公路隧道温拌阻燃沥青研究进展

张欣，王长伟，凌爱城，郑军涛，陈迪，张乾，赵品晖

（1.山东省路桥集团有限公司，山东 济南264001；2.山东建筑大学，山东 济南250101）

我国公路建设随着经济快速发展和交通强国战略实施，公路总里程截止到2021年末已超过519.81 万公里，其中高速公路通车里程16.10 万公里，排名世界第一。公路隧道作为公路系统的重要组成部分，其数量多达21316 处，共2199.93 万延米。[1]然而，隧道施工过程中沥青烟雾会对工人的身体健康造成安全隐患，隧道交通事故中沥青路面的燃烧也会造成高温和人员伤亡。为了解决这些问题，可以通过加入温拌剂和阻燃剂对沥青进行改性，以降低施工温度和改善沥青阻燃性能，确保隧道交通安全平稳运行。阻燃沥青技术可通过向沥青混合料中添加阻燃剂来实现，其阻燃机理包括吸收热量阻燃、在燃烧表面形成覆盖层阻燃、捕捉自由基阻燃和产生惰性气体阻燃。目前主要的阻燃剂类型包括有机类、无机类、复合类和纳米类。本论文综述了温拌阻燃沥青技术的作用机理和解决的主要问题，同时展望了未来发展趋势。

1 阻燃沥青技术分类及研究进展

1.1 阻燃技术的分类

1.1.1 添加阻燃剂

目前，最主要的阻燃方式是向沥青混合料中添加阻燃剂，而阻燃剂的阻燃机理主要可分为吸收热量阻燃、在燃烧表面形成覆盖层阻燃、捕捉自由基阻燃、产生惰性气体阻燃。阻燃剂可按组成成分分为有机、无机、复合和纳米类。

有机类阻燃剂主要分为卤系和有机磷系。卤系阻燃剂包括碘、氯和溴，如十溴二苯乙烷和氯化石蜡。其阻燃机理包括吸收热量、产生惰性气体和捕捉自由基。但其燃烧过程容易产生有害物质且放烟量大。有机磷系阻燃剂具有低卤、高效和放烟量小的优点，可以促进表面生成炭覆盖层以达到阻燃目的。但由于其具有毒性和致癌性，大量使用可能污染环境并对施工人员造成伤害。

无机类阻燃剂主要包括金属氢氧化物、无机磷系和无机硼系阻燃剂。金属氢氧化物阻燃剂环保、放烟量少、无毒，但阻燃效果较差。无机磷系阻燃剂包括聚磷酸铵和红磷，聚磷酸铵阻燃性能好，但抑烟性差，红磷阻燃效果好但易氧化。无机硼系阻燃剂以硼酸锌最典型，具有良好的阻燃和抑烟性能，能形成炭覆盖层防止沥青熔滴。总体而言，无机类阻燃剂相对于有机类阻燃剂具有较好的环保性能，但在阻燃效果、抑烟性等方面仍需进一步优化。

纳米类阻燃剂为半导体或金属材料，因其本身结构特性，能在一定程度上减少加入传统阻燃剂对沥青混合料的路用性能造成的不良影响，目前常用的纳米类阻燃剂可分为：蒙脱土、石墨烯、纳米级金属氢氧化物等。

复合阻燃剂是由两种或两种以上的阻燃剂组成，包括卤、锑、磷、氮、金属氢氧化物、石墨、纳米材料等。其作用是消除单一阻燃剂对沥青或沥青混合料路用性能的不良影响，提升阻燃抑烟性能。常见的复合阻燃剂有FRMAX 和膨胀型复合阻燃剂（IFR）。IFR 是一种环保复合阻燃剂，其受热分解时形成密实炭层，能够阻隔可燃气体、防止沥青熔滴、抑烟作用，达到阻燃抑烟目的。

