温拌阻燃橡胶沥青制备与影响因素研究

张冀

摘要：为获得温拌阻燃橡胶沥青最佳制备方案，文章基于三大指标试验、氧指数试验及布氏旋转黏度试验，探究温拌剂、阻燃剂掺量及拌和工艺对温拌阻燃沥青性能的影响。结果表明：温拌剂、阻燃剂掺量对温拌阻燃沥青性能的影响显著，温拌剂为3%、阻燃剂为6%、拌和速率为4 000 r/min时，温拌阻燃沥青性能最佳，其具有良好的高低温性能及工作性能。

关键词：道路工程;温拌阻燃沥青;橡胶沥青;氧指数

中国分类号：U416.03

0引言

基于“碳达峰、碳中和”的承诺与目标，我国积极参与国际社会碳减排，主动顺应全球绿色低碳发展潮流，其中重点方向之一即是废物利用。随着我国经济及运输行业快速发展，产生了大量废旧轮胎，其处理、堆放等问题制约着我国经济的绿色低碳发展[1]。针对这一问题，可将废旧轮胎磨细后与沥青混熔，制得具有良好路用性能的橡胶沥青，这样既可达到循环利用的目的，且具有良好的社会经济效益。橡胶沥青混合料施工温度较高，且会在拌和、运输和碾压过程中产生大量的刺激性有毒气体，在污染环境的同时也对作业人员的生命健康安全造成不良影响。特别是假如在环境封闭的隧道内发生意外火情，橡胶沥青混合料受热产生大量有毒烟雾无法及时排出，易造成严重的人员伤亡。因此，降低橡胶沥青施工温度，减少对环境及施工人员的危害，增强沥青路面阻燃性能成为橡胶沥青研究的主要方向。本文拟对温拌阻燃橡胶复合改性沥青的开发与性能评价展开研究。

目前大量研究人员对温拌阻燃沥青展开了相关研究，如乔建刚在SBS改性沥青中分别掺入了EC130温拌剂和FRMAX TM阻燃剂，然后测试了其高低温流变性能和粘温性能，结果表明两者共同加入SBS改性沥青，会提高其高温性能和粘温性能，但对其低温性能不利[2];吴林松针对温拌阻燃SBS改性沥青混合料的路用性能的研究发现：温拌剂和阻燃剂可改善沥青混合料的抗车辙性能和抗水损害能力，但是劣化了混合料低温抗裂能力[3]。但鲜有针对橡胶沥青温拌阻燃技术的相关研究，因此，本文选取性能优良、应用效果较好的温拌剂、阻燃剂及成品橡胶沥青，对温拌阻燃橡胶沥青性能展开研究，以期指导相关工程项目。

1原材料

1.1橡胶沥青

橡胶沥青采用工厂化制备，由质量比为12%的0.250 mm废旧汽车轮胎胶粉（橡胶粉）、少量SBS改性剂与70 #道路石油沥青掺配而成。其性能满足《路用废胎胶粉橡胶沥青》（JT/T 798-2019）要求，如表1所示。

1.2温拌剂及阻燃剂

温拌剂选用Sa-sobit型聚烯烃类有机降粘型温拌剂;阻燃剂采用FRMAX TM高效型阻燃剂。其技术性能分别如表2、表3所示。

2试验方法与方案设计

2.1试验方案

2.1.1三大指标试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）（以下简称试验规程）中T0604-2011、T0606-2011、T0605-2011试验方法，分别检测不同沥青的针入度、软化点和5 ℃延度。

2.1.2布氏旋转黏度试验

依据试验规程中T0625-2011布氏沥青旋转黏度试验方法测定沥青表观黏度。

2.1.3氧指数试验

采用试验规程中GB/T 2406氧指数试验方法测定极限氧指数（LOI）来评价沥青阻燃性能，LOI越小表示材料越易燃。可由式（1）计算：

2.2正交试验设计

参考厂家推荐及国内工程应用经验[4]，初步确定各原材料用量范围，选取各影响因素的试验水平如表4所示，进行L9（3 3）正交试验设计。

3温拌阻燃橡胶沥青性能评价

按正交试验设计的不同影响因素各水平成型试件后，依照前述试验方法进行三大指标试验、布氏旋转黏度试验、氧指数试验。试验结果如表5所示。

采用极差分析法进行定量分析（表6），其中ki表示某因素第i水平对应试验指标的平均值，极差为ki（i=，3）中最大值与最小值的差值。

综合分析各因素对温拌阻燃沥青高低温性能、阻燃性能及降黏效果的影响结果，9组试验组中温拌剂为3%、阻燃剂为6%、拌和速率为4 000 r/min时，温拌阻燃沥青性能最佳。

3.1高温性能（图1～3）

（1）剪切机转速对温拌阻燃沥青高温性能基本无影响，而温拌剂及阻燃剂掺量对其高温性能影响较为显著，其中温拌剂掺量对其影响最大，三因素对应针入度、软化点极值大小排序均为：温拌剂掺量>阻燃剂掺量>剪切仪转速。

