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SAR温拌阻燃改性沥青技术性能分析

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SAR温拌阻燃改性沥青技术性能分析

发布日期:2017-11-29 作者: 点击:

由于公路隧道通风条件差,光线暗,空间狭窄,近似为一个特殊的封闭空间,相对其他路段引发安全事故的几率更大。目前沥青路面因其优越的路面性能较广泛地应用于隧道路面,而沥青属于可燃物,如果发生交通事故引发隧道火灾,沥青参与燃烧,会导致人员伤亡与财产损失,后果不堪设想;同时隧道内部施工,热拌沥青路面施工温度高,释放巨大的热量、烟气和有害气体等,不能及时从隧道内排出,会导致隧道内施工环境更加恶劣。因此开展阻燃温拌沥青路面技术研究是非常必要的。20世纪80年代,欧美等国家开始了对阻燃技术的研究,如Bonati和Troitzsch研究了阻燃剂种类技术特性和阻燃沥青混合料阻燃性能。近十年国内不少学者也对阻燃沥青路面技术展开了研究,如孔宪明等研究了阻燃沥青混合料的阻燃性能,黄志义等研究了隧道沥青路面燃烧规律,朱祖煌研究了阻燃温拌沥青混合料的制备和性能,南雪峰研究了阻燃沥青混合料的阻燃抑烟性能。但是由于阻燃剂、温拌剂种类多且混合料种类不同,各自研究的目的、方法、系统性等存在差异,相关的研究结论具有一定局限性,需要进一步开展相关的研究,积累经验,以促进阻燃温拌沥青路面技术的成熟和推广应用。

 

因此,本文依托某高速公路长隧道阻燃温拌沥青路面建设工程项目,针对SBS改性沥青、温拌SBS改性沥青、阻燃SBS改性沥青和阻燃温拌SBS改性沥青,通过闪燃点、氧指数、三大指标(针入度、软化点、延度)、布氏旋转粘度、PG分级等性能指标试验,系统地对比分析阻燃剂、温拌剂和阻燃温拌复合改性对SBS改性沥青性能的影响,评价所选用的温拌剂、阻燃剂用于隧道温拌沥青路面和阻燃温拌沥青路面的有效性,以指导依托工程的长隧道阻燃温拌沥青路面的材料设计和施工。

 

原材料及其技术特性

 

沥青

 

沥青采用SBS(I-D)改性沥青,其性能指标试验测试结果为:针入度(25℃,100g,5s)5.5mm,延度(5cm/min,5℃)28cm,软化点76.5℃,闪点310℃,135℃粘度2.68Pa·s,密度(25℃)1.03g/cm3,RTFOT后残留物质量变化为0.1%,残留针入度比(25℃)88%,残留延度(5℃)19.55cm,各项指标均符合规范要求。

 

阻燃剂

 

选用重庆市广为道路材料有限公司研发的TFR隧道沥青阻燃剂,类型为以适当的有机、无机阻燃剂组合后的白色复合型阻燃剂,作用机理为以磷、氮为主要活性组分,不含卤系,也不采用氧化锑为协效剂,将膨胀型阻燃剂添加至沥青后,沥青受热时表面能生成一层均匀的炭层泡沫层,此层隔热、隔氧、抑烟,并能防止沥青的融滴现象,故具有良好的阻燃性能,TFR阻燃改性剂物化性质指标为:密度为0.8~1.8g/cm3,溶解温度大于130℃,有效含量大于90%。在SBS改性沥青中阻燃剂掺量为5%。

 

温拌剂

 

选用SAR温拌剂,它由重庆市广为道路材料有限公司研发,于2010年取得国家专利技术,是一种新型有机降粘型沥青温拌剂,降温机理为加入低熔点的聚烯烃类添加剂到沥青或者混合料中,SAR温拌剂熔入沥青中起到润滑作用,降低了沥青的粘度,从而降低沥青混合料拌和温度。SAR温拌剂性能指标测试结果为:熔点120℃,闪点285℃,密度0.93g/cm3。在SBS改性沥青中温拌剂掺量为2%。

 

阻燃性能分析

 

阻燃性能测试方法

 

关于如何评价阻燃改性沥青的阻燃性能,目前国内外还没有明确的方法进行测试,仍在探讨之中。参考已有研究工作,本文采用闪燃点和极限氧指数试验进行SBS改性沥青阻燃性能试验。

 

沥青的闪点、燃点是评价其质量、施工安全性的重要参考指标。但在运营过程中采用闪点和燃点评价沥青的燃烧性能则存在局限性,因为它们均不能评价沥青的持续燃烧能力。极限氧指数法多应用于纺织、化工等行业对阻燃材料的评价,并已形成国家标准,具有标准的测试方法,其稳定的持续燃烧可以评价材料的阻燃能力,故可以用来评价沥青的持续燃烧能力,进而对阻燃沥青的阻燃性能作出评价。因此,可采用沥青极限氧指数指标的变化来评价阻燃剂和温拌剂对SBS改性沥青阻燃性能的改性效果。

 

极限氧指数法是指在规定的试验条件下,刚好能维持材料燃烧时,通入的氧氮混合气中以体积百分数表示的最低氧浓度。此试验能够判断沥青材料在空气中与火焰接触时燃烧的难易程度,因此极限氧指数能有效评价沥青阻燃性能,计算公式为:LOI=[O]([O]+[N])式中:O为临界氧浓度时混合气流中氧气的体积流量;N为临界氧浓度时混合气流中氮气的体积流量。

