王海燕，婁中波，張彩利

（1.天津市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市300051；2.河北工業(yè)大學(xué)，天津市300401）

0 前言

瀝青混合料作為瀝青路面的面層材料，在使用過(guò)程中將承受車(chē)輛荷載反復(fù)作用以及環(huán)境因素的作用，結(jié)合地下道路特殊環(huán)境及交通特點(diǎn)要求，地下道路瀝青混合料應(yīng)滿(mǎn)足：足夠的抗剪切能力，良好的耐久性，良好的水穩(wěn)定性，足夠的抗滑能力，良好的低溫抗裂性以及阻燃性能等。本文主要研究阻燃瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等路用性能以保證瀝青路面優(yōu)良的服務(wù)性能，安全美觀(guān)、經(jīng)久耐用。

1 阻燃瀝青混合料路用性能

1.1 阻燃瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料是一種粘彈性材料，其物理力學(xué)性能與溫度和作用時(shí)間密切相關(guān)[1]。瀝青路面在使用期間，經(jīng)受從低溫到高溫不同環(huán)境條件的考驗(yàn)。道路使用的實(shí)踐表明，在通常的汽車(chē)荷載條件下，永久性變形主要是在夏季氣溫高于25 ℃～30 ℃，即瀝青路面的路表溫度達(dá)到40 ℃～50 ℃，已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)道路瀝青的軟化點(diǎn)溫度的情況下容易產(chǎn)生，且隨著溫度的升高和荷載的加重，變形愈大。根據(jù)瀝青材料的溫度時(shí)間換算法則，長(zhǎng)時(shí)間承受荷載與高溫條件是等效的，而且時(shí)間是累積的。車(chē)輛在高速公路上以100 km/h 的速度行駛，對(duì)路面瀝青層的作用時(shí)間不超過(guò)0.025 s，而在城市道路的交叉口、停車(chē)站，車(chē)輛停車(chē)時(shí)間1 min，相當(dāng)于正常行車(chē)3 000 輛的情況。所以一般所說(shuō)的高溫穩(wěn)定性能也包括長(zhǎng)時(shí)間荷載作用的情況[2～3]。瀝青路面在高溫條件下或長(zhǎng)時(shí)間承受荷載作用，瀝青混合料會(huì)產(chǎn)生顯著的變形，其中不能恢復(fù)的部分成為永久變形。降低路面的使用性能，危及行車(chē)安全，從而縮短瀝青路面的使用壽命。高速公路的車(chē)轍是瀝青路面的最具危害的破壞形式之一[4]。

由于地下道路車(chē)輛交通渠化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，瀝青路面在行車(chē)荷載的反復(fù)作用下，由于永久變形的累積而導(dǎo)致路表面出現(xiàn)車(chē)轍。瀝青路面車(chē)轍的出現(xiàn)會(huì)影響路面的平整度，導(dǎo)致輪跡處瀝青層厚度減薄，削弱了面層及路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，同時(shí)造成雨天路表排水不暢，降低了路面的抗滑能力，甚至?xí)捎谲?chē)轍內(nèi)積水而致車(chē)輛漂滑，影響行車(chē)安全。因此，車(chē)轍的產(chǎn)生將嚴(yán)重影響路面的使用壽命和服務(wù)質(zhì)量。

本研究采用室內(nèi)試驗(yàn)經(jīng)常使用的馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和車(chē)轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)阻燃瀝青混合料的高溫性能。

（1）馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

本文研究將AC-13C 瀝青混合料制備成101.6×（Φ63.5±1.3）mm 圓柱體試件，比較基質(zhì)瀝青、阻燃改性瀝青混合料在最佳油石比條件下的穩(wěn)定度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 瀝青混合料試樣的馬歇爾穩(wěn)定度

采用最佳油石4.9%，阻燃瀝青為最佳阻燃劑摻量10%，成型8 個(gè)試件，分為兩組，一組用于常規(guī)馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示；另一組用于浸水馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。由表1 試驗(yàn)結(jié)果可知，馬歇爾穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范。但是，在相同試驗(yàn)條件下，阻燃劑的摻入，對(duì)提高瀝青混合料的力學(xué)性能并不顯著，這主要是因?yàn)樵谙嗤褪鹊臈l件下，阻燃瀝青相較于基質(zhì)瀝青粘稠性變化不大。

