為0.14的SBS改性瀝青與集料間黏附性最佳，瀝青混合料水穩定性最好。龍云霄等[13]、喬建剛等[14]通過表面改性制備新型復合阻燃劑BPN-Ti，基于氧指數、煙密度及低溫延度試驗確定阻燃劑的合理用量，并通過對比試驗分析表面改性對改性瀝青的阻燃性、抑煙性、存儲穩定性及路用性能的影響。蔣瑋等[15]、王春等[16]、何立平等[17]、王朝輝等[18]基于試驗設計確定溫拌劑和阻燃劑與瀝青的合理質量比、拌和溫度及剪切速率，采用紅外熱成像儀評價溫拌阻燃瀝青混合料的阻燃效果，并通過路用性能試驗分析發現溫拌阻燃瀝青混合料的長期水穩定性和抗疲勞性能有所降低，高溫穩定性和低溫穩定性均有提升?，F階段針對溫拌阻燃瀝青混合料的研究主要集中在添加劑、單一成分與瀝青的質量比及路用性能方面，針對2種添加劑的復配混合設計及瀝青混合料耐久性等的研究較少。

本文基于正交試驗設計，得到2種添加劑與瀝青的復配最佳質量比，優化設計溫拌阻燃瀝青混合料級配，評價瀝青混合料的路用性能、疲勞性能及阻燃性能，以期為溫拌阻燃混合料在隧道工程中的應用提供依據。

1 原材料性能

選擇SBS改性瀝青，基本性能測試結果如表1所示。粗集料、細集料物理力學性能指標如表2、3所示。石灰石磨細制成石灰巖礦粉，技術指標如表4所示。某A型阻燃瀝青改性劑的性能指標如表5所示。HH-XII型溫拌劑為棕綠色黏稠液體，主要成分為表面活性劑，密度為0.99～1.01 g/cm pH值為8～1 基質瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料的降溫幅度分別為10～30 ℃、20～40 ℃。

由表1～5可知本文試驗所用原材料性能均滿足文獻[19]要求。

2 施工參數正交試驗確定方法

基于相關正交試驗設計，確定溫拌劑、阻燃劑與瀝青的合理質量比和溫拌阻燃瀝青混合料的最佳拌和溫度，優化工藝參數。以溫拌劑與瀝青的質量比A、阻燃劑與瀝青的質量比B與溫拌阻燃瀝青混合料的拌和溫度C為影響因素，根據推薦最佳用量和工程經驗，每個影響因素確定3個水平，正交分析各因素對瀝青性能的影響。各正交試驗影響因子和水平為：A1～A3分別為5%、6%、7%，B1～B3分別為7%、9%、11%，C1～C3分別為140、150、160 ℃。選擇L9（34）正交表進行試驗和極差分析，結果如表6、7所示。

由表6、7可知：針入度、5 ℃延度和氧指數隨溫拌劑質量分數的增大而減小，軟化點隨溫拌劑質量分數的增大而增大，說明溫拌劑摻量過高對瀝青性能不利。瀝青的5 ℃延度和針入度隨阻燃劑的質量分數的增大而降低，軟化點和氧指數則相反；溫拌劑的質量分數對針入度、5 ℃延度的影響較大，阻燃劑的質量分數對軟化點、氧指數的影響較大，拌和溫度對各指標影響較??；方案6的瀝青性能最佳，確定溫拌劑、阻燃劑與瀝青的最優質量比分別為0.06、0.1 拌和溫度為140 ℃。

3 溫拌阻燃瀝青混合料配合比及施工溫度

3.1 配合比設計

選擇AC-13級配瀝青混合料，確定規范要求的級配范圍，篩分粗、細集料并設計級配，通過試算，確定粒徑分別為>9.5～13.2、>4.75～9.5、>2.36～4.75、0～2.36 mm的礦料與礦粉的質量比為35：15：18：27：5，合成級配曲線如圖1所示。

選擇SBS改性瀝青，溫拌劑及阻燃劑與瀝青的質量比分別為0.06、0.1 根據規范要求制備試樣，進行室內馬歇爾試驗，試驗結果如表8所示。

參考最佳油石比確定步驟，計算得到瀝青與礦料的最佳質量比為0.046 8。綜合考慮各項指標試驗結果，結合工程實踐經驗，確定最佳油石比為4.6%。

3.2 拌和與壓實溫度

空隙率反映路面的壓實效果，空隙率過大將導致路面二次壓實形成車轍，水更易進入路面造成水損壞。溫度對溫拌阻燃瀝青混合料的影響較大，需確定壓實溫度和溫拌阻燃瀝青混合料空隙率的相關關系，以此得到溫拌阻燃瀝青混合料最佳拌和溫度和最佳壓實溫度。設置壓實溫度分別為120、130、140、150、160 ℃（每組混合料的拌和溫度均比壓實溫度高10 ℃），摻加溫拌劑和阻燃劑后分別拌和溫拌阻燃瀝青混合料，制備試件并測試空隙率，結果如圖2所示。

