长隧道阻燃SBS 改性沥青混凝土性能和施工研究

王艺洋

（青海省交通工程技术服务中心，青海 西宁 810000）

0 引 言

沥青混凝土具有优异的抗滑性能和降噪性能，目前已被广泛应用于长隧道领域[1-2]，但也因此引入了火灾风险。由于长隧道通风系统不足，只要出现火灾，易产生严重的安全隐患[3]。为了解决该问题，隧道防火研究已经引起广泛的关注，例如隧道路面的阻燃沥青材料。目前国内外相关技术方案主要分为2 种：（1）利用开级配沥青磨耗层；（2）在沥青混凝土中引入阻燃剂[4-5]。具体对于利用开级配沥青磨耗层，由于其内部存在很多交联孔道，在出现火灾后，会有效吸收暴露在明火之中的易燃物、可燃物液体，从而阻碍火灾的扩展，降低火灾的危害程度，但其无法从根本解决火灾发生的问题。对于在沥青混凝土中引入阻燃剂，可以阻碍其燃烧，但该方法也存在明显的缺陷，包括阻燃剂的使用不利于环保和健康，增加隧道建设成本，同时会降低沥青混凝土的稳定性，降低其服役寿命等问题。

针对上述问题，本文采用环保阻燃剂制备了阻燃SBS 改性沥青混凝土，并验证了其阻燃性能、稳定性和施工性，为其在长隧道领域的实际应用提供了理论指导和技术支持，具有重大的工程价值。

1 实验部分

1.1 实验材料

SBS 改性沥青，杭州民申防水材料有限公司；高效阻燃剂（HF-216，白色粉末，含溴量≥80%，1.2 g/cm3，溶解温度≥140 ℃，平均粒径1~5 μm），湖北友丰科技有限公司；灰绿岩和石灰岩矿粉，东莞易天新材料有限公司。

1.2 实验仪器与设备

高速剪切机（GS-1），沧州钰展仪器设备有限公司；温度数显恒温油浴锅（HH-S），鹏艾鑫仪器设备有限公司。

1.3 样品制备

首先通过掺杂阻燃剂制备阻燃SBS 改性沥青，即通过油浴锅将SBS 改性沥青升温到160 ℃，降低其黏度。随后在机械搅拌过程中，向沥青中缓慢添加阻燃剂，使其分散均匀，再将沥青通过高速剪切机快速搅拌，进一步提高样品的均匀性[6]。

随后按照一定的配比值分别称量SBS 改性沥青、灰绿岩、石灰岩矿粉，并将其混合分散均匀后，浇铸至不锈钢模具中成型固化，直至样品质量稳定。

1.4 阻燃性能测试

对于阻燃性能，本文基于GB/T16172-2007/ISO 5660-1：2002，ASTME 1354 和ASTME 1550 标准，采用锥形量热计技术对阻燃SBS 改性沥青混凝土进行了测试，即英国FTT 公司的标准型锥形量热仪。为了减小误差，确保试验结果的准确性，通过模具将样品尺寸控制为10 cm×10 cm×3 cm，并采用铝箔包裹样品的非测试面，同时在样品底部放置隔热层。测试过程中，将各项参数设置成热流辐射强度45 kW/m2，气流速度25 L/s。

1.5 水稳定性测试

水稳定性测试方法参照JTG F40－2004 和JTG E20-2011。对于浸水试验，将样品置于30 ℃的恒温水槽中浸泡48 h，随后将马歇尔试验仪的上下压头放入水槽中达到同样温度，启动加载设备，使样品承受荷载，加载速度为50 mm/min，测试样品力学性能。对于冻融劈裂试验，将样品置于水槽中并通过恒温冰箱降温至-18 ℃保持16 h，随后取出样品立刻放置于60 ℃恒温水槽中保温，24 h 后取出样品，以50 mm/min 加载速度测试样品的力学性能。

2 结果与讨论

2.1 阻燃SBS 改性沥青混凝土阻燃性能

极限氧指数作为划分材料易燃性的参数，是验证阻燃SBS 改性沥青混凝土阻燃性的重要指标，其中极限氧指数不高于21%的材料具有易燃性，介于21%~27%的材料具有可燃性，而大于27%的材料则为自熄灭材料。我们对未改性和制备得到的改性SBS 沥青混凝土的阻燃性能测试，由图1 可知，对于未添加阻燃剂的传统SBS 改性沥青混凝土，其极限氧指数仅为20.5%，可视为易燃材料；而阻燃SBS改性沥青混凝土的极限氧指数明显增加，达到27.4%，可视为自熄灭材料，说明阻燃剂的添加可以显著提高沥青混凝土的阻燃性能。

图1 不同混凝土样品极限氧指数Fig. 1 The limit oxygen index of different concrete samples

引燃时间TTI 作为评价阻燃SBS 改性沥青混凝土阻燃性能的另一个重要指标，定义为混凝土处于某一温度环境中受热时，表面从受热到持续出现燃烧所需要的时间。处于相同温度下，TTI 值越高，即混凝土的阻燃性能越优异。由图2 可知，在相同温度环境中，阻燃SBS 改性沥青混凝土的TTI 值长达241±13 s，较未添加阻燃剂的对比样提高了56 s，显示出优异的阻燃效果。这是由于引入的阻燃剂在受热时会优先发生分解反应，内部的化学键断裂吸收大量的热量，从而抑制了燃烧的发生。

