阻燃温拌SBS改性沥青混凝土耐久性试验研究

周志刚，夏永胜，罗根传，2，俞文生，3

(1.长沙理工大学道路结构与材料交通行业重点实验室，湖南　长沙　410004；2.广西交通投资集团有限公司，广西　南宁　530000；3.江西省高速公路投资集团有限责任公司，江西　南昌　330000)



阻燃温拌SBS改性沥青混凝土耐久性试验研究

周志刚1，夏永胜1，罗根传1，2，俞文生1，3

(1.长沙理工大学道路结构与材料交通行业重点实验室，湖南长沙410004；2.广西交通投资集团有限公司，广西南宁530000；3.江西省高速公路投资集团有限责任公司，江西南昌330000)

为保证长大隧道路面施工、运营期间的安全和环保，推广应用阻燃温拌沥青混凝土技术。文章结合某高速公路长隧道沥青路面工程实例，针对该路表面层所使用的阻燃温拌SBS改性沥青混凝土AC-13和原设计的热拌SBS改性沥青混凝土AC-13材料，开展常规路用性能(高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性)、劈裂疲劳和耐油污腐蚀等试验，对比分析阻燃剂和温拌剂复合改性措施对SBS改性沥青混凝土AC-13耐久性的影响。试验结果表明：阻燃剂和温拌剂不会影响SBS改性沥青混凝土的高温稳定性与水稳定性，而对低温抗裂性能有一定程度的负面影响，但常规路用性能指标仍满足相关技术规范的要求；这两种改性剂会削弱SBS改性沥青混凝土的抗劈裂疲劳性能，但有益于其耐油污腐蚀性能。

SBS改性沥青混凝土；阻燃温拌沥青混凝土；耐久性；劈裂疲劳；耐油污腐蚀

0　引言

随着我国高速公路的迅猛发展，高等级公路正逐步从沿海平原微丘区向西南、西北等山岭重丘区延伸，公路隧道的数量在不断增加且建筑规模越来越大。由于沥青路面较水泥路面具有更为优良的综合路用性能，所以沥青路面在隧道中的应用将越来越广泛。但是在隧道内(尤其是长隧道)进行热拌沥青混凝土施工时，由于热拌沥青的施工温度比较高，在施工过程中会产生许多烟尘，而隧道又是一个相对封闭的环境，所以这些烟尘将很难有效排除，从而影响施工人员的身体健康。另外，隧道沥青路面在使用过程中，还需要重点防范交通事故引发的火灾，因为沥青一旦被引燃，将会产生大量的热量和浓烟，进而加剧火灾的危害性，隧道的特殊环境又非常不利于逃生和救援[1]。所以为了降低能源消耗和废气粉尘的排放，保证环境质量和施工人员的身体健康，并降低隧道火灾风险及其对人员的伤害程度，有必要在隧道沥青混凝土铺装中引入阻燃温拌沥青混凝土技术。由于隧道内沥青路面维修相对麻烦，对交通干扰较大，因此需要重视隧道沥青路面材料与结构的耐久性问题。许多研究人员对此进行了研究，例如长安大学的王春对不同的温拌剂与级配进行了水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性能研究[2]；武汉理工大学朱祖煌通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂强度比试验、三点弯曲试验、马歇尔稳定度、车辙试验以及四点弯曲疲劳试验对比分析了阻燃温拌沥青混合料和普通热拌沥青混合料的路用性能[3]；俞文生对阻燃温拌沥青混合料进行了高温、低温、水损害等试验，证明了其路用性能与普通热拌沥青混合料相比没有显著降低等[4]。但是对于阻燃温拌沥青混合料的耐久性的研究较少。因此，本文结合某高速公路长隧道沥青路面工程实例，针对表面层所使用的阻燃温拌SBS改性沥青混凝土AC-13和原设计的热拌SBS改性沥青混凝土AC-13材料，通过沥青混凝土的常规路用性能(高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性)试验、劈裂疲劳试验和耐油污腐蚀试验，对比分析阻燃剂和温拌剂复合改性措施对SBS改性沥青混凝土AC-13耐久性的影响，为阻燃温拌沥青混凝土技术的推广提供依据。

1　原材料技术性能

1.1沥青

沥青采用SBS(I-D)改性沥青，其性能指标试验测试结果为：针入度(25 ℃，100 g，5 s(0.1 mm))指数为5.6 mm，延度(5 cm/min，5 ℃)为28 cm，软化点为78.1 ℃，闪点319 ℃，135 ℃黏度为2.68 Pa·s，密度(25 ℃)为1.037 g/cm3，旋转薄膜烘箱老化后残留物质量变化为0.1%，残留针入度比(25 ℃)88%，残留延度(5 ℃)63.55 cm，各项指标均符合规范要求[5]。

