高性能阻燃橡胶复合改性沥青应用研究

李彩晓

摘要：文章通过选取合适的阻燃剂制备出了高性能阻燃橡胶复合改性沥青，研究了其物理性能和混合料路用性能，并通过氧指数、烟密度实验和锥形量热仪法对该高性能阻燃橡胶复合改性沥青及其混合料的阻燃效果进行评价分析。结果表明：相比于传统的阻燃橡胶沥青，高性能阻燃橡胶复合改性沥青的软化点和延度较高，黏度和48 h离析软化点差较小，具有更好的高温性能、施工和易性及存储稳定性;阻燃剂的加入可有效地改善沥青的烟密度、氧指数及其混合料的燃烧参数，且其混合料路用性能及实体长大隧道工程应用效果良好。

关键词：阻燃;橡胶复合改性沥青;路用性能

0 引言

20世纪以前国内外高等级公路隧道路面大多以水泥混凝土路面铺装为主，但水泥混凝土路面施工周期长，横向和纵向接缝处理工序相对复杂，路面平整度较差，行车舒适性一般，噪音大，且后期维修养护难。进入21世纪后，随着社会经济的迅速发展，人民生活水平的提高，日常通行对路面的舒适性、安全性以及绿色环保的要求日益突出，目前大多数隧道均采用沥青混凝土路面。但由于隧道內地理条件特殊，空间相对狭小，空气流通较差，火灾事故危害性较大，且路面常年潮湿，其要求所使用的沥青混凝土既要具有一定的阻燃性，又要具有优良的抗疲劳和抗水损性能。已有研究表明：橡胶沥青混合料不仅符合环保要求，而且具有优良的高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害能力，其抗老化性能和抗疲劳性能更优于其他改性沥青混合料，使用橡胶沥青混合料铺筑的路面具有平稳、舒适、噪音低、裂缝少等特点，能明显改善路面的质量并延长其使用寿命[1-2]。但是由于传统橡胶沥青储存稳定性差，黏度偏大不易控制，使得橡胶沥青只能在工地拌和站现拌现用，限制了橡胶沥青的使用。

基于此，本文采用工厂化生产的高性能橡胶复合改性沥青与阻燃剂进行复配，得到高性能阻燃橡胶复合改性沥青，并对其沥青和混合料性能、阻燃功效进行分析研究，对高性能阻燃橡胶复合改性沥青在贺巴高速公路黄竹口长隧道工程中的应用效果进行检测，以期为高性能橡胶复合改性沥青在高等级公路（尤其是隧道）的推广应用提供一定的数据支撑和参考。

1 原材料

1.1 集料

所用粗集料为1#（10～15 mm）和2#（5～10 mm）的辉绿岩碎石，经过二级破碎整形，生产厂家为田东县辉绿岩矿业有限责任公司;细集料为3#（0～5 mm）的机制砂，生产厂家为桐木银山寨石场。集料的物理力学指标如表1、表2所示。

1.2 阻燃剂

阻燃剂是一种通过吸收大量热量以降低有机物热分解温度，或通过隔断、隔离有机物与空气中的氧接触，从而达到延缓或阻止有机物燃烧的物质。按照反应类型及机理的不同主要分为填料型、化学反应型及膨胀型。填料型大多为氢氧化合物，无毒抑烟且成本相对低廉，但阻燃效果一般;化学反应型大多为卤、磷、锑、硅系等化合物，通常采用二种及以上体系复合使用，相对较为高效，但成本较高;膨胀型通常由成炭剂、脱水剂和膨胀剂三部分组成，其要求被阻燃的有机物具有较高的匹配性[3]。本项目采用的是一种溴-锑系复合型阻燃剂。

2 高性能阻燃橡胶复合改性沥青性能检测

高性能阻燃橡胶复合改性沥青室内采用湿法制备，即将高性能橡胶复合改性沥青加热至180 ℃，掺加阻燃剂通过剪切均化工艺制备而得，参照广西地区标准《橡胶沥青路面施工技术规范》（DB45/T1098-2014）评价高性能阻燃橡胶复合改性沥青与传统阻燃橡胶沥青性能的优劣（其中高性能橡胶复合改性沥青为广西交科新材料有限责任公司提供，传统橡胶沥青采用普通的剪切搅拌工艺制备而得，胶粉掺量均为20%，阻燃剂掺量均为6%）。根据《沥青混合料改性添加剂第3部分：阻燃剂》（JT/T860.3-2014）的试验方法及要求，采用氧指数和烟密度评价高性能阻燃橡胶复合改性沥青的阻燃效果。

由表3可知，相比于传统的阻燃橡胶沥青，高性能阻燃橡胶复合改性沥青的软化点和延度较高，黏度和48 h离析软化点差较小，说明高性能阻燃橡胶复合改性沥青具有更好的高温性能、施工和易性及存储稳定性，可有效降低橡胶沥青的施工难度，并能在一定程度上解决现场施工因天气等不可抗因素导致的施工周期延长、沥青性能因离析发生衰减的问题，提升了橡胶沥青的适应性。

由表4可知，高性能阻燃橡胶复合改性沥青的氧指数为30.8%，烟密度为61.8%，均满足JT/T860.3-2014中的技术要求，说明其可用于大规模的隧道施工，具有较好的阻燃性能。

