金属氢氧化物对SBS 改性沥青阻燃及路用性能影响研究

李清茂

(南平高速建设有限公司，南平 354200)

近年来，由于沥青路面优异的驾驶舒适性，降噪性以及彩色沥青等技术的发展[1]，沥青混合料被广泛应用于长大隧道内作为路面铺装材料。 然而由于隧道内相对闭塞和有限的空间环境， 隧道路面的安全问题日益受到行业内的关注[2-4]。沥青具有较高的闪点，但一旦隧道内起火会在短时间内形成高温及大量包括CO、CO2和CH4等有害气体，封闭隧道内突发性火灾，不仅对隧道内行驶的车辆造成严重的安全隐患，而且会危害国家公共财产，因此阻燃沥青路面的使用对于人类安全及财产安全都有着重大的意义。

阻燃沥青的研究开展于19 世纪50 年代， 最早采用卤素及磷作为阻燃剂用于屋顶毛毡和沥青涂层， 是一种有效抑制燃烧的添加材料， 主要作用是抑制可燃性物质的燃烧，防止火焰的扩散[5]。 目前常用的阻燃剂主要包括卤素阻燃剂、磷阻燃剂、金属氢氧化物、膨胀系阻燃剂以及纳米阻燃剂。金属氢氧化物是一种重要的矿物阻燃剂，可以降低材料沥青自身的助燃成分，此外它可以改变沥青的粘度、导热性以及物理性能。 MH 与ATH 是目前最常用的金属氢氧化物阻燃剂， 在燃烧过程中，MH 与ATH 会吸收热量产生大量的水蒸气，不仅减少了向沥青材料热量的传递，同时不可燃蒸汽会稀释可燃气体进一步减少燃烧的可能。 另一方面，ATH 与MH 均具有较高的熔点，裹服在沥青表面的金属氢氧化物可以阻隔热量传递从而起到阻燃的作用[6]。 但是作为添加剂加入到原有的沥青结合料中会改变原有沥青的物理性能， 甚至发生化学反应从而改变原有的空间结构， 因此需要进一步的研究确定添加剂对沥青结合料及混合料性能的影响。

本文先通过极限氧指数仪(LOI) 测定了不同掺量下ATH 与MH 对SBS 改性沥青氧指数的影响，分析了沥青阻燃性能的变化；再通过高温车辙试验，低温梁弯曲试验以及浸水马歇尔和冻融劈裂试验研究了AC-13 级配在最佳油石比下，MH 与ATH 阻燃剂对混合料路用性能的影响，为MH 与ATH 阻燃剂的选取和用量控制提供一定的参考性。

1 原材料

1.1 集料及沥青结合料

试验采用矿质集料选用福建产石灰岩，依据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)和《公路沥青路面施工技术规范实施手册》(JTG F40-2004)对其常规性能指标进行测定，均满足规范要求。试验所用沥青为壳牌SBS 改性沥青。

1.2 阻燃剂

金属氢氧化物阻燃剂采用分析纯ATH 与MH，其中ATH 的密度为2.40 g/cm3，熔点为300℃，莫氏硬度为3.0。MH 密度为2.36 g/cm3，熔点为350℃，莫氏硬度为2.0。

1.3 沥青混合料配合比

为制备阻燃沥青混合料， 选用福建产石灰岩集料与SBS 改性沥青制备AC-13 沥青混合料， 目标空隙率为4%。 AC-13 级配如表1 所示，按照马歇尔设计法确定最佳油石比为5.1%，分别在最佳油石比下掺加10%、15%、20%及25%的2 种阻燃剂，制备阻燃沥青混合料。

表1 AC-13 级配

2 阻燃性能分析

2.1 阻燃SBS 沥青的制备

首先将SBS 改性沥青恒温至170℃， 称取一定量的ATH 与MH， 将2 种阻燃剂匀速且均匀地加入SBS 改性沥青中， 在油浴中保温并通过磁力搅拌器在恒温条件下先以1000 r/min 进行初搅， 再以3000 r/min 进行二次搅拌以使阻燃剂与沥青混合均匀， 从而制得添加量分别为10%、15%、20%及25%的MH 和ATH 阻燃沥青。

2.2 阻燃SBS 改性沥青极限氧指数试验

极限氧指数试验是规定的条件下在氧和氮混合气体中进行燃烧所需要的最低氧浓度，计算公式如式(1)：

极限氧指数被应用于沥青阻燃性能的研究， 并制定了相应的级别划分标准。 金属氢氧化物在受热燃烧过程中会发生式(2)和式(3)化学反应，受热分解后产生大量的水蒸气达到降温，稀释作用降低温度，吸收热量。 此外氧化金属产物包裹在沥青表面可以达到反射热量的作用，从而起到阻燃的效果。 我国行业标准对于阻燃沥青的要求为极限氧指数≥23%。