1.2集料与级配

隧道表面层SBS改性沥青混凝土AC-13的粗集料为辉绿岩，分为两档规格：10～15 mm，5～10 mm。细集料为石灰岩加工所得的石屑，规格为0～3 mm。AC-13级配设计见表1，4.7%油石比下SBS改性沥青混凝土AC-13的马歇尔试验指标结果见表2。

表1　AC-13级配组成表

表2　AC-13最佳沥青用量及其它性能指标表

1.3阻燃剂

选用的阻燃剂FRMAXTM为深圳海川公司研发，类型为以适当的有机、无机阻燃剂组合后的白色复合型阻燃剂，作用机理为以磷、氮为主要活性组分，不含卤系，也不采用氧化锑为协效剂，将膨胀型阻燃剂添加至沥青后，沥青受热时表面能生成一层均匀的炭层泡沫层，此层隔热、隔氧、抑烟，并能防止沥青的融滴现象，故具有良好的阻燃性能。FRMAXTM阻燃剂物化性质指标为：密度为0.8～1.8 g/cm3，溶解温度>130 ℃，有效含量>85%。其添加量为沥青掺量的7%。

1.4温拌剂

选用的温拌剂Sasobit由德国Sasol-Wax公司于1997年研发，是一种新型有机降粘型沥青温拌剂，降温机理为加入低熔点的聚烯烃类添加剂到沥青或者混合料中，Sasobit温拌剂熔入沥青中起到润滑作用，降低了沥青的黏度，从而降低沥青混合料拌合温度。Sasobit温拌剂性能指标测试结果为：熔点为115 ℃，闪点为286 ℃，135 ℃粘度(Pa·s)为5.47×10-3℃，密度为0.9 g/cm3。其添加量为沥青掺量的3%。

2　常规路用性能

2.1高温稳定性

沥青混合料属于粘弹性材料，在夏季高温条件下，沥青会软化呈流动的状态，从而导致沥青混合料稳定性下降，产生推移、搓板、泛油、拥包、车辙等现象，而车辙的产生会严重影响沥青路面的使用寿命和服务质量。沥青路面的高温稳定性主要是指沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力。高温稳定性的问题主要就是表现在车辙，因此采用车辙试验方法，以动稳定度为指标来评价沥青混合料的高温稳定性能。用轮碾仪成型300 mm×300 mm×50 mm试样，试验温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa[6]，试验结果如表3所示。

表3　沥青混凝土动稳定度试验结果表

由表3可以看出，热拌SBS改性沥青混凝土AC-13动稳定度次数略高于阻燃温拌SBS改性沥青混凝土AC-13的动稳定度次数，但均符合规范中动稳定度>2 800次/mm的要求[5]。已有研究表明，沥青混凝土的高温稳定性影响影响因素有沥青性质、沥青用量、集料级配和空隙率[7]，其中集料级配和空隙率是主要影响因素。本试验中沥青混凝土的集料级配一致，而且Sasobit温拌剂和FRMAXTM阻燃剂对沥青混凝土的空隙率没有影响，所以总体上热拌沥青混凝土与阻燃温拌沥青混凝土的抗车辙性能相差不大。

2.2水稳定性

沥青路面水损坏主要包括两种过程：(1)水侵入到沥青中会使沥青的粘附性下降，引起混合料的强度与劲度下降；(2)当水进入到沥青薄膜与集料间时，会阻碍沥青跟集料的粘结，因为集料的表面对水的吸附力比对沥青的吸附力要强，所以减少沥青跟集料的接触面，从而使得沥青从集料的表面剥落。因此以沥青混合料的物理力学性能下降的大小来表征沥青混合料的水稳定性。本文分别采用浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验来评价沥青混凝土的水稳定性[5]。按照规范要求进行试验[6]，试验结果如表4所示，其中RT1为未冻融组试件的劈裂强度值，RT2为冻融组试件的劈裂强度值，TSR=RT2/RT1为冻融劈裂强度比。

表4　浸水马歇尔试验与冻融劈裂强度试验结果表

从以上试验结果可以看出，阻燃温拌SBS改性沥青混凝土的残留稳定度和冻融劈裂强度比均略小于热拌SBS改性沥青混凝土的，但是相差不大，且都满足规范中规定的残留稳定度≥85%、冻融劈裂强度比≥80%的要求[5]。因此，试验结果说明添加Sasobit温拌剂和FRMAXTM阻燃剂的沥青混凝土的水稳定性与热拌沥青混凝土的一致，这两种改性剂的掺加不会导致SBS改性沥青混凝土水稳定性的明显下降。