馬歇爾穩(wěn)定度和流值與路面相關(guān)性不好，對(duì)于控制車(chē)轍更是相距甚遠(yuǎn)[5]，因此采用車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性進(jìn)一步試驗(yàn)。車(chē)轍試驗(yàn)是一種模擬實(shí)際車(chē)輪荷載在路面上行走而形成車(chē)轍的工程試驗(yàn)方法。從廣義上來(lái)說(shuō)，室內(nèi)小型往復(fù)車(chē)轍試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)、大型環(huán)道試驗(yàn)、直道試驗(yàn)等都可以認(rèn)為是屬于車(chē)轍試驗(yàn)的范疇，這些試驗(yàn)最基本的和相同的原理就是通過(guò)采用車(chē)輪在板狀試件表面或路面結(jié)構(gòu)上反復(fù)行走，觀(guān)察和檢測(cè)試塊或路面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，用動(dòng)穩(wěn)定度或車(chē)轍深度來(lái)表征試驗(yàn)結(jié)果。

（2）車(chē)轍試驗(yàn)

雖然地下道路所處環(huán)境具有冬暖夏涼的特點(diǎn)，而這種特點(diǎn)可能會(huì)對(duì)瀝青路面高溫穩(wěn)定性的要求較低，但是考慮到地下道路交通渠化現(xiàn)象嚴(yán)重，故對(duì)于地下道路瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性要求，主要還是依據(jù)我國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》），即在規(guī)定的試驗(yàn)條件下進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)并應(yīng)符合規(guī)范相關(guān)要求。

本研究將最佳油石比阻燃瀝青混合料及基質(zhì)瀝青混合料分別制備成300 mm×300 mm×50 mm塊狀試件，測(cè)試在60 ℃、0.7 MPa 輪壓下的動(dòng)穩(wěn)定度DS，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 瀝青混合料試樣的動(dòng)穩(wěn)定度

由表2 可得，摻加阻燃劑后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增加了21.8%。這是因?yàn)樽枞紕┑募尤胧沟脼r青的粘度和軟化點(diǎn)都增大，改善了瀝青抗高溫性能，從而提高了混合料的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度。同時(shí)可以看出阻燃瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度大于3 000 次/mm，表明阻燃瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性滿(mǎn)足路面高溫穩(wěn)定性能的要求。

1.2 阻燃瀝青混合料低溫抗裂性

當(dāng)冬季氣溫降低時(shí)，瀝青面層將產(chǎn)生體積收縮，而在基層結(jié)構(gòu)與周?chē)牧系募s束作用下，瀝青混合料不能自由收縮，將在結(jié)構(gòu)層中產(chǎn)生溫度應(yīng)力。由于瀝青混合料具有一定的應(yīng)力松弛能力，當(dāng)降溫速率較慢時(shí)，所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間逐漸松弛減小，不會(huì)對(duì)瀝青路面產(chǎn)生較大的危害。但當(dāng)氣溫驟降時(shí)，所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力來(lái)不及松弛，當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)瀝青混合料的容許應(yīng)力值時(shí)，瀝青混合料被拉裂，導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)裂縫造成路面的破壞。因此，要求瀝青混合料具備一定的低溫抗裂性能，即要求瀝青混合料具有較高的低溫強(qiáng)度或較大的低溫變形能力[6]。

本研究通過(guò)低溫彎曲試驗(yàn)來(lái)對(duì)阻燃瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行探討。瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)可用來(lái)評(píng)價(jià)混合料的抗彎強(qiáng)度、破壞彎拉應(yīng)變及破壞時(shí)的彎曲勁度模量。抗彎拉強(qiáng)度表征混合料抵抗彎拉應(yīng)力作用的能力，抗彎拉強(qiáng)度越高，材料抵抗破壞的能力越強(qiáng)，低溫時(shí)抵抗收縮應(yīng)力的能力就越強(qiáng)，路面低溫抗裂性越好。低溫時(shí)混合料破壞彎拉應(yīng)變與破壞時(shí)彎曲勁度模量也是表征混合料低溫抗裂性指標(biāo)。