1.1.2 添加不可燃矿物纤维阻燃

从沥青路面组成成分的整体出发，集料中的木质纤维、矿粉等采用不可燃矿物纤维替代。由于矿物纤维本身含有羟基的阻燃基，受热释水后吸收热量同时脱水后迅速成炭形成保护层，从而达到阻燃的目的。

1.1.3 高空隙率型路面结构阻燃

高空隙率的沥青路面主要在三方面起到阻燃的作用：第一，当路面发生事故涉及到可燃性液体泄漏时，高孔隙率的沥青路面结构会迅速将可燃液体吸收到内部，阻止在路面表层燃烧。第二，由于高孔隙率的路面内部氧气含量较少，迅速吸入沥青路面内部的燃料得不到燃烧。第三，由于液体燃料大部分被吸入，所以在路面表面得不到大面积扩散，因此而达到阻燃目的。

1.2 阻燃技术研究进展

2007年姜汶泉等人通过马歇尔试件燃烧实验、隧道模拟沥青混凝土路面燃烧实验发现阻燃沥青混合料的阻燃性能要好于SBS 改性沥青混合料，且隧道沥青混凝土路面的防火和阻燃层厚度应该不小于4cm[2]。2013年，刘细军等发现氢氧化铝作为阻燃剂的可以提高混合料的阻燃性能，且能提高混合料的高温稳定性[3]。2013年，AliceBonati 等学者研究了纳米复合性材料与传统阻燃剂的综合作用对沥青混合料阻燃性能的影响。氢氧化铝、氢氧化镁等与纳米复合材料同时作用可以有效提升沥青混合料的阻燃性能[4]。2014年，张婷等人对SMA 沥青混合料的阻燃性能进行了研究，发现采用硅藻土、氢氧化镁及硅树脂组成的复合阻燃剂能够提高SMA 的阻燃性能，且对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性都有改善作用[5]。2015年，武斌发现氢氧化铝（ATH）与氢氧化钙（HL）按照1:1 制备的复合阻燃剂相较于单一氢氧化物阻燃剂具有较高的阻燃性与抑烟能力，并且其可以替代沥青混合料中的部分矿粉，相较于单一阻燃剂，增强了沥青混合料的力学性能与路用性能[6]。2021年，XiaWJ 等发现纳米阻燃剂可以有效抑制沥青在混合料中的燃烧效果，在混合料的表面形成致密稳定的炭渣，减少沥青混合料燃烧冷凝与气相烟气的释放与质量损失[7]。

2 温拌沥青技术分类及研究进展

2.1 沥青路面温拌技术分类

2.1.1 使用沥青降粘技术

沥青降粘技术是为了降低沥青的高温粘度而添加降粘剂，以实现温拌的目的。目前常用的降粘剂有Sasobit、EC-120 和Asphaltan-B。Sasobit 在超过114 ℃时通过搅拌溶解于沥青中，能够降低高温粘度，但会降低阻燃性能和长期水稳定性。EC-120 超过110℃后完全溶解于沥青中，降低高温粘度，提高低温粘度，有助于抗老化。Asphaltan-B 的熔点与EC-120 接近，能够提高沥青流动性，实现温拌的目的，也能提高压实度与抗车辙能力。

2.1.2 表面活性平台技术

Evotherm 温拌剂是基于表面活性平台技术的温拌剂，通过将乳化剂添加到含水沥青中来降低其粘度，使拌和温度降至100 摄氏度左右。拌和过程中，表面活性添加剂、水、沥青一起形成结构性水膜，润滑不受温度影响，有效防止沥青粘度增加，提高拌和性，从而实现温拌。