2.3低温抗裂性

沥青路面在冬季气温比较低的条件下会产生开裂，为了防止沥青路面的低温开裂，应保证沥青路面具有较高的低温抗弯拉强度与较大的低温弯曲变形能力。本文采用低温弯曲试验来评价沥青混凝土的低温抗裂性，根据试验规程[6]，采用250 mm×30 mm×35 mm的小梁试件，温度为-10 ℃，在跨中单点加载速率为50 mm/min。试验结果如表5所示。

表5　低温弯曲试验结果表

沥青混凝土的小梁试件在低温弯曲试验中破坏时弯拉应变越大，劲度模量就越小，道路就越不容易出现低温开裂。从表5的试验结果数据可以看出，阻燃温拌SBS改性沥青混凝土与热拌SBS改性沥青混凝土的最大弯拉应变均符合规范中规定的≥2 600με的要求[5]。但热拌SBS改性沥青混凝土的弯拉应变略大于阻燃温拌SBS改性沥青混凝土弯拉应变，说明阻燃温拌SBS改性沥青混凝土的低温抗裂性略差于热拌SBS改性沥青混凝土的低温抗裂性，其原因是：沥青混凝土低温抗裂性能的主要影响因素是沥青的低温劲度，而沥青的黏度与温度敏感性是决定沥青劲度的主要因素[8]。在SBS改性沥青中掺入3%的Sasobit温拌剂，然后进行沥青黏度试验，可以看出在高温区Sasobit温拌剂对原样SBS改性沥青有一定的降粘作用，而在低温区黏度反而比原样SBS改性沥青增长[9]，其结果会导致沥青在低温条件下变硬、变脆，从而会使阻燃温拌沥青混凝土的低温性能有所降低。

3　劈裂疲劳性能

目前室内疲劳试验的方法主要有重复弯曲、直接拉伸、间接拉伸、简单弯曲、重复拉伸、室内轮辙、三轴拉压试验等方法[10]，间接拉伸疲劳试验因其简单、参数能用于预测疲劳寿命而得到更多的应用。其主要原理是对规定尺寸的圆柱体试件在垂直的径向面内重复作用平行的压缩荷载，垂直荷载的方向会产生比较均布的拉伸压力，从而通过重复作用压应力的方式达到试件承受重复拉应力的效果。因此，本文采用φ63.5mm×100mm圆柱体劈裂疲劳试验来对沥青混凝土进行疲劳性能研究。

采用旋转压实成型两种沥青混凝土的φ63.5mm×100mm圆柱体试件，应力控制加载模式，正弦波形加载，频率为10Hz，试验温度15 ℃±1 ℃，应力比为0.4、0.5、0.6、0.7。试验结果如表6所示。

表6　劈裂疲劳试验结果表

劈裂疲劳的应力-疲劳寿命关系呈对数线性关系，表示为：

Nf=kSn

(1)

式中：Nf——试件达到破坏时的加载次数；

S——应力水平；

k，n——回归参数，与沥青混凝土的组成及试验相关条件有关。

式(1)体现的是应力水平和疲劳寿命双对数之间的直线关系，亦称之为S-N曲线或者Woler曲线，S-N曲线能够体现出沥青混凝土的疲劳特性，被广泛应用在材料的疲劳研究以及疲劳寿命设计中。对以上两种沥青混凝土的劈裂疲劳试验结果进行S-N曲线拟合，其结果如图1、图2所示，疲劳方程拟合系数k、n及相关系数见表7。

图1　热拌AC-13疲劳方程拟合曲线图

图2　阻燃温拌AC-13疲劳方程拟合曲线图

材料kn相关系数R2阻燃温拌AC-1362.01-6.2040.866热拌AC-13288.40-4.0280.965

事实上，k值表征了沥青混凝土的抗疲劳性质，k值越大，说明材料的耐疲劳性能效果越好；n值是指劈裂疲劳双对数曲线的斜率，代表沥青混凝土所能够承受的最大重复加载次数。针对不同应力水平的敏感度，n值越大，则疲劳曲线越是陡峭，说明了材料的疲劳寿命对应力水平的敏感程度越大。通过以上图、表可以看出，阻燃温拌SBS改性沥青混凝土抗劈裂疲劳性能弱于普通热拌SBS改性沥青沥青混凝土的抗劈裂疲劳性，且对应力的敏感度也大于后者。

4　耐油污腐蚀性

隧道内沥青路面表面层直接与外界环境接触，行驶车辆滴漏的油污腐蚀基本上作用于表面层，因此本试验采用旋转压实成型阻燃温拌SBS改性沥青混凝土AC-13和普通热拌SBS改性沥青混凝土AC-13，试件尺寸为φ63.5mm×100mm圆柱体试件，在20 ℃下浸入汽油中，测试其耐油污腐蚀性能，其质量损失率如图3所示，不同浸泡时间劈裂强度比如图4所示，其中劈裂强度比为沥青混凝土浸油后的劈裂强度与浸油前劈裂强度的比值，其值越大，说明劈裂强度下降得越小。

