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) (武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室2) 武漢 430070)

0 引 言

隨著我國交通強國戰(zhàn)略的實施，道路交通領域得以快速發(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產生大量的有害氣體，已成為行業(yè)內難題．趙疆等[1]利用原子力顯微鏡和黏度測試研究了Sasobit溫拌劑對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，且能在高溫時降低瀝青的黏度．劉中明[2]通過布氏黏度度和動態(tài)剪切流變試驗探究了溫拌摻量對橡膠瀝青性能的影響，結果表明：溫拌劑摻量越大，對瀝青的降黏作用越強，高溫性能也隨之降低．李夢林[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SBS瀝青進行改性，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，復合阻燃劑對瀝青的高溫性能有更好的改善效果．李啟榮等[4]利用復合改性技術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SBS進行復合改性，通過高低溫流變性能和黏溫性能測試發(fā)現(xiàn)復合改性提高了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，本文設計了不同無機阻燃劑配比與有機溫拌劑復配，以及設計有機溫拌劑與阻燃劑的正交配比，制備了阻燃溫拌改性瀝青．并利用黏度測試、極限氧指數(shù)測試計算出了最佳配方，通過動態(tài)剪切流變儀探究了復合改性劑對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的SBS(I-C)改性瀝青．其物理性能指標試驗結果見表1.

表1 SBS改性瀝青試驗結果(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氫氧化物：氫氧化鋁ATH、氫氧化鎂MH、層狀雙金屬氫氧化物LDHs．阻燃劑采用FRMAX，上述物理性能指標試驗結果見表2．

表2 溫拌劑性能指標

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) ℃，采用以瀝青質量的百分比，加入不同配比的無機阻燃劑，采用高速剪切儀，以3 000 r/min的轉速攪拌1 h，使阻燃溫拌劑均勻分散在瀝青中，最后倒入一個干凈的容器中，冷卻至室溫，即可制得相應的阻燃溫拌瀝青．將復合氫氧化物的摻量定為瀝青質量的20%，溫拌劑Sasobit摻量為瀝青質量的2%．各阻燃溫拌摻量(按照瀝青的質量分數(shù))見表3．

表3 不同復合阻燃劑的復配方案 單位：%

在參考國內外相關研究文獻的基礎上，將溫拌劑EC-120的摻量定為瀝青質量的3%、3.5%、4%，阻燃劑的摻量定為瀝青質量的7%、8%、9%，并通過不同的拌和溫度進行拌和，即130，140，150 ℃．圍繞這三因素設計正交試驗，外加劑混合法制備溫拌阻燃瀝青．其中正交試驗的設計方案見表4．

表4 正交試驗設計方案

2 最佳配方的確定方法與高低溫性能測試方法

2.1 最佳配方的確定方法

2.1.1黏度試驗

美國SHRP計劃采用的旋轉黏度計即Brookfield黏度計是雙筒旋轉黏度計的簡化版本，主要用于測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黏度計測定改性瀝青的表觀黏度．

2.1.2極限氧指數(shù)試驗

采用極限氧指數(shù)儀器，根據(jù)NB/SH/T 0815-2010《氧指數(shù)法-瀝青燃燒性能測定》，測定正交試驗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)定的實驗條件下，材料在氧氣、氮氣混合流中，剛好能維持式樣燃燒狀態(tài)所需的最低氧氣濃度，以氧氣所占有的體積分數(shù)表示．

氧指數(shù)LOI為

(1)

式中：[O]為臨界氧濃度時混合流中氧氣的體積流量；[N]為臨界氧濃度時混合流中氮氣的體積流量．

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，最佳配方的選擇需要同時考慮黏度和極限氧指數(shù)這兩個指標．設計一組評價方法，以此作為篩選最佳配方的判斷依據(jù)，以下是具體評分方法.

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為所有組試驗黏度的平均值．

2.2 高低溫性能測試方法

采用的動態(tài)剪切流變儀型號為MCR-101型．通過對改性瀝青進行高溫和低溫溫度掃描實驗，研究其高低溫性能．實驗在控制應變的模式下進行，實驗溫度范圍分別為30～80 ℃及-10～30 ℃，升溫速率為2 ℃/min，轉子直徑分別為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旋轉黏度儀，在135 ℃下根據(jù)相應的試驗規(guī)范，測定了正交試驗中的阻燃溫拌瀝青黏度，試驗結果見表5．

表5 黏度試驗結果

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．一般認為，當樣品的LOI<21%時，樣品被認定為易燃材料；21%27%時，樣品被認定為自熄滅材料．

3.1.3最佳配方的確定

計算得到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，摻量為瀝青質量的20%，溫拌劑Sasobit摻量為瀝青質量的2%．計算得到第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)和黏度的結果來看，自主設計的無機復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試驗儀器對阻燃溫拌瀝青的高溫性能進行表征，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，摻量為瀝青質量的20%，溫拌劑Sasobit摻量為瀝青質量的2%，拌和溫度為160 ℃．選擇其他三種瀝青和阻燃溫拌瀝青進行車轍因子和疲勞因子的比對試驗，試驗采取的四種瀝青見表6．

表6 試驗采取的四種瀝青

圖1為1～4組DSR試驗-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)、復合剪切模量(G*)均減小．阻燃瀝青和SBS改性瀝青的車轍因子的變化趨勢基本一致，而阻燃劑FRMAX的軟化點為130 ℃，說明阻燃劑對瀝青的在30～80 ℃中儲存穩(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-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)的相變轉變，此時的相位角(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行車轍因子的比對試驗，試驗采取的四種瀝青見表7．

表7 試驗采取的四種瀝青

圖2為5～13組DSR試驗-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)、復合剪切模量(G*)均減?。ǔ６?，高溫下的G*值大，代表物質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)的轉變．其中SBS改性瀝青的相位角(σ)相對最低，表明摻加了外加劑的瀝青對溫度的敏感性更高．隨后溫拌阻燃瀝青的相位角(σ)在45～65 ℃之間下降更低，是因為溫拌阻燃瀝青是在SBS改性瀝青的基礎上，添加了溫拌阻燃劑，使得改性瀝青的內部網絡結構或PS鏈段的物理交聯(lián)更加復雜．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-瀝青高溫性能

3.3 阻燃溫拌瀝青的低溫性能

通過DSR試驗儀器對表6中的阻燃溫拌瀝青的低溫性能進行表征，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)和復合剪切模量(G*)均減?。ǔ碇v，低溫環(huán)境下G*小，則該物質可發(fā)生黏性流動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-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一致，SBS改性瀝青和阻燃瀝青趨勢一致，也說明了瀝青在固態(tài)-半固態(tài)轉變過程中，阻燃劑不會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試結果見圖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，則該物質可發(fā)生黏性流動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一致，SBS改性瀝青和阻燃瀝青趨勢一致，也說明了瀝青在固態(tài)-半固態(tài)轉變過程中，阻燃劑不會影響瀝青的低溫開裂性．

圖4 DSR試驗-瀝青低溫性能

4 結 論

1) 自主設計的無機復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，摻量為瀝青質量的20%，溫拌劑Sasobit摻量為瀝青質量的2%．有機溫拌阻燃劑3.5%EC120+8%FRMAX為最佳配方．后者溫拌阻燃的綜合性能更好．

2) 阻燃劑溫拌劑的復合改性方法中，阻燃劑能增加SBS瀝青的極限氧指數(shù)，同時不影響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．