阻燃沥青及其混合料技术性能研究

郭瑞+谢宁+王欢+范志新+秦琦

（郑州大学 450001）

摘 要：当前，沥青路面在公路隧道工程建设中大量使用，而沥青易燃的危险性也引起了各国专家的重视。因此，为了解决沥青的易燃性问题，验证阻燃沥青及其混合料性质，本文通过开展极限氧指数实验评价阻燃沥青的阻燃性能，通过车辙实验、浸水马歇尔实验和冻融实验分别研究了阻燃沥青的高温稳定性和水稳定性。结果表明，阻燃剂显著地提高了沥青的阻燃性能，在阻燃剂最佳掺量下，阻燃沥青的高温稳定性得到了较大提高，而水稳定性在满足规范的前提下略有降低，但仍符合规范要求。

关键词：阻燃沥青；最佳掺量；极限氧指数；路用性能；

本文采用山东某公司生产的成品复配阻燃剂，采用干拌法直接制得阻燃沥青。通过对制备好的阻燃沥青进行沥青技术指标及其极限氧指数试验测试，并根据试验结果，确定阻燃剂的最佳掺量。在阻燃剂的最佳掺量下，通过车辙试验、浸水马歇尔试验以及冻融试验研究阻燃沥青的路用性能，以分析其在隧道中应用的可行性。

一、原材料及其物理性质

（1）沥青

试验采用70#道路石油沥青，各项性能指标见表1，符合JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的技术要求。

（2）阻燃剂

实验采用的阻燃剂属于膨胀型阻燃剂，其包含三种成分，成炭剂季戊四醇，脱水剂聚磷酸铵以及发泡剂三聚氰胺。各成分的技术指标如表2所示。

（3）集料

集料的技术指标如表3所示。

（4）矿粉

矿粉的技术指标如表4所示。

二、阻燃沥青技术性质

（1）阻燃沥青阻燃性能评价

本文采用极限氧指数评价阻燃沥青的阻燃性能。极限氧指数是指规定条件下，试件在氧气和氮气的混合气体中维持平衡燃烧所需最低的氧气浓度。一般空气中的氧气浓度为21%。试验结果如表5所示。

从表5数据可以看出，随着阻燃剂的掺量增加，阻燃沥青的极限氧指数增大。阻燃剂的增加可以显著增加阻燃沥青的阻燃性能，在阻燃剂掺量为8%时，极限氧指数可达到25.3%。

（2）阻燃沥青基本性质

沥青三大指标是划分粘稠石油沥青的重要技术指标，对沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳能力、水稳定性和耐久性有影响。另外，布氏旋转粘度是路面一个重要的力学指标，与沥青混合料动稳定度有很大的相关性。

石油沥青在加入阻燃剂之后，三大指标以及布氏旋转粘度将产生变化，试验采用《沥青及沥青混合料试验规程》（JTG 20E-20-2011），分别测定了阻燃剂掺量为5%、6%、7%和8%的阻燃沥青的三大指标和粘度。

基质沥青在加入阻燃剂后，随着阻燃剂掺量增加，针入度值降低且速度趋缓，可见分散在沥青中的阻燃剂细小颗粒使沥青的针入度变小，而其掺量增多对其针入度的影响在减弱。阻燃剂的掺量增加会使阻燃沥青的软化点升高，且幅度均匀。对于沥青延度，阻燃剂掺量的增加会使阻燃沥青的延度减小，它的变化趋势为随着阻燃剂掺量增加，延度减小的趋势越来越缓和。分析阻燃剂的掺入对阻燃沥青粘度的影响，可以发现随着阻燃剂的掺加量增大，阻燃沥青的粘度呈增加的趋势。

（3）阻燃剂最佳掺量

根据试验测得的数据，极限氧指数随着阻燃剂掺量的提高而提高，仅从这一个因素分析，阻燃剂掺量越大，阻燃效果越好，但是过多的阻燃剂，将无法充分溶解在沥青中，给沥青的物理性能造成很大的影响，使针入度、延度以及粘度降低，软化点升高，这是由于阻燃剂的加入使石油沥青的链段自由活动的能力减弱，沥青变稠。在掺量为7%时，针入度和延度趋向稳定，软化点有急剧上升的趋势，另外考虑经济因素，阻燃剂的最佳掺量为7%。

