劉賢鵬 奚文彬 鄒瑩雪 江 琪 吳少鵬*

(河北省高速公路延崇籌建處1) 張家口 075400) (武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430070)

0 引 言

隨著我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，道路交通領(lǐng)域得以快速發(fā)展，現(xiàn)大部分道路已采用瀝青路面．而普通瀝青在拌和、攤鋪以及碾壓過程中會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體，已成為行業(yè)內(nèi)難題．趙疆等[1]利用原子力顯微鏡和黏度測(cè)試研究了Sasobit溫拌劑對(duì)SBS瀝青性能的影響，發(fā)現(xiàn)溫拌劑分散性良好，能在瀝青中均勻分布，且能在高溫時(shí)降低瀝青的黏度．劉中明[2]通過布氏黏度度和動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)探究了溫拌摻量對(duì)橡膠瀝青性能的影響，結(jié)果表明：溫拌劑摻量越大，對(duì)瀝青的降黏作用越強(qiáng)，高溫性能也隨之降低．李夢(mèng)林[3]選用氫氧化鋁、氫氧化鎂、層狀雙金屬氫氧化物三種阻燃劑，采用不同配比對(duì)SBS瀝青進(jìn)行改性，并研究了其阻燃性能和流變性能，發(fā)現(xiàn)與單一阻燃劑相比，復(fù)合阻燃劑對(duì)瀝青的高溫性能有更好的改善效果．李啟榮等[4]利用復(fù)合改性技術(shù)制備了高黏改性阻燃瀝青，發(fā)現(xiàn)阻燃劑提高了瀝青的抗永久變形能力，卻降低了其低溫性能．喬建剛等[5]利用EC130溫拌劑和FRMAX阻燃劑對(duì)SBS進(jìn)行復(fù)合改性，通過高低溫流變性能和黏溫性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)復(fù)合改性提高了SBS瀝青的高溫性能和黏溫性能，但降低了其低溫性能．

目前常用的阻燃劑主要為鹵-銻、磷-氮、鹵-磷等阻燃材料復(fù)配而成，存在發(fā)煙量大、有毒、使用成本高等問題[6]．因此，本文設(shè)計(jì)了不同無機(jī)阻燃劑配比與有機(jī)溫拌劑復(fù)配，以及設(shè)計(jì)有機(jī)溫拌劑與阻燃劑的正交配比，制備了阻燃溫拌改性瀝青．并利用黏度測(cè)試、極限氧指數(shù)測(cè)試計(jì)算出了最佳配方，通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀探究了復(fù)合改性劑對(duì)瀝青高低溫性能的影響．

1 原材料與阻燃溫拌瀝青的制備

1.1 原材料

1.1.1瀝青

采用秦皇島某公司生產(chǎn)的SBS(I-C)改性瀝青．其物理性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 SBS改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果(I-C類)

1.1.2溫拌劑和阻燃劑

溫拌劑采用環(huán)保節(jié)能型瀝青改性劑Sasobit，一種聚烯烴類的瀝青改性劑．溫拌劑采用EC-120，一種聚烯烴類的瀝青改性劑．阻燃劑采用三種無機(jī)氫氧化物：氫氧化鋁ATH、氫氧化鎂MH、層狀雙金屬氫氧化物L(fēng)DHs．阻燃劑采用FRMAX，上述物理性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表2．

表2 溫拌劑性能指標(biāo)

1.2 阻燃溫拌瀝青的制備

采用熔融法制備阻燃溫拌瀝青．將SBS改性瀝青加熱至熔融狀態(tài)(170±5) ℃，采用以瀝青質(zhì)量的百分比，加入不同配比的無機(jī)阻燃劑，采用高速剪切儀，以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌1 h，使阻燃溫拌劑均勻分散在瀝青中，最后倒入一個(gè)干凈的容器中，冷卻至室溫，即可制得相應(yīng)的阻燃溫拌瀝青．將復(fù)合氫氧化物的摻量定為瀝青質(zhì)量的20%，溫拌劑Sasobit摻量為瀝青質(zhì)量的2%．各阻燃溫拌摻量(按照瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表3．

