基于表面能理论的温拌抑烟阻燃改性沥青混合料水稳定性能研究

牛茏昌 刘安刚 刘青海 苗 强 涂崇志 罗 蓉

(武汉理工大学交通与物流工程学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063) (湖北长江路桥有限公司3) 武汉 430077)

0 引 言

沥青具有易燃性，在高温拌合和燃烧时会产生大量黑烟并释放有害气体[1]，并且一旦发生交通事故，极易引发火灾，使沥青路面燃烧，形成的烟尘在隧道内聚集，阻碍视线，增大灭火难度[2].

在沥青中加入温拌剂，能够有效降低沥青混合料的拌合温度，减少能源消耗和烟气排放.在沥青中加入抑烟阻燃剂，可使沥青表面温度下降，抑制沥青燃烧并阻止有毒气体释放.现有研究表明：掺入添加剂会对沥青和沥青混合料的路用性能造成影响，尤其是沥青混合料的水稳定性能.李立寒等[3]通过对添加四种阻燃剂的沥青混合料进行冻融劈裂试验，发现酸性阻燃剂对沥青混合料水稳定性影响较大.张争奇等[4]通过对添加四种温拌剂的沥青混合料进行真空饱水马歇尔试验和浸水汉堡车辙试验评价其水稳定性，发现部分温拌剂能够提高沥青混合料的水稳定性.王大伟等[5]将温拌剂和阻燃剂同时加入并制备温拌阻燃沥青混合料，将其与热拌沥青混合料宏观水稳定性指标对比，发现掺入该组合添加剂会降低沥青混合料的水稳定性，但是选择的组合添加剂种类单一，不具有普遍性.

由工程经验可知：沥青-集料的黏附性是影响沥青混合料疲劳寿命、自愈合能力，以及水稳定性的关键因素.国内外现行规范中用于评价沥青-集料间黏附性最常见的方法为水煮(浸)法试验，然而该方法无法定量评价黏附性，只能提供黏附性等级作为参考[6-7].因此，为了定量评价沥青-集料间黏附性，已有诸多研究学者采用表面能理论，计算沥青与集料间黏附功与剥落功，并以此作为量化指标[8-10].文中选用一种SBS改性沥青、三种温拌剂和两种抑烟阻燃剂，按照添加剂种类的不同，共包括六种同时添加温拌剂与抑烟阻燃剂的沥青改性方案，通过对各方案进行沥青表面能参数测试，从微观角度对比分析添加剂对改性沥青表面能的影响.计算沥青与集料间的黏附功、剥落功，以及匹配性指标，并结合沥青混合料宏观水稳定性能试验进行验证，分析不同添加剂组合对沥青混合料水稳定性能的影响.

1 原材料基本性能测试

1.1 沥青

试验选用SBS(I-D型)改性沥青，根据文献[11]的相关要求测试其基本性能，结果见表1.由表1可知：各项指标均满足文献[12]的技术要求.

表1 SBS(I-D型)改性沥青性能指标试验结果

1.2 温拌剂

采用三种常见的温拌剂，LQ 1102、TEGO 168和LX 450.三种温拌剂的物理指标见表2.

表2 温拌剂物理指标

1.3 抑烟阻燃剂

采用两种常见的粉末型抑烟阻燃剂：有机无卤型抑烟阻燃剂AP 428以及无机阻燃剂ATH(氢氧化铝)和MH(氢氧化镁)按照不同掺量比例组合而成的抑烟阻燃剂[13-15].两种抑烟阻燃剂的物理指标见表3.

表3 抑烟阻燃剂物理指标

1.4 温拌抑烟阻燃改性沥青制备

将上述温拌剂和抑烟阻燃剂随机组合，得到六种温拌抑烟阻燃改性沥青方案，具体方案见表4.其中，添加剂的掺量是根据黏温分析、烟密度测试以及阻燃试验综合确定的最佳掺量.

表4 温拌抑烟阻燃改性沥青复配方案

1.5 集料与沥青混合料级配

集料为辉绿岩.辉绿岩属于碱性集料，与沥青间具有良好的黏附性.采用湖北省某地石灰岩矿粉，其技术指标见表5.由于温拌抑烟阻燃沥青多用于上面层，故采用级配为SMA-13的沥青混合料进行试验，其级配设计见表6.其中，油石比为6.3%，且马歇尔指标均满足规范要求.

表5 矿粉性能指标

表6 SMA-13沥青混合料合成级配表

2 沥青与集料表面能测试及其黏附性分析

2.1 表面能基本原理

表面能的基本定义如下：在温度、湿度不发生变化的条件下，材料系统增加单位表面积时吉布斯自由能变化的能量大小称为表面自由能，简称表面能，用符号γ表示，单位为erg/cm2.现阶段普遍采用GvOC理论体系计算不同材料的表面能，该体系认为沥青和集料各自有三个基本的表面能分量，包括非极性分量γLW、极性酸分量γ+、极性碱分量γ-，三者共同构成表面能总量γ.表面能总量与各分量的关系为

(1)

式中：γ为材料表面能；γLW为材料表面能非极性分量；γAB为材料表面能极性分量；γ+为材料表面能极性酸分量；γ-为材料表面能极性碱分量.

计算沥青自身的内聚结合能、无水状态和有水状态下集料与沥青间黏附结合能，即

(2)

(3)

(4)

2.2 温拌抑烟阻燃改性沥青表面能测试

采用静滴法进行改性沥青表面能测试.将制备完好的沥青涂膜玻片在干燥常温条件下养生24 h后水平放入仪器试验舱内，并将已知表面能参数的测试试剂滴在玻片上，通过光学成像系统捕捉试剂液滴与玻片之间形成的液滴图像，利用计算机提取轮廓得到接触角，再将测试试剂的表面能参数与接触角数值代入式(5)便可计算得到改性沥青的表面能参数.其中，测试试剂的表面能参数以及计算所得沥青表面能参数见表7～8.