三、阻燃沥青混合料路用性能研究

（1）级配和最佳油石比

根据集料在试验室内的筛分结果，参照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中的级配范围，本文在试验时选取了AC-16C这种级配进行混合料配合比设计。AC-16C的级配范围、合成级配及其级配曲线如图1所示。

在确定最佳油石比时，选取3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%四个油石比，每个油石比成型4个马歇尔试件，按《沥青及沥青混合料试验规程》（JTG 20E-20-2011）中试验方法测定体积参数、稳定度、流值，取平均值计算混合料最佳油石比。

以油石比为横坐标，以马歇尔试验的各项指标为纵坐标，将试验结果绘成圆滑的曲线，从而确定相应于密度最大值的油石比a1=4.2，相应于稳定度最大值的a2=4.9，目标空隙率对应的的油石比a3=4.0，相应于沥青饱和度范围中值的油石比a4=4.0，OACmin=3.4，OACmax=4.4。

OAC1=1/4（a1+a2+a3+a4）=4.275

OAC2=1/2（OACmin+OACmax）=4.4

OAC=1/2（OAC1+OAC2）=4.3375，取为4.34

因此，通过马歇尔方法确定阻燃沥青的最佳油石比为4.34%。

（2）高温稳定性

根据规范T 0719测得的混合料动稳定度结果如表8所示。

根据实验数据可以看出，由于阻燃剂的掺入，沥青混合料的动稳定度增大。这是因为阻燃剂的掺入增大了沥青的粘度和软化点，改善了沥青的抗高温能力，从而提高了混合料的车辙动稳定度，进而提高了沥青混合料的高温稳定性。

（3）水稳定性

在阻燃剂掺量为最佳掺量7%的条件下，本文用浸水马歇尔实验和冻融劈裂试验研究阻燃沥青混合料的水稳定性能，分別进行了4组平行试验。

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定，普通沥青混合料的残留稳定度比不能低于75%，和残留强度比均不能低于70%。试验结果表明，尽管阻燃剂的掺入影响了沥青混合料的水稳定性，但由于阻燃剂的掺量较小，沥青膜的厚度减小有限，阻燃沥青混合料仍然具有良好的水稳定性。

结论：

a.阻燃剂显著提高了普通沥青的阻燃性，阻燃剂掺量为8%时，普通沥青的极限氧指数可达到25.3%。

b.阻燃剂增大了沥青的粘度和软化点，使针入度和延度减小。

c.由于沥青的软化点和粘度的提高，阻燃沥青混合料的高温稳定性得到了提高，而阻燃剂影响了沥青膜厚度，从而使水稳定性略有降低，但仍满足规范要求。

d.本文研究结果是建立在室内试验的基础上进行的，与实际应用情况存在一定的差异，应推广阻燃沥青与阻燃沥青混合料的应用，并长期观测其使用性能，为其路用性能作出参考。

参考文献：

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[6] 丛培良.阻燃沥青混凝土的制备与路用性能研究 [D].武汉：武汉理工大学，2006.

作者简介：

郭瑞，1994年5月，男，汉族，安徽省安庆市人；职称：学生；单位：郑州大学；专业：道路桥梁与渡河工程。

谢宁，1994年11月，女，汉族，山东省泰安市人；职称：学生；单位：郑州大学；专业：道路桥梁与渡河工程。

王欢，1995年9月，女，汉族，山西省运城市人；职称：学生；单位：郑州大学；专业：道路桥梁与渡河工程。

范志新，1994年4月，男，汉族，河南省信阳市人；职称：学生；单位：郑州大学；专业：道路桥梁与渡河工程。

秦琦，1995年1月，男，汉族，河南省鹤壁市人；职称：学生；单位：郑州大学；专业：道路桥梁与渡河工程。