由圖2可知：溫拌阻燃瀝青混合料的空隙率隨壓實溫度升高而減??；160 ℃壓實普通熱拌瀝青混合料時，空隙率為4.0%；擬合公式中，138 ℃下壓實溫拌阻燃瀝青混合料時，空隙率為4.0%，比普通熱拌瀝青混合料的壓實溫度低22 ℃。分析圖2中空隙率與壓實溫度的關系，最佳壓實溫度為140 ℃，最佳拌和溫度為150 ℃。

4 溫拌阻燃瀝青混合料性能試驗及分析

4.1 試驗設計

測試瀝青混合料的路用性能時，按文獻[20]中T 0703的要求成型馬歇爾試件和車轍板試件，按T 0719方法測試高溫穩定性，按文獻[20]中T 0715D的方法測試低溫穩定性，按文獻[20]T 0709和T 0729方法測試水穩定性，按文獻[20]T 0739的方法評價疲勞性能，采用應變控制方法，選用應變分別為2×10-4、4×10-4、6×10-4。

燃燒試件，模擬車輛漏油或其他原因引發的道路火災事故，評價瀝青混合料的阻燃性能。試件在汽油中浸泡10 s，點燃后測定燃燒時間，燃燒后把試件放在通風的地方，5 h后測定試件的質量損失，測試車轍板的動穩定性。馬歇爾試件的殘留穩定度

Ms0=Ms1/Ms×100%，

式中：Ms1為馬歇爾試件燃燒后的穩定度，Ms為馬歇爾試件燃燒前的穩定度。

車轍板試件的殘留穩定度

MsD=MsD1/MsD0×100%，

式中：MsD1為車轍板燃燒后的動穩定度，MsD0為車轍板燃燒前的動穩定度。

4.2 路用性能試驗結果

對各組試件進行車轍試驗，溫拌阻燃瀝青混合料3組平行試件的動態穩定度分別為4 426、4 382、4 315次/mm，熱拌SBS改性瀝青混合料3組平行試件的動態穩定度分別為4 487、4 395、4 345 次/mm。溫拌阻燃瀝青混合料的動態穩定度與熱拌SBS改性瀝青混合料之差小于1%，說明在瀝青混合料中加入2種添加劑不會明顯降低混合料的高溫穩定性，2種添加劑對瀝青混合料的高溫性能影響較小。

分別對2種瀝青混合料進行低溫彎曲試驗和水穩定性能試驗，結果如表9、10所示。

由表9可知：加入2種添加劑對瀝青混合料的低溫性能無顯著影響，低溫彎拉應變小幅減小，抗彎拉強度小幅增大，彎曲勁度模量波動幅度較小。說明加入2種添加劑可在一定程度上改善瀝青混合料的低溫性能。

由表10可知：加入2種添加劑在一定程度上改善了溫拌阻燃瀝青混合料的水穩定性能。相比于SBS改性瀝青混合料，溫拌阻燃瀝青混合料的30 min、48 h穩定度指標均得到改善，殘留穩定度提高3%。溫拌阻燃瀝青混合料的未凍融、凍融劈裂強度均高于SBS改性瀝青混合料，前者的凍融劈裂強度比遠超過規范要求（80%），比后者提高約2%。加入2種添加劑可提高瀝青混合料的水穩定性，有利于溫拌阻燃瀝青混合料的抗水損壞性能。

4.3 疲勞性能

熱拌SBS改性瀝青混合料和溫拌阻燃瀝青混合料的疲勞性能試驗結果如圖3所示。

由圖3可知：2種瀝青混合料的疲勞壽命隨應變的增大均縮短。同種應變下，熱拌SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命更高，低應變水平下差距更明顯，應變為2×10-4水平下，溫拌阻燃瀝青混合料的疲勞壽命比熱拌SBS改性瀝青混合料高約2倍，說明加入溫拌劑、阻燃劑可顯著改善瀝青混合料的疲勞耐久性能。

4.4 阻燃性能

分別對2種馬歇爾試件和車轍板試件進行燃燒試驗，測定燃燒時間，結果如圖4所示。分別分析2種車轍和馬歇爾試件燃燒試驗后的質量損失，結果如圖5所示。

由圖4可知：溫拌阻燃瀝青混合料試件的燃燒時間明顯縮短，僅有部分試件的燃燒用時比熱拌SBS瀝青混合料試件長。原因是部分試件浸潤汽油時，因表面結構的特點吸附較多汽油，燃燒時間變長。馬歇爾試件的燃燒用時約為20～40 s，明顯低于熱拌瀝青混合料；溫拌阻燃瀝青混合料制備的車轍板試件的燃燒用時比熱拌SBS改性瀝青混合料試件縮短約60 s，說明前者的阻燃效果較好。試件的主要燃燒物質為汽油，阻燃劑混合在瀝青內部，未暴露時不會影響燃燒時間。車轍板試件的體積比普通馬歇爾試件大，附著更多汽油，燃燒時間明顯延長。瀝青成為燃燒主體時，阻燃劑釋放，減緩、削弱了瀝青燃燒過程。

