抗滑、阻燃、降噪沥青混合料(AFNA)在隧道路面中的应用

李青芳

(陕西交通职业技术学院公路工程系,陕西 西安 710018)

0 引 言

近几年,通过相关调查发现隧道内部一旦发生交通事故,引起车辆火灾,将造成严重的人员伤亡与经济损失。如对浙江省隧道及交通事故进行调查发现,在全省的31座隧道中,水泥混凝土路面铺装24座,沥青路面铺装7座,全长约32.9 km,占全省高速公路总里程的4.6%,而事故率却占到了13.7%。因此,对隧道铺装提出了很高的要求,铺装材料与结构不但要求良好的路用性能和足够耐久性,还应符合以下几点要求:

(1)路面抗滑性能好,特别在潮湿环境下的抗滑性能,降低交通事故率;

(2)具有优异的防火阻燃功能,甚至对于隧道火灾具有一定的控制作用,降低隧道火灾中人员伤亡和经济损失;

(3)具有一定的降噪功能,提高隧道路面的行车舒适性。

沪蓉西(湖北宜昌-重庆万州)高速公路建设项目是迄今为止湖北省投资最大、工程最为艰巨、地质最为复杂、建设周期最长的高速公路建设工程,也是近几年全国建设难度最大的高速公路项目之一。隧道比例达到27.6%,对隧道铺装采取必要的阻燃处理,并提高磨耗层的抗滑、降噪功能对提高隧道行车的安全性和舒适性有重大意义。

1 路面结构

1.1 原设计路面结构

1.2 变更后推荐方案

从以上结构图中可以看出,变更方案仅对磨耗层材料进行变更,铺装层的结构不发生任何变化。

2 抗滑、阻燃、降噪沥青混合料(AFNA)性能

抗滑、阻燃、降噪沥青混合料(AFNA)是在大孔隙沥青混合料基础上开发的。开级配沥青磨耗层(Open-graded Asphalt Friction Course,OGFC)是一种采用开级配矿料级配设计,自身具有大量连通孔隙的沥青路面材料,其空隙率多在18%～25%,能够有效排除路面积水,消除弦光、水雾,提高路面的雨天行车舒适性与安全性,由于大空隙连通孔结构,OGFC能够吸收噪声、消除轮胎与车辆的泵浦效应,对于路面降噪非常有效,同时发达的表面构造改善了路面的抗滑性能,降低道路交通事故率。因此,该方案被欧美国家广泛采用,并被证明是降噪及抗滑的最佳路面材料。抗滑、阻燃、降噪沥青混合料(AFNA)是按以下设计思路开发的。

2.1 阻燃性能

据调查,隧道火灾主要是由液体可燃物泄露并燃烧引起的,针对隧道火灾中汽油等可燃液体提出利用OGFC的大空隙排除路面汽油以消除或抑制汽油等可燃液体火灾,达到阻燃和人员逃生的目的,即在大孔隙沥青混合料的基础上,在混合料中加入一种在特定温度下(250℃～300℃)受热分解的无机阻燃矿物材料,通过热分解降低环境燃烧温度[1]。采用无机阻燃矿物粉体替代一定比例的矿粉,进一步提高沥青混合料的阻燃能力。

2.2 抗滑、降噪性能

排水(排油)、抗滑、降噪对空隙率、孔结构及骨料粒径等指标的要求也存在一定差别,通过对不同空隙率和孔结构条件下大孔隙沥青混合料的阻燃、抗滑、降噪性能的对比研究和数理回归分析,优化开发出集阻燃、抗滑、降噪于一体的多功能沥青混合料AFNA[2]。