表3 不同復(fù)合阻燃劑的復(fù)配方案 單位：%

在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，將溫拌劑EC-120的摻量定為瀝青質(zhì)量的3%、3.5%、4%，阻燃劑的摻量定為瀝青質(zhì)量的7%、8%、9%，并通過不同的拌和溫度進(jìn)行拌和，即130，140，150 ℃．圍繞這三因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，外加劑混合法制備溫拌阻燃瀝青．其中正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案見表4．

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2 最佳配方的確定方法與高低溫性能測(cè)試方法

2.1 最佳配方的確定方法

2.1.1黏度試驗(yàn)

美國(guó)SHRP計(jì)劃采用的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)即Brookfield黏度計(jì)是雙筒旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的簡(jiǎn)化版本，主要用于測(cè)定瀝青處于較高溫度狀態(tài)下(牛頓流體)的黏度．因此，選用Brookfield黏度計(jì)測(cè)定改性瀝青的表觀黏度．

2.1.2極限氧指數(shù)試驗(yàn)

采用極限氧指數(shù)儀器，根據(jù)NB/SH/T 0815-2010《氧指數(shù)法-瀝青燃燒性能測(cè)定》，測(cè)定正交試驗(yàn)中的阻燃溫拌瀝青的極限氧指數(shù)．極限氧指數(shù)的定義為：在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下，材料在氧氣、氮?dú)饣旌狭髦校瑒偤媚芫S持式樣燃燒狀態(tài)所需的最低氧氣濃度，以氧氣所占有的體積分?jǐn)?shù)表示．

氧指數(shù)LOI為

(1)

式中：[O]為臨界氧濃度時(shí)混合流中氧氣的體積流量；[N]為臨界氧濃度時(shí)混合流中氮?dú)獾捏w積流量．

2.1.3最佳配方確定方法

基于阻燃溫拌瀝青的阻燃和溫拌的雙重目標(biāo)，最佳配方的選擇需要同時(shí)考慮黏度和極限氧指數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)．設(shè)計(jì)一組評(píng)價(jià)方法，以此作為篩選最佳配方的判斷依據(jù)，以下是具體評(píng)分方法.

T(Totalscore)=L+V

(2)

極限氧指數(shù)得分方法：

L=(Li-L0)/L0

(3)

式中：L為極限氧指數(shù)得分；Li為第i組的極限氧指數(shù)數(shù)值；L0為所有組試驗(yàn)極限氧指數(shù)的平均值．

黏度得分方法：

V=(Vi-V0)/V0

(4)

式中：V為黏度得分；Vi為第i組的黏度數(shù)值；V0為所有組試驗(yàn)黏度的平均值．

2.2 高低溫性能測(cè)試方法

采用的動(dòng)態(tài)剪切流變儀型號(hào)為MCR-101型．通過對(duì)改性瀝青進(jìn)行高溫和低溫溫度掃描實(shí)驗(yàn)，研究其高低溫性能．實(shí)驗(yàn)在控制應(yīng)變的模式下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)溫度范圍分別為30～80 ℃及-10～30 ℃，升溫速率為2 ℃/min，轉(zhuǎn)子直徑分別為25和8 mm，瀝青厚度分別為1和2 mm，角頻率為10 rad/s．

3 結(jié)果與討論

3.1 阻燃溫拌瀝青的最佳配方

3.1.1黏度

采用Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度儀，在135 ℃下根據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范，測(cè)定了正交試驗(yàn)中的阻燃溫拌瀝青黏度，試驗(yàn)結(jié)果見表5．

表5 黏度試驗(yàn)結(jié)果

3.1.2極限氧指數(shù)

極限氧指數(shù)LOI是表征瀝青燃燒性能的重要指標(biāo)．一般認(rèn)為，當(dāng)樣品的LOI<21%時(shí)，樣品被認(rèn)定為易燃材料；21%27%時(shí)，樣品被認(rèn)定為自熄滅材料．