對(duì)于不同的瀝青混合料和工程所處地區(qū)的氣候分區(qū)，《規(guī)范》規(guī)定了瀝青混合料的破壞應(yīng)變的要求。考慮到地下道路冬季氣溫比正常氣溫要高，且溫差變化較小，故對(duì)地下道路瀝青混合料的低溫抗裂性能要求可適當(dāng)降低，即可在現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低要求。

本試驗(yàn)按照瀝青混合料彎曲試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行，將輪碾成型的板狀試件切割為30 mm×35 mm×250 mm 的小梁試件，在-10 ℃±0.5 ℃溫度下，加載速率50 mm/min，利用MTS-810 進(jìn)行彎曲破壞試驗(yàn)以確定阻燃瀝青混合料低溫下的彎曲破壞強(qiáng)度、破壞應(yīng)變及破壞勁度模量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 阻燃瀝青混合料的低溫性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

一般來(lái)說(shuō)，較好的低溫抗裂性表現(xiàn)為較大的抗彎拉強(qiáng)度、較大的彎拉應(yīng)變、較小的彎曲勁度模量。抗彎拉強(qiáng)度越大表明混合料抵抗低溫開(kāi)裂能力越大；極限應(yīng)變?cè)酱?，表明混合料的柔韌性越好；低溫勁度模量越大，其抵抗變形能力越差[7]。

由表3 低溫彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，阻燃瀝青混合料在-10 ℃±0.5 ℃溫度下的彎曲破壞強(qiáng)度比基質(zhì)瀝青混合料提高了0.8 MPa，彎曲破壞應(yīng)變比不摻加阻燃劑的瀝青混合料提高了6.5%，阻燃瀝青混合料的彎曲勁度模量比基質(zhì)瀝青混合料小了240 MPa。這表明阻燃劑的加入可以改善瀝青混合料的低溫性能，但改善能力有限。

1.3 阻燃瀝青混合料水穩(wěn)定性

瀝青混合料水穩(wěn)定性的評(píng)定方法，通常分為兩個(gè)步驟進(jìn)行，第一步是評(píng)定瀝青與礦料的粘附性，第二步是評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。這兩個(gè)階段是密不可分的，必須綜合運(yùn)用。

由于地下道路長(zhǎng)期處于潮濕封閉狀態(tài)，這就對(duì)地下道路瀝青混合料的水穩(wěn)定性提出了更高的要求。故對(duì)地下道路瀝青混合料的水穩(wěn)定性指標(biāo)可在《規(guī)范》的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高。

研究主要采用浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度MS 和凍融劈裂試驗(yàn)劈裂強(qiáng)度比TSR 雙指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)阻燃瀝青混合料的抗水害能力，試驗(yàn)結(jié)果如表4、表5 所示。

表4 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表5 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

凍融劈裂試驗(yàn)的名義上為凍融試驗(yàn)，但其真正含義上是檢驗(yàn)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，且試驗(yàn)條件較一般的浸水試驗(yàn)條件苛刻一些，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合，是目前使用較為廣泛的試驗(yàn)。本研究對(duì)比分析基質(zhì)瀝青、阻燃瀝青混合料在兩個(gè)不同條件下的劈裂抗拉強(qiáng)度，殘留穩(wěn)定度，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比具體試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

由表4、表5 及圖1 結(jié)果可得，阻燃瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別比基質(zhì)瀝青混合料提高了0.3%和0.4%，說(shuō)明阻燃瀝青混合料的水穩(wěn)性較好，基質(zhì)瀝青混合料在加入阻燃劑后，相應(yīng)的水穩(wěn)定性有一定的提高，但兩者的差值并不是很大，這也說(shuō)明基質(zhì)瀝青加入阻燃劑之后水穩(wěn)性并沒(méi)有很顯著的提高。

1.4 阻燃瀝青混合料抗滑性能

分別對(duì)阻燃瀝青混合料及基質(zhì)瀝青混合料試件測(cè)定了擺值及構(gòu)造深度，用以評(píng)定其抗滑性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由抗滑性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出，阻燃改性瀝青混合料及普通瀝青混合料抗滑性能均滿(mǎn)足現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2006）的相關(guān)要求。摻加阻燃劑之后，瀝青混合料的抗滑能力有所提高，但幅度不大。

表6 不同瀝青混合料的抗滑性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.5 阻燃瀝青混合料滲水性能