图3　质量损失率随时间变化关系图

图4　劈裂强度比随时间变化关系图

通过试验可以看出，随着在汽油中浸泡时间的延长，沥青混凝土的质量逐渐减少，其劈裂强度均下降，其中热拌SBS改性沥青混凝土AC-13的质量损失率明显大于阻燃温拌SBS改性沥青混凝土AC-13的质量损失率，阻燃温拌SBS改性沥青混

凝土AC-13的劈裂强度比值明显大于热拌SBS改性沥青混凝土AC-13的劈裂强度比，即阻燃温拌SBS改性沥青混凝土在浸油后劈裂强度比热拌SBS改性沥青混凝土的劈裂强度下降得小。因此，阻燃温拌SBS改性沥青混凝土AC-13比热拌SBS改性沥青混凝土AC-13更加耐油污腐蚀。

5　结语

通过对阻燃温拌SBS改性沥青混凝土AC-13和热拌SBS改性沥青混凝土的耐久性试验对比，可以得出以下结论：

(1)阻燃温拌SBS改性沥青混凝土的高温稳定性和水稳定性与普通热拌SBS改性沥青混凝土的一致，但是其低温抗裂性能有一定程度的降低，这主要与温拌剂的影响有关。

(2)阻燃温拌SBS改性沥青混凝土的抗劈裂疲劳性能弱于普通热拌SBS改性沥青混凝土。

(3)阻燃温拌SBS改性沥青混凝土的耐油污腐蚀性能强于热拌SBS改性沥青混凝土。

[1]王永强.阻燃材料及应用技术[M].北京：化学工业出版社，2003.

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[3]朱祖煌.温拌型阻燃沥青混合料的制备与性能研究[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[4]俞文生，李昶.阻燃温拌沥青混合料性能及其应用[J].公路，2010(1)：129-134.

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[6]JTG E20-2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[7]朱洪洲，黄晓明.沥青混合料高温稳定性影响因素分析[J].公路交通科技，2004(4)：1-3，8.

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[9]王习进.温拌剂与阻燃剂对SBS改性沥青路用性能的影响[D].长沙：长沙理工大学，2013.

[10]冯建亚.沥青混合料的疲劳性能研究[J].吉林师范大学学报(自然科学版)，2003(4)：52-54.

Experimental Study on the Durability of Flame-retardant Warm-mix SBS Modified Asphalt Concrete

ZHOU Zhi-gang1，XIA Yong-sheng1，LUO Gen-chuan1，2，YU Wen-sheng1，3

(1.Transportation Industry Key Laboratory of Road Structure and Materials，Changsha University of Science & Technology，Changsha，Hunan，410004；2.Guangxi Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530000；3.Jiangxi Expressway Investment Group Co.，Ltd.，Nanchang，Jiangxi，330000)

In order to ensure the safety and environment of long and large tunnel during pavement con-struction and operations，and to promote the application of flame-retardant warm-mix asphalt concrete technology，thus，in combination with the asphalt pavement construction practices of the long tunnel in an expressway，and regarding flame-retardant warm-mix SBS modified asphalt concrete AC-13 used in this road surface layer and the original designed hot-mix SBS modified asphalt concrete AC-13 material，this article conducted the experiments such as routine road performance(high-temperature stability，water stability，low-temperature crack resistance)，splitting fatigue and oil-resistant corrosion，and com-pared and analyzed the impact of compound modified measures of flame retardants and warm-mix agents on the durability of SBS modified asphalt concrete AC-13.The experiment results showed that：the flame retardants and warm-mix agents will not affect the high-temperature stability and water stabili-ty of SBS modified asphalt concrete，while having a certain negative impact on low-temperature crack resistance，but its conventional road performance indicators can still meet the relevant technical requirements；these two modifiers will weaken the anti-splitting fatigue performance of SBS modified asphalt concrete，but good for its oil-resistant corrosion performance.

SBS modified asphalt concrete；Flame-retardant warm-mix asphalt concrete；Durability；Splitting fatigue；Oil-resistant corrosion

U416.217

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.03.001

1673-4874(2016)03-0001-05

2016-03-08

周志刚(1966—)，教授，博士生导师，研究方向：道路工程；

夏永胜(1988—)，硕士，研究方向：沥青路面材料研究；

罗根传(1964—)，博士，教授级高级工程师，研究方向：公路工程建设与运营管理、技术研究开发；

俞文生(1976—)，博士，教授级高级工程师，研究方向：公路工程建设管理、维修养护和技术研究开发。

项目来源

广西交通科技计划项目(桂交科教发〔2013〕100号)；江西交通科技计划项目(2011C00 63)