3.1.3最佳配方的確定

計(jì)算得到1～4組L0=26.8，V0=1.941．由表5可知：3組總分最高，代表著該組合的阻燃溫拌的綜合性能最好．由此，選擇3組配方作為最佳配方，即阻燃劑的比例ATH∶MH∶LDHs=7∶7∶6，摻量為瀝青質(zhì)量的20%，溫拌劑Sasobit摻量為瀝青質(zhì)量的2%．計(jì)算得到第5～13組L0=30.22，V0=1.960．由表5可知：6組總分最高，代表著該組合的溫拌阻燃的綜合性能最好．由此，選擇6組配方作為最佳配方，即3.5%EC120+8%FRMAX，拌和溫度140 ℃．

從上述所有阻燃溫拌瀝青的氧指數(shù)和黏度的結(jié)果來看，自主設(shè)計(jì)的無機(jī)復(fù)合氫氧化物阻燃劑和Sasobit溫拌劑的組合的氧指數(shù)低于有機(jī)阻燃劑FRMAX和溫拌劑EC-120的氧指數(shù)；但在瀝青降黏效果方面，前者的溫拌效果優(yōu)于后者．

3.2 阻燃溫拌瀝青的高溫性能

通過DSR試驗(yàn)儀器對(duì)阻燃溫拌瀝青的高溫性能進(jìn)行表征，瀝青的抗車轍能力用抗車轍因子G*/sinδ表示，低溫開裂性能用疲勞因子G*sinδ表示．已知1～4組阻燃溫拌瀝青的最佳配方是阻燃劑的比例ATH∶MH∶LDHs=7∶7∶6，摻量為瀝青質(zhì)量的20%，溫拌劑Sasobit摻量為瀝青質(zhì)量的2%，拌和溫度為160 ℃．選擇其他三種瀝青和阻燃溫拌瀝青進(jìn)行車轍因子和疲勞因子的比對(duì)試驗(yàn)，試驗(yàn)采取的四種瀝青見表6．

表6 試驗(yàn)采取的四種瀝青

圖1為1～4組DSR試驗(yàn)-瀝青高溫性能．由圖1可知:隨著溫度的升高，四種瀝青的車轍因子(G*/sinσ)、復(fù)合剪切模量(G*)均減?。枞紴r青和SBS改性瀝青的車轍因子的變化趨勢(shì)基本一致，而阻燃劑FRMAX的軟化點(diǎn)為130 ℃，說明阻燃劑對(duì)瀝青的在30～80 ℃中儲(chǔ)存穩(wěn)定性好．溫拌瀝青和阻燃溫拌瀝青中均含有溫拌劑SASOBIT，且二者在圖中的復(fù)合剪切模量(G*)較低，說明溫拌劑的降粘效果起了作用．

圖1 1～4組DSR試驗(yàn)-瀝青高溫性能

在30～45 ℃之間，四種瀝青的相位角(σ)隨著溫度的升高，表明摻加了外加劑的瀝青對(duì)溫度的敏感性更高．隨后在45～65 ℃之間，添加了溫拌劑的溫拌瀝青和阻燃溫拌瀝青的相位角(σ)一直隨著溫度上升而增大，可能是添加了溫拌劑增大了瀝青的流動(dòng)性和溫敏性隨著溫度的升高，瀝青發(fā)生了由固態(tài)-半固態(tài)的相變轉(zhuǎn)變，此時(shí)的相位角(σ)變化幅度大．隨后65～80 ℃之間，四種瀝青的相位角(σ)隨著溫度的升高而增大，表明此溫度區(qū)間，四種瀝青再次發(fā)生了由固態(tài)-半固態(tài)的相變．

已知5～13組溫拌阻燃瀝青的最佳配方是3.5%EC120+8%FRMAX，拌和溫度為140 ℃．選擇其他三種瀝青和溫拌阻燃瀝青進(jìn)行車轍因子的比對(duì)試驗(yàn)，試驗(yàn)采取的四種瀝青見表7．