滲水性能采用實(shí)驗(yàn)室成型的車(chē)轍試件進(jìn)行試驗(yàn)，油石比采用最佳油石比，同車(chē)轍試驗(yàn)成型條件相同。對(duì)基質(zhì)瀝青和阻燃瀝青混合料分別進(jìn)行滲水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7。

表7 混合料滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

由滲水試驗(yàn)結(jié)果可得，阻燃瀝青的混合料的滲水系數(shù)比基質(zhì)瀝青混合料下降了30%，這說(shuō)明瀝青混合料中含有的阻燃劑在集料的壓密中起到了積極的作用，從而提高了混合料的密水性能。

2 阻燃瀝青混合料阻燃性能

由于試驗(yàn)條件的限制，阻燃瀝青混合料的阻燃性能測(cè)試不能再采用氧指數(shù)法，瀝青混合料是由集料和瀝青組成，集料間靠瀝青的粘結(jié)使之成為一體。當(dāng)溫度升高時(shí)，瀝青的粘結(jié)性能下降，集料間的粘結(jié)力隨著下降。如果用氧指數(shù)法測(cè)試阻燃瀝青混合料的阻燃性能時(shí)，由于試件的燃燒端溫度很高，集料在重力的作用下自由掉落，帶有火焰的集料掉落后，使燃燒端的火焰產(chǎn)生熄滅，使試驗(yàn)結(jié)果偏差很大，所測(cè)試的結(jié)果也不能真實(shí)地反映試樣的阻燃性能[8]。所以研究通過(guò)燃料燃燒模擬的方法進(jìn)行阻燃瀝青混合料阻燃性能試驗(yàn)，分析阻燃瀝青對(duì)混合料阻燃性能的提高。

地下道路火災(zāi)的發(fā)生通常是與液體燃料發(fā)生著火有關(guān)的，這些燃料一般是車(chē)輛運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)生泄漏并遇到火源產(chǎn)生燃燒的。通過(guò)試驗(yàn)室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)燃料發(fā)生泄漏并發(fā)生火災(zāi)條件的模擬，研究阻燃瀝青混凝土對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的阻燃作用。具體試驗(yàn)步驟如下：

（1）采用相同集料級(jí)配、相同的油石比條件下的阻燃瀝青混合料（采用A1 阻燃劑，三組摻量5%，10%，15%）和普通改性瀝青混合料分別成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件；

（2）成型好的阻燃瀝青混合料試件和普通瀝青混合料試件各分成6 組，使每一組試件體積性能相同，準(zhǔn)備進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)和燃燒后試驗(yàn)；

（3）將燃燒試件分別浸沒(méi)到93# 汽油中，時(shí)間分別為5 s，10 s，15 s 取出，立即點(diǎn)燃試件測(cè)試燃燒時(shí)間；待自熄后放在60 ℃烘箱中5 h 烘干，稱(chēng)量重量損失，未燃燒的常規(guī)試件同樣放入烘箱中5 h。

由圖4(a)可以看出，高鈦渣原料呈現(xiàn)出金屬鹽團(tuán)聚吸附包裹在表面。結(jié)合圖1，高鈦渣原料含有Mg-Ti-O、Fe-Ti-O和Fe-Mn-Ti-O等黑鈦石物相，蘇打焙燒的目的就是破壞這種難與酸反應(yīng)的結(jié)構(gòu)。楊艷華[12]對(duì)云南鈦渣直接進(jìn)行了高壓酸浸除雜實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示高壓酸浸并沒(méi)有破壞鈦渣表面的包裹結(jié)構(gòu)，TiO2的品位也只提高到了83%。圖4(b)顯示，鈦渣經(jīng)蘇打焙燒后形成了針狀、柱狀、板條狀晶體，這種結(jié)構(gòu)形態(tài)與未經(jīng)蘇打焙燒時(shí)對(duì)比發(fā)生了明顯變化，這種松散結(jié)構(gòu)可使物料的比表面積顯著增加，有利于加快焙燒鈦渣酸浸反應(yīng)的速率，明顯改善酸浸除雜效果。

2.1 燃燒時(shí)間

對(duì)阻燃瀝青混合料和改性瀝青混合料的燃燒試件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 不同浸泡時(shí)間后試件燃燒結(jié)果