(5)

表7 测试试剂的表面能参数

表8 沥青表面能参数计算结果

由表8可知:掺入温拌剂和抑烟阻燃剂对改性沥青的表面能参数产生较大影响，进而使得沥青与集料间黏附性存在差异.其中，方案2的改性沥青表面能总量最高，方案7的改性沥青表面能总量最低.同时，相较于其他种类的温拌剂，仅有LQ 1102温拌剂提高了改性沥青的表面能总量.对于表面能非极性分量，LQ 1102温拌剂使其提高，LX 450温拌剂使其降低，而TEGO 168温拌剂对其影响较小；对于表面能极性分量，尽管极性酸分量无明显变化，但LX 450温拌剂大幅度提高了极性碱分量，说明有机降黏温拌剂对改性沥青表面能极性分量影响较大.此外，添加不同抑烟阻燃剂对改性沥青表面能参数影响较小，相较于无机阻燃剂ATH和MH，添加有机无卤型抑烟阻燃剂AP 428的改性沥青表面能总量较大.

2.3 集料表面能测试

采用蒸气吸附法测试集料表面能.集料的表面能计算考虑了试剂在其表面的饱和扩散压力，计算所得辉绿岩集料表面能参数见表9.

表9 辉绿岩集料表面能参数计算结果

2.4 沥青-集料匹配性指标分析

完成沥青与集料的表面能测试后，分别将两者的表面能参数代入式(2)～(4)，计算沥青自身的内聚结合能、无水和有水条件下沥青与集料的黏附结合能，再将上述计算结果代入沥青-集料匹配性指标公式，为

(6)

(7)

式中：ER1为未考虑沥青内聚结合能的匹配性指标；ER2为考虑释放沥青内聚结合能后的匹配性指标，任一指标计算值越大，则说明沥青与集料间黏附性越好.两者计算结果见图1.

图1 沥青-集料匹配性指标计算结果

由图1可知：对于七种温拌抑烟阻燃改性沥青方案，两种匹配性指标之间的大小关系呈现一致性，由大到小依次为：方案2>方案3>方案1>方案4>方案5>方案6>方案7，说明两种匹配性指标均能反映改性沥青与集料间黏附性大小，由此确定方案2的温拌抑烟阻燃改性沥青与集料间黏附性最好，而方案7的黏附性最差.掺入不同种类的添加剂对沥青-集料匹配性指标有不同程度的影响，其中，与未掺入添加剂的方案1相比，方案2的匹配性指标ER1和ER2分别提高了24.5%和24.8%，而方案7的匹配性指标ER1和ER2分别降低了31.8%和36.1%.

3 水稳定性能验证

3.1 沥青混合料水稳定性试验

选用工程实际中普遍采用的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验验证沥青混合料水稳定性.制备马歇尔试件，养生后进行试验，将计算所得的宏观水稳定性评价指标列于表10，包括浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比两种指标.

表10 不同改性方案的沥青混合料宏观水稳定性评价指标 单位：%

3.2 宏观水稳定性指标与沥青-集料匹配性指标的联系

将表10中的两种沥青混合料宏观水稳定性指标分别与图1中的两种沥青-集料匹配性指标建立联系，其线性关系见图2.由图2可知：两种匹配性指标与两种宏观水稳定性指标之间存在正相关，且相关系数均大于0.91，其中，浸水残留强度比与匹配性指标ER1和ER2的相关性较好，相关系数分别为0.955 9和0.955 5.

图2 浸水残留和冻融劈裂强度比与沥青-集料匹配性指标关系

通过宏观水稳定性指标与匹配性指标评价沥青混合料水稳定性的结果一致，比较得出方案2为最佳沥青改性方案，即掺加0.7%LQ 1102和14%AP 428的SBS改性沥青与集料间黏附性最好，用其制备的沥青混合料水稳定性最优.由此可知，借助表面能方法可以定量评价沥青混合料水稳定性，从微观能量角度出发，与沥青混合料宏观评价指标相结合，评价结果准确且可靠度更高.

4 结 论

1) 掺入温拌剂和抑烟阻燃剂会影响沥青表面能大小，不同种类的添加剂对沥青表面能分量影响不同.其中，LQ 1102温拌剂提高了沥青表面能非极性分量，LX 450温拌剂降低了沥青表面能非极性分量但提高了极性碱分量，并且，相较于无机阻燃剂ATH和MH，添加有机无卤型抑烟阻燃剂AP 428的沥青表面能总量有明显提高.由此从微观机理说明了沥青-集料黏附性存在差异的原因.

2) 通过计算不同方案的沥青-集料匹配性指标，对比发现方案2的温拌抑烟阻燃改性沥青与辉绿岩集料黏附性最好，与未掺入添加剂的方案1相比，方案2的匹配性指标ER1和ER2分别提高了24.5%和24.8%，即掺加0.7%LQ 1102温拌剂和14% P 428抑烟阻燃剂的SBS改性沥青制备的沥青混合料水稳定性最好.

3) 沥青-集料匹配性指标与沥青混合料宏观水稳定性指标之间具有良好相关性，因此可借助表面能理论从微观角度评价不同温拌抑烟阻燃改性沥青混合料的水稳定性，并为工程实际中优选沥青与集料匹配方案提供合理可靠的评价方法.