温拌阻燃橡胶复合改性沥青混合料性能及工程应用

刘 鑫

(河南宛龙高速公路有限公司，河南 舞钢 462532)

0 引言

橡胶复合改性沥青能够消耗大量废旧橡胶轮胎，是废旧轮胎无害化、资源化应用的重要途径，且橡胶复合改性沥青制备的混合料路用性能优良。因此，充分利用橡胶复合改性沥青混合料对公路建设和环境保护均具有重要意义[1-3]。但橡胶复合改性沥青较普通改性沥青黏度较大，施工温度较高，橡胶复合改性沥青混合料在拌和、运输和碾压过程中会产生大量的刺激性有毒气体[4-6]。尤其是在长大隧道内，施工空间小、通风不良，且要求路面具有一定的阻燃性能，橡胶复合改性沥青较高的施工温度和大量有害气体排放，不仅造成施工难度增加、危险性提高，对施工人员健康也造成较大伤害[7-9]。因此，亟需研究开发温拌阻燃橡胶复合改性沥青混合料，降低施工温度，减少有害烟尘排放，以适应长大隧道等特殊应用场景。

基于此，本文对温拌剂和阻燃剂在不同掺量下的温拌阻燃功效，以及温拌阻燃橡胶复合改性沥青混合料性能及在长大隧道工程的应用效果进行分析研究，以期为橡胶复合改性沥青混合料进一步推广应用提供参考。

1 原材料

1.1 橡胶复合改性沥青

橡胶复合改性沥青采用工厂化制备完成的成品，由30～40目橡胶粉、少量SBS改性剂与70#道路石油沥青掺配而成。橡胶复合改性沥青性能指标出厂检测结果见表1，满足《废胎胶粉复合改性沥青路面施工技术规范》(DB41/T 1286-2016)的要求。

表1 橡胶复合改性沥青性能

1.2 温拌剂

温拌剂采用新型聚烯烃类改性剂Sasobit型，白色固体小颗粒，熔点约99℃。将温拌剂作为改性剂直接加入橡胶复合改性沥青，温拌剂熔化后改变橡胶复合改性沥青的粘温曲线，降低高温黏度和生产温度[10-11]。

1.3 阻燃剂

采用沥青专用阻燃剂AH-251型，日照路源筑路材料有限公司生产。外观为白色粉末状，中位粒径D50为10.0μm。阻燃剂阻燃机理为受热分解时吸收大量热量，降低沥青及混合料表面温度，同时产生大量不易燃烧的气体，减少沥青及混合料与氧气接触，发挥阻燃功效。

2 温拌阻燃橡胶复合改性沥青阻燃效果

温拌阻燃橡胶复合改性沥青采用湿法制备，将成品橡胶复合改性沥青加热至165℃～175℃，然后分别逐步加入设定剂量的温拌剂和阻燃剂，再用高速搅拌机剪切搅拌30min～50min，得到温拌阻燃橡胶复合改性沥青。

参照《沥青混合料改性添加剂第3部分：阻燃剂》(JT/T 860.3-2014)试验方法及要求，采用氧指数和烟密度两个指标评价温拌阻燃橡胶复合改性沥青的阻燃效果。不同温拌剂和阻燃剂掺量下的阻燃效果如图1所示。

图1 温拌阻燃橡胶复合改性沥青阻燃效果

由图1可见，相同温拌剂掺量下，在0%～6.5%范围内，随着阻燃剂掺量的增加，氧指数逐渐增加，烟密度逐渐减小，表明橡胶复合改性沥青阻燃效果增强。相同阻燃剂掺量下，在0%～3.5%范围内，随着温拌剂掺量的增加，氧指数逐渐减小，烟密度逐渐增加，表明橡胶复合改性沥青阻燃效果略微减弱，添加温拌剂对阻燃效果不利，温拌剂对阻燃功效有一定抑制作用。当温拌剂掺量为3%，阻燃剂掺量为6%时，橡胶复合改性沥青氧指数为31.6%，烟密度为59.7%，满足JT/T 860.6-2016氧指数≥25%、烟密度≤75%的要求。