本文极限氧指数试验按照行业标准 《沥青阻燃性能测定》(SH/T 0815-2010)进行试验，结果如图1 所示。

图1 阻燃剂掺量对LOI 影响

由图1 的试验结果可知，2 种阻燃剂对于LOI 结果有所不同， 综合表现可知MH 在相同掺量下对于SBS 沥青阻燃性能更为优异， 其中ATH 在15%掺量下，LOI 可达23.2%，MH 为23.9%，均满足规范要求。MH 与ATH 掺量的增加，会进一步提高沥青燃烧所需氧气程度，即沥青阻燃性的提高。

ATH 的分解温度一般在220℃～320℃，低于MH 的分解温度。 因此早期ATH 会较快分解，从而通过分解过程中产生的水蒸气及氧化产物综合达到阻燃的作用，但MH 反应过程中吸热量高于ATH，因此会略优于ATH 的阻燃效果。

3 路用性能试验

3.1 高温稳定性

隧道内与外界空气不流通，温度传递性差，相对外界沥青路面温度相对较低， 但仍然需要考虑隧道内沥青路面的高温性能。 高温车辙试验以60℃温度下，0.7 MPa 荷载作用循环碾压作为试验条件， 以动稳定度作为高温性能的评判标准， 对最佳油石比下制备的不同阻燃剂掺量的标准车辙板试件进行试验，结果如图2 所示。

图2 阻燃沥青混合料高温稳定性结果

由图2 的结果可以发现， 阻燃剂掺量的增加有利于提高沥青混合料的动稳定度， 主要是由于阻燃剂的添加提高了沥青混合料的弹性成分， 从而有利于提高荷载作用后的应变恢复能力，且随着阻燃剂掺量的进一步增加，抗变形能力逐渐提升， 均远高于规范要求。 相同掺量的ATH 高温稳定性略高于MH，其中ATH 动稳定度分别提升4.41%、2.35%、3.42%和2.20%， 主要是由于ATH 具有更高的莫氏硬度(3.0)。

3.2 水稳定性

隧道内空间相对封闭，不易接触到阳光照射，空气流动性差造成了隧道内独特的空间环境特性， 尤其是在阴雨过后，外界天气放晴，隧道外沥青路面上的积水可以通过坡度或者下渗排出大部分路表积水， 残余的路表水可以通过阳光照射蒸发。 而隧道内沥青路面上的积水难以通过蒸发作用排出， 长时间的积水会对沥青路面造成严重的水损坏， 因此对于阻燃沥青路面的水稳定性因着重考虑。 试验采用浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验(TSR)来测试不同阻燃沥青的水稳定性。 试验结果分别如图3～4所示。

图3 阻燃沥青混合料残留稳定度结果

图4 阻燃沥青混合料TSR 结果

由图3 的残留稳定度试验结果可知，无论是ATH 还是MH，掺量的增加都会减小沥青混合料的残留稳定度，表明金属氢氧化物阻燃剂的加入会降低沥青混合料的水稳定性，当掺量达到25%时，残留稳定度分别为81.4%和82.7%， 仅略高于 《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)。 2 种阻燃沥青混合料的残留稳定度并无明显的优劣，数值基本接近，表明2 种阻燃剂对沥青混合料水稳定性的影响接近， 并无明显的优劣之分。 图4 为TSR的试验结果， 总体趋势表现出与浸水马歇尔试验相同的特征，冻融劈裂强度比随着阻燃剂掺量的增加而降低，当掺量达到25%是，TSR 结果分别为78.6%与79.2%， 高于规范中要求的75%。

4 结论

本文选取MH 与ATH 作为阻燃沥青的添加剂，复配SBS 改性沥青，通过极限氧指数(LOI)试验对不同掺量的SBS 改性沥青进行阻燃性能测试。 基于马歇尔试验确定的沥青混合料最佳油石比，通过高温车辙试验，浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验评价了多种掺量下ATH 和MH阻燃沥青混合料的高温稳定性及水稳定性， 主要得到以下结论：

(1)通过极限氧指数试验结果可知ATH 和MH 的加入对于SBS 改性沥青的LOI 有所提升， 能有效提高SBS改性沥青的阻燃性能，2 种阻燃剂掺量为15%时，分别可以达到23.2%和23.9%， 满足规范 《沥青阻燃性能测定》(SH/T 0815-2010)要求中≥23%的规定，可以起到很好的阻燃效果， 其中MH 相比于ATH 具有更好地阻燃性能，主要是由于MH 反应过程中吸热量高于ATH，因此会略优于ATH。

(2)高温车辙试验结果表明ATH 和MH 的加入对于沥青混合料的高温稳定性有所提高， 主要是由于2 种阻燃剂的加入提高了沥青混合料的弹性水平， 能够在高温环境下抵抗荷载引起的永久变形， 且随着掺量的进一步增加而提升，其中ATH 具有更强的抗变形能力，可能是由于ATH 的莫氏硬度(3.0)高于MH(2.0)。

(3)浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验的结果综合表明ATH 及MH 的掺加降低了沥青混合料的水稳定性，2 种阻燃剂对性能的影响极为接近，当掺量达到25%时，残留稳定度及TSR 结果均略高于规范《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的最低要求，因此掺量的进一步增加会造成不满足规范要求的可能。