從不同浸泡時(shí)間下的平均燃燒時(shí)間來(lái)看，采用阻燃瀝青的混合料燃燒時(shí)間稍微短一些。由表8 可得：

（1）同一摻量的阻燃瀝青混合料，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，燃燒時(shí)間也越長(zhǎng)；相同浸泡時(shí)間的阻燃瀝青混合料，阻燃劑摻量越大，燃燒時(shí)間越短；相同浸泡時(shí)間，摻入阻燃劑的瀝青混合料燃燒時(shí)間比普通瀝青混合料要稍短些；

（2）浸泡5 s 后燃燒，三種不同阻燃劑摻量瀝青混合料的平均燃燒時(shí)間相差不大，隨著浸泡時(shí)間的增加，三種摻量混合料的平均燃燒時(shí)間差距逐漸增長(zhǎng)。

阻燃瀝青中的阻燃劑分散在瀝青中，當(dāng)瀝青發(fā)生燃燒時(shí)，瀝青開(kāi)始分解或燃燒，使部分阻燃劑暴露出來(lái)，暴露出的阻燃劑在受熱或火源的作用下開(kāi)始對(duì)瀝青的分解和燃燒發(fā)揮阻礙作用；在燃料汽油發(fā)生燃燒時(shí)，瀝青中暴露的阻燃劑很少，不足以對(duì)燃料汽油進(jìn)行阻燃。由此可知，通過(guò)燃燒時(shí)間不能很好地判斷阻燃瀝青混合料阻燃性能的優(yōu)越性。

2.2 質(zhì)量的損失

將燃燒自熄后的試件放入60 ℃烘箱中烘干5 h 后，稱(chēng)量重量，結(jié)果記錄如表9 所示。

表9 不同浸泡時(shí)間后試件燃燒質(zhì)量損失

試件質(zhì)量的損失主要是由于燃燒時(shí)瀝青參與燃燒并發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氣體和水等物質(zhì)而損失，瀝青在參與燃燒時(shí)，阻燃劑也參與了燃燒，但參與燃燒的阻燃劑降低了參與燃燒的瀝青量，降低了混合料燃燒后的質(zhì)量損失。

3 小結(jié)

本文對(duì)阻燃瀝青混合料的路用性能和阻燃性能進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。主要結(jié)論如下：

（1）通過(guò)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)阻燃瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行了檢測(cè)，試驗(yàn)表明阻燃劑的摻入對(duì)混合料的高溫穩(wěn)定性并沒(méi)有太大的影響，按照目標(biāo)級(jí)配成型的試件高溫性能滿(mǎn)足要求，同時(shí)針對(duì)地下道路交通渠化現(xiàn)象嚴(yán)重特點(diǎn)，提出地下道路瀝青混合料的高溫性能指標(biāo)不能低于地表道路要求。

（2）通過(guò)低溫彎曲試驗(yàn)對(duì)阻燃瀝青混合料的低溫抗裂性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，阻燃瀝青混合料的低溫抗裂性基本符合要求，摻加阻燃劑能適當(dāng)提高瀝青混合料的低溫抗裂性，同時(shí)提出對(duì)于地下道路瀝青混合料的低溫性能指標(biāo)可在現(xiàn)行規(guī)范基礎(chǔ)上適當(dāng)降低。

（3）從MS 和TSR 值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比始終是阻燃瀝青混合料要稍高于基質(zhì)瀝青混合料，說(shuō)明阻燃瀝青混合料的水穩(wěn)性較好，但兩者的差值并不是很大，這也說(shuō)明加入阻燃劑之后水穩(wěn)性并沒(méi)有顯著的提高。根據(jù)地下道路內(nèi)特殊的工作環(huán)境特點(diǎn)得出，地下道路內(nèi)路面滲水與抗滑標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提高。

（4）通過(guò)燃燒分析試驗(yàn)測(cè)試了阻燃瀝青混合料的阻燃性能，從燃燒時(shí)間和質(zhì)量損失值得出，一定摻量的阻燃劑能起到較好的阻燃效果，相較于基質(zhì)瀝青混合料而言，阻燃瀝青混合料的阻燃性能非常顯著，阻燃性能隨摻量增加而增強(qiáng)。

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