王丽丽 周建光 陈小兵 王俊天 文威 梁忠善 张梦茹 吴林

苏州三创路面工程有限公司 苏州交投建设管理有限公司 东南大学交通学院 杭州市交通运输发展保障中心

摘 要： 为了研究阻燃剂对SBS改性沥青流变性能的影响，制备了不同阻燃剂用量（10%～50%）的阻燃改性沥青，通过动态剪切流变试验（DSR）和弯曲梁劲度试验（BBR）测试阻燃沥青的流变性能。结果表明：阻燃剂能够提高阻燃沥青的车辙因子，增强阻燃沥青的高温流变性能；随着阻燃剂用量的增加，阻燃沥青的疲劳因子不断增大，加入20%～30%阻燃剂能使阻燃沥青保持原样沥青的疲劳性能；阻燃剂能够增大阻燃沥青的蠕变劲度、减小松弛速率，从而提升阻燃沥青的低温流变性能。

关键词： 沥青;阻燃剂;流变性能;DSR;BBR;

作者简介： 王丽丽（1976—），女，江苏苏州人，高级工程师。;

基金： 苏州市科技发展计划（民生科技）项目,项目编号：8521008637;

引言

为了解决沥青的燃烧问题，将阻燃材料加入沥青中便成为保障隧道沥青路面运营安全的技术途径之一。目前，国内外研究人员对阻燃沥青性能开展了多方面的研究，提供了隧道沥青路面防火阻燃的解决方案。阻燃剂在沥青表面形成复合致密的炭化层，防止热量传递，阻碍氧气供应，抑制可燃挥发物的释放，使得阻燃剂具有优良的协同阻燃效果[1]。常用的阻燃剂类型较多，如金属氢氧化物[2]、有机磷系[3]、复合阻燃剂[4]等，沥青加入阻燃剂后四组分的热分解速率降低，初始分解温度和最大分解温度升高，CO2和H2O仍是燃烧后的主要产物[5]，而且金属氢氧化物能提高SBS改性沥青的黏度和高温性能，降低沥青的延度，提高沥青的活化能和阻燃性能[6]。阻燃剂可以改善沥青的阻燃抑烟性能，但阻燃剂的掺入对沥青流变性能的影响尚需深入研究。

1 原材料

所用的SBS改性剂含量为4.5%，技术指标见表1。阻燃剂采用隧道专用矿物阻燃剂，是一种由多种天然矿物加工而成的环保矿物阻燃剂，具有阻燃抑烟效果好、对沥青性能不良影响小、加工工艺简单、成本低廉等优势，阻燃剂的外观为白色非晶形粉末。

表1 SBS改性沥青技术指标 *载下**原图

2 试验方法

2.1 制备阻燃沥青

按照沥青质量的10%、20%、30%、40%和50%称取阻燃剂，制备不同阻燃剂用量（10%～50%）的阻燃剂改性沥青（以下简称“阻燃沥青”），具体制备流程：（1）将成品SBS改性沥青（原样沥青）放入175℃的烘箱中保温2 h，用于制备阻燃沥青的原样沥青按照每桶2 kg分装到留样桶中，将装有沥青的留样桶放入恒温电热套中，温度设定为175℃；（2）称取对应质量（沥青质量的10%～50%）的阻燃剂，待数显恒温电热套的温度上升至170℃时，在20 min内向原样沥青中缓缓加入阻燃剂；（3）待阻燃剂完全加入阻燃沥青后，继续搅拌30 min，然后将热阻燃沥青浇注进对应模具。

2.2 动态剪切流变试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011)[7]中T 0628试验方法，采用英国Malvern公司制造的Kinexus DSR高级动态剪切流变仪对沥青进行温度扫描试验。进行高温温度扫描试验时，沥青样品放置在直径为25 mm、间距为1 mm试验板之间；进行中温温度扫描试验时，沥青样品放置在直径为8 mm、间距为2 mm试验板之间。高温温度扫描试验的温度扫描范围为64～94℃，温度间距为6℃；中温温度扫描试验的温度扫描范围为16～31℃，温度间距为3℃。高温和中温范围内的温度扫描试验均采用应变控制模式，固定加载频率为10 rad/s。DSR试验数据采用rSpace软件进行处理。