3 温拌阻燃橡胶复合改性沥青温拌效果

3.1 基于黏度的温拌效果

黏度是评价沥青温度敏感性和黏滞性的重要指标。温拌剂发挥温拌效果的一个重要途径是降低沥青的高温黏度[12-13]。加入温拌剂后沥青在较低温度下即可达到未加温拌剂沥青较高温度时的黏度，从而降低沥青混合料的拌和温度。因此可通过测定温拌阻燃橡胶复合改性沥青在不同温度下的黏度，评价其温拌效果。不同温拌剂和阻燃剂掺量下的橡胶复合改性沥青在不同温度下的黏度如图2所示。

图2 温拌阻燃橡胶复合改性沥青黏度

由图2分析可知，阻燃剂掺量一定时，在0%～3.5%范围内，随着温拌剂掺量增加，橡胶复合改性沥青黏度逐渐下降，表明温拌剂可明显降低橡胶复合改性沥青黏度。温拌剂掺量一定时，在0%～6.5%范围内，随着阻燃剂掺量增加，橡胶复合改性沥青黏度呈略微增加的趋势，表明阻燃剂对橡胶复合改性沥青温拌效果不利。当阻燃剂和温拌剂掺量一定时，随着温度降低，橡胶复合改性沥青黏度逐渐增大。在175℃时，未掺加温拌剂和阻燃剂的橡胶复合改性沥青黏度为2.1Pa·s；在155℃时，当温拌剂掺量为3%、阻燃剂掺量为6%，橡胶复合改性沥青黏度为2.2Pa·s，与未掺加温拌剂和阻燃剂情况下，175℃时黏度基本相当。该黏度可满足施工要求。因此从黏度指标考虑，掺加3%温拌剂和6%阻燃剂，温拌阻燃橡胶复合改性沥青可降低施工温度约20℃。

3.2 基于压实特征的温拌效果

添加温拌剂后沥青混合料黏度降低，施工和易性提高，更容易拌和、压实。对于特定配比的混合料，理论最大密度为固定值，压实后混合料空隙率是压实特征的重要评价指标，因此可采用空隙率评价沥青混合料压实特征，进而评价温拌剂温拌效果。

温拌阻燃橡胶复合改性沥青混合料采用相同的级配和油石比，每个温拌剂和阻燃剂掺量下，分别在175℃、165℃、155℃、145℃温度下按现行规范方法击实成型马歇尔试件，然后测试每个试件的毛体积密度，结合理论最大密度，得到不同击实温度下试件的空隙率(图3)。

耕地是人类赖以生存的基本条件，是农业生产的基础，而且土地资源本身具备一定的环境修复功能，对地球表层的生态系统改造有很大影响。中国是农业大国，但是耕地总面积较少，加上近年来城市化、工业化发展，导致一部分耕地资源逐渐变为建设用地，加大了粮食安全生产压力。

图3 不同击实温度下温拌阻燃橡胶复合改性沥青混合料空隙率

由图3分析可知，相同成型温度下，阻燃剂掺量一定时，在0%～3.5%范围内，随着温拌剂掺量增加，橡胶复合改性沥青空隙率逐渐下降，这主要是温拌剂发挥温拌降黏作用。温拌剂掺量一定时，在0%～6.5%范围内，随着阻燃剂掺量增加，橡胶复合改性沥青空隙率呈增加趋势，表明阻燃剂对橡胶复合改性沥青温拌效果不利。当阻燃剂和温拌剂掺量一定时，随着温度降低，橡胶复合改性沥青空隙率逐渐增大。

在155℃，温拌剂掺量为3%、阻燃剂掺量为6%时，橡胶复合改性沥青空隙率为4.2%。在175℃下，未掺加温拌剂和阻燃剂的空隙率为4.1%。根据《沥青混合料改性添加剂第6 部分：温拌剂》(JT/T 860.6-2016)，添加温拌剂后采用击实方法成型的混合料试件，其空隙率要求比原热拌沥青混合料空隙率不大于0.5%。因此，根据压实后空隙率指标，当温拌剂掺量为3%、阻燃剂掺量为6%时，155℃下击实效果与未掺加温拌剂的原混合料基本相当。