2.3 路用性能

针对大孔隙沥青混合料单一级配带来的力学性能[3],特别是劈裂抗拉强度和抗剪强度下降的问题,开发出高粘度改性沥青,提高了大孔隙沥青混合料的路用性能和耐久性能。

3 抗滑、阻燃、降噪沥青混合料(AFNA)材料组成

3.1 原材料

3.1.1 集料

采用坚硬、吸水率低、破碎粒形好的玄武岩或辉绿岩。

3.1.2 填料

石灰石矿粉,符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求。

3.1.3 高粘度改性沥青

由国创生产的高粘度改性沥青,满足指标要求如表1。

表1 高粘度改性沥青技术指标

3.1.4 AMZD阻燃剂

(1)掺量:矿料质量的3%,替代等量矿粉。

(2)技术指标要求:

阻燃性能:与沥青按质量比1∶1混合后,沥青胶浆氧指数大于24%;

燃烧烟气毒性:安全二级;

物理性能:符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中对沥青混合料的相关要求。矿物阻燃剂物理性能要求如表2所示。

3.1.5 阻燃矿物纤维

(1)掺量:沥青混合料质量的0.3%;

(2)技术指标要求:

阻燃性能:阻燃矿物纤维与沥青按1∶15混合后胶浆氧指数不降低,并有略微升高。沥青路面中常用的纤维稳定剂为木质素纤维和聚合物纤维,两种纤维均为易燃物,加入沥青后会降低沥青的氧指数,表3为项目试验结果。阻燃碱性矿物纤维物理性能要求如表4所示。

表2 矿物阻燃剂物理性能要求

3.2 配合比设计

3.2.1 矿料级配

施工配合比将在材料确定后施工单位进行确定,目标配合比如表5所示。

3.2.2 沥青用量

最佳油石比为4.7%～4.9%,具体沥青用量在施工配合比设计过程中确定。

表3 掺加纤维后沥青胶浆氧指数

表4 阻燃碱性矿物纤维物理性能要求

表5 抗滑、阻燃、降噪沥青混合料(AFNA-16)合成级配

4 抗滑、阻燃、降噪沥青混合料(AFNA)性能分析

4.1 阻燃性能

4.1.1 模拟燃烧试验

(1)逃逸汽油量及燃烧时间

进行标准车辙试件在100 g汽油下的燃烧试验,在试验前称出试件的总重量,等燃烧结束后再称出试件的重量,两者的差值为试件的逃逸汽油量。燃烧时间使用秒表记录,从点火开始计时,看不到明火时为终止时间。测试结果如表6所示。

表6 100g汽油燃烧逃逸汽油量

研究结果表明,各种路面材料中SMA-13的燃烧时间最长,AC-13与 C30水泥混凝土次之,而AFNA-13沥青混合料的燃烧时间远远低于其他路面材料,表现出优异的阻燃性能。在逃逸汽油测试结果中,AFNA-13的逃逸汽油量最高,在80%～90%之间,远远高于其他三种路面材料。说明AFNA-13沥青混凝土路面在火灾发生后能够逃逸大量的汽油,这样就大大减少了燃烧物质,起到了很好的阻燃效果。

(2)燃烧温度评价

把100 g汽油浇在试块上,迅速点火并进行动态温度监控,温度采集点分别为试块表面中心和试块正上方30cm处,红外线温度感应器测定试块表面中心温度,热电偶测定试块上方30cm处空气温度。根据动态温度监控采集的各点温度,绘制曲线图,根据采集的温度,找出其峰值温度,具体数据见表7,并分析四种路面材料各点温度变化趋势,对比四种路面材料的阻燃性能。

表7 100g汽油燃烧时各路面材料峰值温度

根据上面两图找出各材料燃烧时的峰值温度,比较燃烧性能。AFNA-13的各点温度均处于较低水平。

由图1、图2可知,增加汽油用量后,四种路面材料各点的温度均有较大的提高,AC-13的表面温度甚至达到了512.2℃,其上方空气温度也高达278℃。相对来讲AFNA-13沥青混凝土路面材料仍然保持较低的水平,其表面温度为172.5℃,试件上方温度为42℃。燃烧温度稍有增加,仍远远低于其他三种路面材料的燃烧时间。在较大的汽油用量下,AFNA-13还是表现出非常好的阻燃性能,大大优于其他三种路面材料。