表7 試驗(yàn)采取的四種瀝青

圖2為5～13組DSR試驗(yàn)-瀝青高溫性能．由圖2可知:隨著溫度的升高，四種瀝青的車轍因子(G*/sinσ)、復(fù)合剪切模量(G*)均減小．通常而言，高溫下的G*值大，代表物質(zhì)有足夠的彈性來抵抗外力作用下的變形，溫拌瀝青和溫拌阻燃瀝青中均含有溫拌劑EC-120，且二者在圖中的復(fù)合剪切模量(G*)較低，說明溫拌劑的降粘效果起了作用．在30～45 ℃之間，四種瀝青的相位角(σ)隨著溫度的升高，說明均發(fā)生了相變，即發(fā)生了固態(tài)-半固態(tài)的轉(zhuǎn)變．其中SBS改性瀝青的相位角(σ)相對(duì)最低，表明摻加了外加劑的瀝青對(duì)溫度的敏感性更高．隨后溫拌阻燃瀝青的相位角(σ)在45～65 ℃之間下降更低，是因?yàn)闇匕枳枞紴r青是在SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上，添加了溫拌阻燃劑，使得改性瀝青的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或PS鏈段的物理交聯(lián)更加復(fù)雜．隨后65～80 ℃之間，四種瀝青的相位角(σ)隨著溫度的升高而增大，表明此溫度區(qū)間，四種瀝青再次發(fā)生了由固態(tài)-半固態(tài)的相變．

圖2 5～13組DSR試驗(yàn)-瀝青高溫性能

3.3 阻燃溫拌瀝青的低溫性能

通過DSR試驗(yàn)儀器對(duì)表6中的阻燃溫拌瀝青的低溫性能進(jìn)行表征，見圖3．由圖3可知:隨著溫度的升高，四種瀝青的低溫下的疲勞因子(G*sinσ)和復(fù)合剪切模量(G*)均減?。ǔ碇v，低溫環(huán)境下G*小，則該物質(zhì)可發(fā)生黏性流動(dòng)來減小低溫開裂的可能性．在-10～10 ℃之間，可見阻燃劑可以提高SBS改性瀝青的彈性性能，溫拌劑有效降低SBS改性瀝青的黏性性能．

圖3 DSR試驗(yàn)-瀝青低溫性能

四種瀝青的相位角(σ)隨著溫度的變化中，溫拌瀝青和阻燃溫拌瀝青趨勢(shì)一致，SBS改性瀝青和阻燃瀝青趨勢(shì)一致，也說明了瀝青在固態(tài)-半固態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，阻燃劑不會(huì)影響瀝青的低溫開裂性．

表7中的阻燃溫拌瀝青的低溫性能測(cè)試結(jié)果見圖4．由圖4可知:隨著溫度的升高，四種瀝青的低溫下的疲勞因子(G*sinσ)和復(fù)合剪切模量(G*)均減小，阻燃瀝青>溫拌阻燃瀝青>SBS改性瀝青>溫拌瀝青．通常來講，低溫環(huán)境下G*小，則該物質(zhì)可發(fā)生黏性流動(dòng)來減小低溫開裂的可能性．在-10～10 ℃之間，可見阻燃劑可以提高SBS改性瀝青的彈性性能，溫拌劑有效降低SBS改性瀝青的黏性性能．四種瀝青的相位角(σ)隨著溫度的變化中，溫拌瀝青和溫拌阻燃瀝青趨勢(shì)一致，SBS改性瀝青和阻燃瀝青趨勢(shì)一致，也說明了瀝青在固態(tài)-半固態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，阻燃劑不會(huì)影響瀝青的低溫開裂性．

圖4 DSR試驗(yàn)-瀝青低溫性能

4 結(jié) 論

1) 自主設(shè)計(jì)的無機(jī)復(fù)合氫氧化物阻燃劑和Sasobit溫拌劑組合的最佳配方為阻燃劑比例ATH∶MH∶LDHs=7∶7∶6，摻量為瀝青質(zhì)量的20%，溫拌劑Sasobit摻量為瀝青質(zhì)量的2%．有機(jī)溫拌阻燃劑3.5%EC120+8%FRMAX為最佳配方．后者溫拌阻燃的綜合性能更好．

2) 阻燃劑溫拌劑的復(fù)合改性方法中，阻燃劑能增加SBS瀝青的極限氧指數(shù)，同時(shí)不影響SBS瀝青高低溫性能；溫拌劑能降低SBS改性瀝青的黏度，增大瀝青的流動(dòng)性和高溫敏感性，降低其拌和溫度；能提高其低溫敏感性，降低瀝青低溫開裂性．