3 阻燃橡胶复合改性沥青混合料路用性能研究3.1 配合比

以“骨架嵌挤均匀密实”为控制目标，尽量减少细集料的用量，重点控制0.075 mm、2.36 mm、4.75 mm及9.5 mm筛孔的通过率，在确保路面密实不渗水的前提下，结合隧道路面的使用特点，选择合适的油石比，尽可能提高路面的构造深度和抗车辙能力，提升隧道路面的抗滑安全性及耐久性。最终确定矿料配合比为11～16∶7～11∶4～7∶0～4∶矿粉=34∶35∶5∶22∶4，油石比为5.6%，合成级配通过率如表5所示。

3.2 混合料性能检测及阻燃效果评价

按照表5中的配合比，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）相关试验方法、《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F 40-2004）及《橡胶沥青路面施工技术规范》（DB 45/T 1098-2014）对阻燃橡胶复合改性沥青的高温性能和水稳定性能进行评价，结果如表6～8所示。

由表6～8可知阻燃橡胶复合改性沥青混合料的残留稳定度为90.2%，冻融劈裂抗拉强度比为95.1%，60 ℃动稳定度为5 392次/min，均优于相关技术规范要求，表明该阻燃橡胶复合改性沥青混合料具有较好的高温稳定性及水稳定性，适用于重载交通及隧道潮湿环境。

采用锥形量热仪法对阻燃橡胶复合改性沥青混合料和非阻燃橡胶复合改性沥青混合料进行测试，分析比较阻燃橡胶复合改性沥青混合料的阻燃效果。其中沥青混合料的试件尺寸为（100×100×50）mm，试验时的热辐射强度为50 kw/m2，空气流速为24 L/s。试验结果如表9所示。

锥形量热仪法操作简便，与真实火灾情形相关性较高，可定量获取可燃物燃烧的多种不同燃烧参数，用阻燃效果评价时可直观地进行比较[4-6]。

一般来说，在相同条件下，有机物的引燃时间越短，说明其越容易着火。从表9中可知，阻燃橡胶复合改性沥青混合料的引燃时间为303 s，而非阻燃橡胶复合改性沥青混合料的引燃时间为265 s，前者较后者延长了38 s，说明阻燃剂的加入延长了沥青材料的引燃时间，起到了阻燃的效果。

热释放速率峰值可代表火焰强度，峰值越大，火焰强度越大，可燃物热分解燃烧的速度越快。表9中阻燃橡胶复合改性沥青混合料的热释放速率峰值较非阻燃橡胶复合改性沥青混合料的峰值小，说明阻燃剂能够吸收燃烧所产生的部分热能，降低火焰强度，有利于控制火焰的大小。

从表9可知，阻燃橡胶复合改性沥青混合料的CO、CO2的生成量及生烟总量均比非阻燃橡胶复合改性沥青混合料小，说明阻燃剂的加入可起到明显的抑烟作用，降低火灾的危害性。

4 工程应用效果

贺巴高速公路昭平至蒙山段地势复杂多变，桥隧比较高，其中黄竹口隧道为路段内最长隧道，全长约4 km。隧道内采用AC-20+阻燃ARAC-13结构，施工完成后检测其路面性能。检测结果如后页表10所示。

由表10可知阻燃橡胶复合改性沥青路面压实度达标，平整度和构造深度均优于《公路工程质量检验评定标准第一册土建工程》（JTG F80 /1-2017）及设计要求，表明该路面行车舒适，抗滑安全，且基本不渗水，适用于隧道潮湿环境，抗水损较好。

5 结语

（1）高性能阻燃橡胶复合改性沥青相比于傳统的阻燃橡胶沥青，其软化点和延度较高，黏度和48 h离析软化点差较小，具有更好的高温性能、施工和易性及存储稳定性。

（2）高性能阻燃橡胶复合改性沥青氧指数和烟密度均满足相关技术要求，具有较好的阻燃性能;且其混合料残留稳定度、冻融劈裂抗拉强度比及60 ℃动稳定度均优于相关技术规范要求。

（3）通过锥形量热仪法对阻燃橡胶复合改性沥青混合料的实验结果分析，表明阻燃剂的加入可有效延长沥青材料的引燃时间，减小热释放速率峰值，降低火焰强度，且具有较好的抑烟作用，能够降低火灾的危害性。

（4）高性能阻燃橡胶复合改性沥青混合料路面的各项关键检测指标结果均优于相关技术规范及设计要求，适用于低温潮湿密闭的长大隧道路面工程。

参考文献：

[1]王 芳，王选仓.高等级沥青路面使用性能评价指标与标准研究[J].路基工程，2009（5）：32-33.

[2]曹荣吉.橡胶沥青应力夹层在盐通高速公路上的应用研究[J].公路交通科技，2006（10）：120-122.

[3]赵 辉，刘 楠，黄 磊.隧道沥青路面常用阻燃剂及阻燃机理分析[J].建筑工程技术与设计，2014（30）：407.

[4]舒中俊，徐晓楠，李 响.聚合物材料火灾燃烧性能评价[M].北京：化学工业出版社，2007.

[5]何腾飞，王文和，米红甫，等.基于CONE的聚合物材料火灾危险性综合评价方法研究[J].工业安全与环保，2018，44（10）：10-13，24.

[6]张 阳.聚合物材料燃烧性和阻燃性的研究[D].广州：华南理工大学，2012.