图1 汽油燃烧试验表面温度变化

图2 3100g汽油燃烧试验表面温度变化

4.1.2 比光密度测试

汽油燃烧过程中,隧道模拟燃烧系统内的透光率,通过光密度评价在不同路面材料在表面汽油燃烧状况下的发烟量,烟气包括汽油自身燃烧产生的烟气及沥青混合料在高温下自身燃烧产生的烟气,AFNA-13的原材料都经过阻燃处理或选用难燃材料,所以理论上AFNA是无法燃烧的,试验将有效评价AFNA抑制汽油火灾的能力。试验测试结果如图3,研究结果表明,AFNA不但可以有效抑制汽油的燃烧,而且大大减少烟气的产生,比光密度在20以下,透光率仍保持在70以上,这对于隧道火灾中人员的逃生是非常重要的,采用AFNA隧道路面材料作为高等级公路隧道面层,不但可以有效降低火灾损失,还有利于人员的逃生及火灾的扑救。

4.2 降噪性能

降噪性能试验数据为湖北汉新高速公路试验段实测值,如表8,表9所示。

图3 封闭燃烧试验烟密度变化

表8 车外噪声试验测试结果

表9 车内噪声测试结果

通过车外、车内噪声测试均表明多孔沥青路面材料能够有效消除噪声,提高路面的行车舒适性,随着车辆行驶速度的提高,降噪效果愈加明显,可见采用多孔沥青路面结构不但对于减少环境噪声十分有利,而且对于降低车辆行驶过程中的内部噪声,提高行车的舒适性,减少驾车疲劳,提高车辆行驶的安全系数也是非常有益的。

4.3 抗滑性能

抗滑性能试验数据为湖北汉新高速公路试验段实测值,抗滑性能测试分为两方面,首先在干燥路面状况下的构造深度及摆值测试,然后采用洒水车将路面淋湿,潮湿路面状况下进行摆值测试。测试结果如表10所示。

试验段测试结果表明,多孔沥青混合料的表面构造深度大,摆值BPN值明显高于一般的AC-13C型沥青混凝土,抗滑性能优异,所以,采用AFNA级配设计方法设计的试验路段的抗滑性能优异,特别是在潮湿环境下,明显优于普通的沥青路面材料,这对于提高隧道路面的行车安全性,降低交通事故发生率具有重要意义。

表10 试验路段抗滑性能测试

4.4 路用性能

表11中所示AFNA室内试验及试验段取样试验结果可以看出,并与SMA-13路用性能进行对比,AFNA完全可以满足大型公路隧道及跨江海隧道路面的结构使用性能与功能性要求。

5 经济性分析

从表12中可以看出,虽然每吨AFNA混合料的价格高于阻燃SMA-16,但由于其密度小,所以其单方造价基本与阻燃SMA-16持平。考虑到其阻燃、降噪、抗滑性能均优于阻燃SMA-16,故其拥有更高的性价比。

表11 试验路段路用性能测试结果

表12 AFNA经济性分析

6 结 语

如今沪蓉高速公路已通车使用1年多,通过实践证明,抗滑、阻燃、降噪沥青混合料(AFNA)在隧道路面中的应用具有很好的实用性能和经济价值,值得同行参考。

[1]陆学元,等.隧道阻燃改性沥青上面层(AC-13C)路用性能研究[J].中外公路,2008,28(2):180-185.

[2]刘新权,等.隧道多孔结构沥青混凝土面层防火性能的试验研究[J].公路,2008,(12):9-12.

[3]赵志斌,等.长江隧道刚性基层沥青路面结构阻燃特性[J].华中科技大学学报(自然科学版),2010,38(3):100-103.