图2 不同混凝土样品引燃时间Fig. 2 The ignition time of different concrete samples

基于阻燃剂的抑制作用，阻燃SBS 改性沥青混凝土在燃烧时需要吸收更多热量，因此也增加了其燃烧终止时间。如图3 所示，阻燃SBS 改性沥青混凝土的燃烧时间达到了998 s，较未添加阻燃剂的对比样延长了58 s，对于增加时间的比例而言，这种程度的增加并不显著（67/929=7.2%），但对于高温环境下的可燃材料，增加的58 s 足以使逃生人员多跑出300 m 以上，可以有效地保障逃生人员的生命安全。

图3 不同混凝土样品燃烧终止时间Fig. 3 The termination time of combustion of different concrete samples

热释放速率HRR 是评价阻燃SBS 改性沥青混凝土阻燃性能的另一个重要参数，是指混凝土在燃烧时的单位面积和时间释放的热量。处于相同环境中，混凝土燃烧时的HRR 值越高，则产生的影响越严重。由图4 可知，2 种混凝土在燃烧时的热释放形式相同，HRR 均随着时间先增加再降低，随后再增加再降低，出现两个拐点。然而，阻燃SBS 改性沥青混凝土在燃烧的过程中，HRR 达到最大值需要305 s，远慢于未添加阻燃剂的对比样（198 s），并且HRR 保持较高水平的时间也明显减少。更重要的是，阻燃SBS 改性沥青混凝土的HRR 最大值仅为89.5 kW/m2，较未添加阻燃剂的对比样（120.6 kW/m2）降低了23.3%，显示出优异的抑制热量释放作用。在长隧道这类较为密闭的环境中，如果出现火灾，由于热量的快速聚集会加速火灾拓展，易产生爆炸的风险，因此阻燃SBS 改性沥青混凝土的使用可以有效地缓解该问题。

图4 不同混凝土样品热释放速率Fig. 4 The heat release rates of different concrete samples

失重率是阻燃SBS 改性沥青混凝土在燃烧时的质量损失速度，可以显示出其燃烧程度，即失重率越高，火灾程度和损害就越严重。如图5 所示，在整个燃烧过程中，阻燃SBS 改性沥青混凝土的失重率均低于未添加阻燃剂的对比样；至燃烧结束时，其失重率仅为2.13%，远低于对比样（2.87%），意味着阻燃剂的引入能显著减小混凝土在着火后的损失率，使其在火灾后依旧能保持良好的服役状态，减少后期维护维修成本，有利于火灾后重建。

图5 不同混凝土样品的失重率Fig. 5 The weight loss rates of different concrete samples

沥青混凝土在燃烧后会快速形成烟雾，不仅影响行车人员视线，易造成车祸，行车人员在吸入烟雾后会影响身体健康，甚至导致窒息。因此，总生烟量（单位面积混凝土燃烧后产生的烟雾量）也是评价火灾严重程度的重要指标。如表1 所示，阻燃SBS改性沥青混凝土的总生烟量为796.3 m2/m2，较未添加阻燃剂（894.6 m2/m2）的对比样降低了10%以上，可以有效降低烟雾的产生。

表1 不同沥青混凝土总生烟量Table 1 The total smoke production of different asphalt concrete samples

类似的，一氧化碳/二氧化碳生成量也同样重要。如表2 所示，阻燃SBS 改性沥青混凝土在着火后产生的一氧化碳和二氧化碳排放量分别为0.04 kg/kg 和1.58 kg/kg，较未添加阻燃剂的对比样分别降低了40.1%和5.8%，一方面表明阻燃SBS 改性沥青混凝土有限抑制了燃烧，另一方面表明其可以有效减少一氧化碳/二氧化碳的排放量。

表2 不同沥青混凝土一氧化碳和二氧化碳产生量Table 2 The production of carbon monoxide and carbon dioxide of different asphalt concrete smples

燃烧是沥青混凝土处于充分氧气和外部热源环境中，在表面产生的系列化反应。当沥青混凝土受热后会产生大量的可燃气体、小部分的一氧化碳/二氧化碳和微量的残留物。如果可燃气体的浓度增加至阈值以上，在足够的外部热源下，沥青混凝土即出现燃烧。基于能量守恒定律，沥青混凝土燃烧时具有如下关系：

其中，Q 为外部热源提供的热量，Qb为沥青混凝土燃烧热，Qd为沥青混凝土分解热，Ql为耗散热。

若Qb≥Qd+Ql，即燃烧热大于燃烧所需的能量时，沥青混凝土即可保持自燃。这里Ql受外部环境影响，燃烧环境往往复杂多变，难以控制；而Qb和Qd由材料性质决定，可以通过改变沥青混凝土的构成进行调整。因此，通过引入阻燃剂，可以使沥青混凝土受热时优先发生分解反应，内部的化学键断裂吸收大量的热量，即增大Qd并减少了Qb，从而实现阻燃性能。