根据上述不同温拌剂和阻燃剂掺量下的橡胶复合改性沥青温拌阻燃效果，确定温拌剂掺量为3%、阻燃剂掺量为6%。混合料可在155℃下施工，比原混合料施工温度降低约20℃。

4 温拌阻燃橡胶复合改性沥青性能

采用湿法制备温拌阻燃橡胶复合改性沥青，阻燃剂掺量为3%，温拌剂掺量为6%，按现行规范方法检测其各项性能指标，试验结果见表2。

表2 温拌阻燃橡胶复合改性沥青性能

由表2可见，掺加温拌剂和阻燃剂后橡胶复合改性沥青性能仍满足《废胎胶粉复合改性沥青路面施工技术规范》(DB41/T 1286-2016)和《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F 40-2004)的要求，与原橡胶复合改性沥青性能基本相当，性能良好。

5 温拌阻燃橡胶复合改性沥青混合料性能

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)相关试验方法，成型不同检验项目对应的试件，温拌剂掺量均为3%，阻燃剂掺量均为6%，不同性能检测试件成型温度均为155℃。温拌阻燃橡胶复合改性沥青混合料性能实测结果如表3所示。由表3可见，温拌阻燃橡胶复合改性沥青混合料性能良好，均满足《废胎胶粉复合改性沥青路面施工技术规范》(DB41/T 1286-2016)和《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F 40-2004)的要求。

表3 温拌阻燃橡胶复合改性沥青混合料性能

6 工程应用

济阳高速公路(济源-阳城)济源段地处山区，地形复杂，多次穿越隧道。太行隧道总长6 130延米，是济阳高速公路最长的隧道。隧道内路面要求采用橡胶复合改性沥青，为减少施工中沥青烟排放，保证通车后行车安全，避免隧道火灾，该隧道内采用温拌阻燃橡胶复合改性沥青，温拌剂掺量为3%，阻燃剂掺量为6%。施工完成后检测路面性能，检测结果如表4所示。由表4分析可知，温拌阻燃橡胶复合改性沥青路面性能良好，满足《公路工程质量检验评定标准第一册土建工程》(JTG F80/1-2017)及设计要求。

表4 温拌阻燃橡胶复合改性沥青性能检测结果

7 结论

(1)在0%～6.5%范围内，随着阻燃剂掺量增加，氧指数逐渐增加，烟密度逐渐减小，表明橡胶复合改性沥青阻燃效果增强。当温拌剂掺量为3%、阻燃剂掺量为6%时，橡胶复合改性沥青氧指数为31.6%，烟密度为59.7%，满足JT/T 860.6-2016氧指数≥25%、烟密度≤75%的要求。

(2)在0%～3.5%范围内，随着温拌剂掺量的增加，橡胶复合改性沥青黏度逐渐下降，表明橡胶复合改性沥青温拌效果增强。从黏度指标考虑，掺加3%温拌剂和6%阻燃剂，温拌阻燃橡胶复合改性沥青可降低施工温度约20℃。

(3)相同成型温度下，在0%～3.5%范围内，随着温拌剂掺量增加，橡胶复合改性沥青混合料击实后空隙率逐渐下降。根据空隙率指标，当温拌剂掺量为3%、阻燃剂掺量为6%时，温拌阻燃橡胶复合改性沥青混合料可降低施工温度约20℃。

(4)温拌剂和阻燃剂有一定的相互抑制作用，为保证总体温拌阻燃性能，温拌剂和阻燃剂掺量均不宜过高。

(5)阻燃剂掺量为3%、温拌剂掺量为6%时，温拌阻燃橡胶复合改性沥青及混合料性能良好，满足规范要求。

(6)温拌阻燃橡胶复合改性沥青混合料在长大隧道路面工程中应用效果良好，关键指标均满足规范及设计要求。