（2）温拌剂的掺入有利于沥青的高温性能，且随掺量的增大对其有进一步的提升。随着2%温拌剂的掺入，橡胶沥青软化点从73 ℃提升至74.4 ℃，針入度从5.93 mm下降至5.11 mm，且随掺量的增加，温拌阻燃沥青软化点进一步增大，针入度进一步减小。这说明温拌剂的掺入，会使沥青变硬，抗变形能力增强，高温性能有所提升。

（3）阻燃剂的掺入同样对沥青高温性能有利，但提升效果弱于温拌剂。由图1、图2可知，阻燃剂掺量从4%增至8%，沥青软化点从75 ℃增至76.8 ℃，提升了1.8 ℃;温拌剂掺量从2%增至4%，沥青软化点从74.4 ℃增至77.1 ℃，提升了2.7 ℃;随着温拌剂掺量的增大，温拌阻燃沥青软化点逐步增大，针入度逐步减小，高温性能逐渐增强，且温拌剂对沥青高温性能改善效果更明显。

3.2低温性能（图4～5）

（1）温拌剂、阻燃剂的掺量显著影响沥青的低温性能，剪切机转速对沥青低温性能基本无影响。其中，阻燃剂掺量对温拌阻燃沥青低温性能影响最大，三种因素延度极值大小排序为：阻燃剂掺量>温拌剂掺量>剪切机转速。

（2）温拌剂、阻燃剂的掺入对沥青低温性能有显著的不利影响。随着温拌剂、阻燃剂掺量的增大，沥青延度逐渐减小，低温性能逐渐变差。这是由于温拌剂中有机添加物存在蜡结晶，增加了沥青脆性，使得延度降低;同时阻燃剂吸附于沥青分子表面，使得沥青分子间表面自由能下降，从而致使沥青低温抗裂性能下降。因此在温拌剂、阻燃剂掺量选取时，应重点关注沥青低温性能的变化，避免沥青性能劣化。

3.3降黏性能（图6～7）

（1）所选三因素中对沥青135 ℃黏度影响最大的是温拌剂掺量，其次是阻燃剂掺量，剪切机转速影响最小，三者对应极差大小排序为：0.5 Pa·s>0.4 Pa·s>0.1 Pa·s。

（2）温拌剂可有效降低温拌阻燃沥青黏度，降低施工中沥青拌和及壓实温度，且随温拌剂掺量的增大，降黏效果越好。温拌剂掺量从2%增大至4%，温拌阻燃沥青135 ℃黏度从2.1 Pa·s降至1.6 Pa·s，这是由于温拌剂中低熔点的有机添加剂在沥青中融化，起到润滑作用，从而降低沥青黏度。

（3）阻燃剂的掺入对温拌剂的降黏效果存在不利影响，且随其掺量增加，对沥青温拌工作性能更为不利。阻燃剂掺量从4%增至8%，温拌阻燃沥青135 ℃黏度增加0.3 Pa·s，增幅达17.6%。

3.4阻燃性能（图8～9）

（1）阻燃剂的掺入可有效提升沥青的阻燃性能，阻燃剂掺量从4%增至8%，沥青氧指数从23.5%增加到27.4%。这是由于阻燃剂在沥青受热时，在表面生成一层均匀的碳化泡沫层，从而隔氧隔热，因此提升了沥青的阻燃性能。

（2）剪切机转速对沥青阻燃性能基本无影响，温拌剂的掺量对温拌阻燃沥青的阻燃性能存在不利影响，随着温拌剂掺量的增大，沥青氧指数逐渐减小，阻燃性能有所下滑，因此在温拌阻燃沥青温拌剂掺量的选取时，应考虑其对沥青阻燃效果的影响。

4结语

（1）综合考虑温拌阻燃沥青的高温性能、低温性能、阻燃性能及降黏效果，温拌阻燃沥青最佳制备方案为：温拌剂3%、阻燃剂6%、拌和速率4 000 r/min。

（2）温拌剂、阻燃剂均对沥青高温性能有利，而对沥青低温性能存在较为不利的影响，因此对于温拌剂及阻燃剂掺量的选取，应着重考虑其对沥青低温性能的影响，防止性能显著劣化。

（3）温拌剂对于沥青阻燃性能不利，阻燃剂又影响着沥青降黏效果，因此选取温拌阻燃沥青的温拌剂及阻燃剂时，应对温拌剂与阻燃剂的配伍性展开研究。

参考文献：

[1]再协.废旧轮胎回收利用迫在眉睫[J].中国资源综合利用，2018（8）：60.

[2]乔建刚，李志刚，程璨，等.温拌剂和阻燃剂对SBS改性沥青流变性能的影响[J].石油炼制与化工，2019，50（3）：87-91.

[3]吴林松，田小革，常乃坤，等.温拌阻燃SBS改性沥青混合料路用性能研究[J].北方交通，2018，300（4）：77-81.

[4]蒋玮，沙爱民，赵辉，等.温拌阻燃沥青混合料设计与性能评价[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2018，41（5）：671-676.