2.2 阻燃SBS 改性沥青混凝土稳定性

混凝土由于其多孔结构，极易吸附水分，在受冻后孔洞内的水分结冰，体积发生膨胀，对混凝土产生应力，在反复冻融循环后，会导致混凝土开裂，严重影响隧道道路的使用安全。因此，测试了阻燃SBS 改性沥青混凝土的水稳定性，评估其抵抗水分损伤的能力。首先将样品置于水中浸泡，测试其机械性能的变化程度，具体测试方法可参考JTG E20-2011 和JTG F40－2004。经测试，浸泡后阻燃SBS 改性沥青混凝土力学强度仍保持原始样品的91.6%，大于规范要求值（85%），有利于其实际应用，而未添加阻燃剂的传统SBS 改性沥青混凝土则保留力学强度的92.3%，说明阻燃剂的添加对于混凝土的水稳定性几乎没有影响，即阻燃SBS 改性沥青混凝土具备优异的水稳定性。为了进一步验证阻燃SBS 改性沥青混凝土的水稳定性，我们还测试了其冻融循环后的机械性能。阻燃SBS 改性沥青混凝土在试验后，力学强度仍具有试验前样品的93.3%，大于规范要求值（80%），而未添加阻燃剂的传统样品则保留力学强度的94.1%，因此阻燃SBS 改性沥青混凝土可满足实际应用要求。

除了水稳定性以外，动稳定度同样决定了阻燃SBS 改性沥青混凝土的服役寿命。为了说明阻燃SBS 改性沥青混凝土的动稳定度。基于JTG E20-2011 中的相关测试方法，开展了车辙测试。经试验（试验条件：温度60 ℃，轮压0.7 MPa），阻燃SBS 改性沥青混凝土的动稳定度高达5 446 次/mm，远高于实际应用要求的3 000 次/mm，同时其与未添加阻燃剂的传统改性沥青混凝土的动稳定度相近（5 524 次/mm），具有优异的动稳定度。

我国土地辽阔，气候差异也极为明显，为了使阻燃SBS 改性沥青混凝土具有更广泛的适用性，应保证其具有低温稳定性，例如当用于东北地区，其冬季温度可低至-40 ℃。因此采用JTG E20-2011中的相关规程标准，测试了阻燃SBS 改性沥青混凝土的低温稳定性。经测试，阻燃SBS 改性沥青混凝土在低温环境下的抗拉强度、抗拉应变和劲度模量分别为9.77 MPa，3 755 με 和2 580 MPa。然而，未添加阻燃剂的传统SBS 改性沥青混凝土这3 项性能分别为8.97 MPa，3 624 με 和2 331 MPa，甚至略低于阻燃SBS 改性沥青混凝土，说明后者提高了低温稳定性，可以进一步推动实际应用。

2.3 阻燃SBS 改性沥青混凝土施工

虽然实验室小批量制备的阻燃SBS 改性沥青混凝土具备优异的阻燃性和稳定性，满足实际应用要求，但批量化制备施工时，往往结果无法尽如人意，例如性能出现降低、混凝土发生开裂等问题。为了验证阻燃SBS 改性沥青混凝土的实际应用前景，我们在实际道路上进行了施工并测试了相关性能指标。

阻燃SBS 改性沥青混凝土施工方案与实验室制备相似，而工艺包括：沥青加热温度为160 ℃，矿料加热温度为200 ℃，拌合温度为150 ℃，摊铺温度为180 ℃，初压温度为160 ℃，终压温度为100 ℃。施工制得的阻燃SBS 改性沥青混凝土通过现场钻芯取样进行了测试，其表面层厚度为40 mm，压实度95.5%，孔隙率为4.2%，平整度为0.68。根据文献中报道的方法对施工样品进行了评级，最终得分约为84.7，介于80 至85 分之间，因此认定该阻燃SBS 改性沥青混凝土的工程质量等级达到4 级，可以满足实际应用要求[7-8]。

3 结 论

本研究通过在SBS 改性沥青中掺杂阻燃剂的方法，制备了一种适用于长隧道的阻燃SBS 改性沥青混凝土，通过与未添加阻燃剂的传统SBS 改性沥青混凝土对比，发现前者具备良好的阻燃性、稳定性和施工工程质量，为解决长隧道火灾风险的问题提供了思路。具体结论如下：

(1)阻燃SBS 改性沥青混凝土的点燃时间、热量释放速度、产生的烟雾量以及一氧化碳和二氧化碳排放量这些阻燃性能参数都远优于未添加阻燃剂的传统样品，具有优异的阻燃效果。

(2)阻燃SBS 改性沥青混凝土具有优异的水稳定性、动稳定度和低温稳定性，说明其服役寿命与未添加阻燃剂的传统样品相近。

(3)通过在公路上施工制备了阻燃SBS 改性沥青混凝土，经检验，其表施工工程质量达到4 级，可以满足实际应用需求。