沥青路面的车辙主要由沥青混合料层的累积应变引起，是一种受应力控制的循环加载现象[8]。在沥青混合料产生变形的过程中，交通荷载所做的功一部分由应变的弹性分量恢复，另一部分由应变的黏滞流动分量和产生的热量进行耗散[9]。BAHIA和ANDERSON[10]针对沥青的黏弹性性质，基于耗散能概念和应力控制假设，采用车辙因子对沥青高温抗车辙性能进行评价。沥青路面在中等温度下主要的破坏模式是疲劳开裂，基于耗散能概念和应变控制假设，采用疲劳因子对沥青中温抗疲劳性能进行评价。

2.3 弯曲蠕变劲度试验

采用TE-BBR弯曲梁流变仪，按照ASTM D6648[11]对沥青小梁进行BBR试验。沥青小梁的尺寸为102 mm×12.5 mm×6.25 mm。试验温度为-6℃、-12℃、-18℃和-24℃。BBR自动采集8 s、15 s、30 s、60 s、120 s和240 s的荷载和挠度。基于欧拉-伯努利梁理论（Euler-Bernoulli beam theory），通过BBR试验的挠度数据计算可得沥青的蠕变劲度（Creep Stiffness,S(t））与松弛速率（Relaxation Rate,m(t）），作为沥青低温流变性能的评价指标。

3 试验结果分析

3.1 高温流变性能

不同阻燃剂用量（10%～50%）的阻燃沥青的高温流变性能见图1。

图1 阻燃沥青的车辙因子 *载下**原图

由图1可知，阻燃沥青的车辙因子随着试验温度的增加而指数下降，车辙因子的对数与试验温度线性相关；同一试验温度下，随着阻燃剂用量的增加，阻燃沥青的车辙因子不断增大；添加10%～50%阻燃剂分别使阻燃沥青的82℃车辙因子增大了14.7%、49.2%、99.2%、167.8%、218.4%。阻燃剂的加入能够显著提高阻燃沥青的高温流变性能。

3.2 中温流变性能

不同阻燃剂用量（10%～50%）的阻燃沥青的中温流变性能见图2。

图2 阻燃沥青的疲劳因子 *载下**原图

由图2可知，阻燃沥青的疲劳因子随着试验温度的增加而指数下降，疲劳因子的对数与试验温度线性相关；同一试验温度下，随着阻燃剂用量的增加，阻燃沥青的疲劳因子不断增大；添加10%～50%阻燃剂分别使阻燃沥青的22℃疲劳因子变化了-22.0%、-10.3%、3.9%、22.4%、38.2%。加入20%～30%阻燃剂能使阻燃沥青保持原样沥青的疲劳性能。

3.3 低温流变性能

不同阻燃剂用量（10%～50%）的阻燃沥青的低温流变性能见图3。

图3 阻燃沥青的蠕变劲度和松弛速率 *载下**原图

由图3(a）可知，随着测试温度的降低，沥青小梁的蠕变劲度不断变大，呈现指数型增大的趋势，说明低温下阻燃沥青变硬、变脆，温度对阻燃沥青的劲度影响显著。随着阻燃剂用量的增加，在测试温度为-6℃、-12℃和-18℃时，阻燃沥青的蠕变劲度不断增大；而当测试温度为-24℃时，阻燃沥青的蠕变劲度则呈现先减小后增大的趋势。由图3(b）可知，随着测试温度的降低，沥青小梁的松弛速率不断减小，呈现线性减小的趋势，说明低温下沥青的应力松弛降低，可能造成沥青材料内部的应力累积。随着阻燃剂用量的增加，阻燃沥青的-6℃松弛速率呈现波动变化的趋势，-12℃松弛速率呈现先减小后增大的趋势，-18℃松弛速率呈现增大的趋势，-24℃松弛速率则呈现先增大后减小的趋势，说明不同温度下阻燃剂对沥青低温应力松弛性能影响规律不一样。

4 结语

(1）阻燃剂能够显著提高阻燃沥青的高温流变性能，改善阻燃沥青的低温流变性能。（2）随着阻燃剂用量的增加，阻燃沥青中温抗疲劳性能增强，20%～30%阻燃剂能使阻燃沥青保持原样沥青的疲劳性能。（3）温度对阻燃沥青的劲度影响显著，不同温度下阻燃剂对沥青低温应力松弛性能影响规律也不同。

参考文献

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