此外，山东建筑大学的王立志、赵品晖等人开发了新型的油溶性温拌剂，可以直接加入到沥青中，通过润滑作用降低混合料的生产温度，对混合料路用性能的影响较小。

2.1.3 沥青发泡技术

沥青发泡技术是通过将水与热沥青混合，使水迅速变成水蒸气，从而实现沥青体积膨胀、粘度降低的技术。常用的技术有WMA-Foam 温拌技术、沸石降粘技术和低能量沥青（LEA）技术。WMA-Foam 温拌技术采用两阶段法生产温拌沥青混合料，而沸石降粘技术则利用沸石中的孔腔吸附水分子，在加热过程中迅速释放水蒸气使沥青发泡。LEA 技术则是先将沥青与粗集料加热拌和，再将水与细集料拌和，最后将湿润的细集料加入粗集料与沥青的混合料中，使沥青发泡并降低粘度。这些技术都能实现温拌效果，具有降低能耗、环保、提高路用性能等优点。

2.2 温拌技术研究进展

2011年，刘勇制备了丙烯酸十八酯-苯乙烯-马来酸酐（SSM）共聚物作为降粘剂，将其添加到基质沥青中，研究了SSM 共聚物对基质沥青性能的影响规律并探讨了温拌作用机理[8]。2013年，王玲研究发现Sasobit 降粘剂会降低沥青的高温粘度，改善沥青的流变性能[9]。2014年，杨跃焕研究发现泡沫温拌SBS 改性沥青和表面活性剂温拌SBS 改性沥青混合料的高温抗车辙能力降低，低温抗裂性增强[10]。2017年，黄刚等人则发现Sasobit 温拌沥青与表面活性剂型DAT 温拌沥青对短期水稳定性影响较小。但Sasobit 会降低长期水稳定性，且能够提高高温稳定性和降低低温稳定性。而DAT 则对沥青混合料高低温性能影响较小[11]。韦万峰2018年研究发现水量是影响沥青发泡的主要因素，掺入溴化铵可提高泡沫沥青的水稳定性，路用性能与热拌沥青相当[12]。

3 温拌阻燃沥青混合料研究进展

邓祥明等人于2017年使用极限氧指数和黏度等实验分析了Sasobit 温拌剂和FRMAXTM 阻燃剂对沥青和混合料的影响。研究表明，Sasobit 温拌剂会提高抑烟性能，但对阻燃性能不利；Sasobit 温拌剂和FRMAXTM阻燃剂对SBS 改性沥青混合料的高温性能没有影响，但会降低其低温性能、抗疲劳性能和抗水损伤能力。[13]2020年，WanZM 等对Evotherm 温拌剂预湿处理的氢氧化铝阻燃剂的温拌阻燃沥青进行研究，发现添加颗粒状阻燃剂和水滑石混合可提高沥青混合料的限氧指数，形成自熄灭材料[14]。2021年，ChenR 等人对使用反应性聚合物（RPFR）阻燃剂的环保环氧树脂沥青（WEAB）的温拌阻燃性能进行研究，RPFR 的加入增加了WEAB 的限氧指数与热稳定性，且RPFR 中的环氧基团与环氧沥青中的固化剂反应降低了沥青的粘度，延长了施工时间，达到温拌的目的[15]。同年，JiangQ 等得出3.5%EC-120温拌剂与8%FRAMAX 阻燃剂与沥青拌合达到良好的温拌阻燃效果，可以减少45.5%的VOC 排放[16]。

4 结论与展望

温拌阻燃沥青技术同时实现了温拌与阻燃效果，降低了沥青混合料的拌和温度，减少了有毒烟气的排放，有效防止了在隧道工程中发生火灾事故引燃沥青路面造成的人员伤亡。但在后续的研究中重点解决以下问题：

（1）目前的评价指标体系对抑烟性能的研究较少，需要建立完整全面的温拌阻燃、抑烟性能评价体系；

（2）亟需研究开发绿色环保、稳定且对沥青混合料路用性能影响小的复合协同温拌阻燃剂；

（3）缺乏对沥青路面整体设计，在沥青混合料中的级配选择与面层结构方面研究较少；

（4）温拌阻燃机理研究相对匮乏，尤其是需要从微观层面研究相互之间的作用机理。