由圖5可知：相比普通熱拌SBS改性瀝青試件，溫拌阻燃瀝青混合料制備的馬歇爾、車轍板試件質量損失分別減少40.6%、46.6%。根據氧化分解反應機理，外側瀝青燃燒分解后，附著在瀝青內部的阻燃劑釋放，發揮阻燃作用，瀝青材料本身的燃燒時間減少，試件的質量損失減小。實際隧道路面發生火災時，瀝青燃燒會產生大量的致癌氣體，采用溫拌阻燃瀝青混合料可大大減少致癌氣體的排放量，減輕隧道內路面發生火災造成的生態危害。

分別計算車轍板試件和馬歇爾試件燃燒試驗后的穩定度變化，結果如表11所示。

由表11可知：溫拌阻燃瀝青混合料制備的馬歇爾試件、車轍板試件燃燒后殘留穩定度比SBS改性瀝青混合料分別提高5.2%、6.5%。說明加入2種添加劑未改變瀝青混合料的高溫性能，顯著改善溫拌阻燃瀝青混合料的阻燃效果。

集料間相互接觸形成的嵌擠結構決定材料的高溫性能，燃燒過程不會對嵌擠作用產生影響，因此溫拌阻燃瀝青混合料的高溫性能未受影響。但燃燒過程中瀝青分解，黏結作用降低，試件的穩定度減小。加入溫拌劑和阻燃劑可減緩瀝青質量損失，汽油燃燒完全后，試件仍具有較高的殘留穩定度，說明加入2種添加劑可顯著改善溫拌阻燃瀝青混合料的阻燃性能。

5 結論

1）基于正交設計，分析溫拌劑、阻燃劑2種添加劑與瀝青的質量比及拌和溫度對瀝青性能的影響，確定2種添加劑的最優質量比分別為0.06、0.11。

2）通過配合比設計綜合確定最佳油石比為4.6%，基于溫度與瀝青混合料空隙率的相關關系，確定最佳拌和溫度為150 ℃，最佳壓實溫度為140 ℃。

3）設計試驗評價溫拌阻燃瀝青混合料的路用性能、耐久性能及阻燃性能，加入2種添加劑可顯著提高溫拌阻燃瀝青混合料的水穩定性，高溫及低溫性能得到一定提升；各種加載條件下試件的疲勞壽命均遠超過普通AC-13瀝青混合料；通過多個指標參數分析瀝青混合料的阻燃能力，表明加入添加劑可顯著改善溫拌阻燃瀝青混合料的阻燃性能。

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Optimization design and performance evaluation of flame-retardant warm-mix asphalt mixture

YANG RuiZHOU Qiwei2， WANG LeiYUAN Mingyuan2

Abstract：To develop asphalt mixtures with good flame-retardant performance for tunnel pavement， an orthogonal?experimental design is conducted to determine the optimal mass fractions of warm mix additives and flame retardants. The warm-mix flame-retardant asphalt mixture is designed and evaluated for its road performance. The optimal mixing and compaction temperatures for the warm mix flame-retardant asphalt mixture are determined through experiment， and its road performance， fatigue resistance， and flame retardation are evaluated. The results show that the optimal mixing temperature is 150 ℃， and the optimal compaction temperature is 140 ℃. The water stability and fatigue resistance of the warm mix flame-retardant asphalt mixture are significantly improved， and its performance at high and low temperatures is also enhanced. Analysis of parameters such as combustion time， mass loss， and residual stability indicate that the warm mix flame-retardant asphalt mixture can increase the flame retardation of road materials， and improve the basic road performance of materials after fire accidents， and provide data foundation for the application of warm mix flame-retardant asphalt mixtures in tunnel projects.

Keywords：road engineering; warm-mix flame-retardant asphalt; road performance; flame retardancy

（責任編輯：王惠）

收稿日期：2022-12-10

基金項目：重慶市科學技術局技術創新與應用發展專項援藏項目（CSTB2022TIAD-GPX0006）；安徽省高校自然科學研究項目（2022AH052459，2023AH052969，2023AH052972）；全國交通運輸職業教育教學指導委員會項目（LQZZW20221 LQZWH202310）；安徽省職業與成人教育學會課題（AZCJ2023150）

第一作者簡介：楊銳（1986—），女，河南漯河人，講師，工學碩士，主要研究方向為道路工程，E-mail：695749271@qq.com。