 

利用JF.3型氧指数测定仪测试沥青的氧指数,参照GB10707的规定进行测试。为保证试样在燃烧过程中保持垂直且不因融滴造成不能点燃的现象,本文借助玻璃纤维毡制备沥青样条,使沥青条在常温和燃烧过程中均有较好的自撑性,同时玻璃纤维毡也起到了引燃的作用。试验参数为:氧气和氮气的流速为(10±0.2)L/min,试验温度为10~25℃,制备SBS改性沥青和阻燃沥青样条,沥青样条长10cm,宽1cm,厚0.6cm。尺寸满足《塑料燃烧性能试验方法GB/T2406-93》的相关要求。一组试样不少于6根。然后将试件夹在氧指数仪试样架上进行试验。

 

闪燃点试验结果分析

 

采用克里夫兰开口杯分别测定SBS改性沥青、阻燃SBS改性沥青、温拌SBS改性沥青和阻燃温拌SBS改性沥青4种改性沥青的闪燃点,符号A、B、C、D分别表示SBS改性沥青、温拌SBS改性沥青(温拌剂2%掺量)、阻燃SBS改性沥青(阻燃剂5%掺量)、阻燃温拌SBS改性沥青(阻燃剂5%掺量+温拌剂2%掺量)。可知,添加温拌剂后SBS改性沥青闪燃点都无明显变化。添加阻燃剂后,SBS改性沥青闪燃点有明显升高。而同时添加阻燃剂和温拌剂后SBS改性沥青闪点增大,但增加幅度较小,燃点从350℃增加到365℃,有明显增加。上述现象主要因为阻燃剂添加到沥青中,分散覆盖在沥青表面,加热过程中阻燃剂以吸热分解其分子链的方式降低沥青燃烧性,沥青的燃点有小幅度增加;温拌剂虽然能提高沥青的高温性能,但当温度过高时对沥青的闪燃点影响较小,当温拌剂和阻燃剂同时加入沥青中,阻燃温拌SBS沥青阻燃性能优于SBS改性沥青、温拌SBS改性沥青。

 

极限氧指数试验结果分析

 

不同沥青氧指数试验结果可知:添加温拌剂后SBS改性沥青氧指数略有减小,说明温拌剂对SBS改性沥青阻燃性能影响较小。添加阻燃剂后SBS改性沥青氧指数有显著的提高,由18.1%增加到25.2%,说明在刚好维持沥青燃烧时,添加阻燃剂的沥青需要通入更多的氧气才能使其燃烧。而同时添加温拌剂和阻燃剂后SBS改性沥青氧指数为25.1%,说明同时掺入阻燃剂和温拌剂可明显地增强SBS改性沥青的阻燃性能。以上现象是因为阻燃剂混合在沥青中,加热燃烧时阻燃剂发挥其阻燃效果,吸热增加,氧气的需求量增大,含阻燃剂的沥青氧指数增大,阻燃性能增加,而温拌剂对SBS改性沥青阻燃性能有一定的负面影响。

 

三大技术指标分析

 

我国普遍采用以针入度为核心的三大指标(针入度、软化点、延度)来评价沥青的常规性能。一般的,与原沥青相比,若改性后沥青的针入度值增大,同时软化点降低,则认为其高温性能降低;低温延度则用来评价沥青的低温抗裂性。分别对不同种类的沥青进行了三大指标的试验。在SBS改性沥青中掺加温拌剂后,针入度值明显降低,表明温拌剂使SBS改性沥青变硬、稠度变大,抵抗变形的能力有所增加。掺加阻燃剂后针入度有所升高。而同时掺加阻燃剂和温拌剂时,针入度有所减小。

 

掺入温拌剂后沥青软化点大于原样SBS改性沥青的软化点,说明温拌剂对SBS改性沥青的高温稳定性有利。掺加阻燃剂使SBS改性沥青软化点降低,但降幅较小。而同时掺加阻燃剂和温拌剂时,软化点大于原样SBS改性沥青的软化点。

 

对于延度,首先按照标准试验温度5℃进行试验,结果发现试样容易脆断,结果离散性大,故改为试验温度15℃。温拌剂的掺入使SBS改性沥青的15℃延度值减小,温拌剂对SBS改性沥青的低温性能有一定的负面影响。掺阻燃剂后沥青延度减小,说明添加阻燃剂主要对SBS改性沥青的低温性能不利。

 

可见,无论在SBS改性沥青中添加阻燃剂或温拌剂或同时添加,所得改性沥青的常规性能指标仍满足相关规范要求。

 

布氏旋转粘度分析

 

在沥青路面施工技术规范中采用135℃布氏旋转粘度反映SBS改性沥青施工性能。对于基于降粘机理的改性剂,布氏旋转粘度可以直接评价温拌剂的降粘效果。采用BrookfieldDV-II型旋转粘度仪进行测试。根据布氏旋转粘度测试结果,单纯在SBS改性沥青中掺加温拌剂或阻燃剂均可以明显地降低其粘度,即改善与SBS改性沥青正常施工温度情形相比在较低温度时的施工性能,其中掺加温拌剂的降粘效果更为明显。同时掺加阻燃剂和温拌剂,仍能有效地降低SBS改性沥青粘度,达到温拌沥青改性目的。

 

基于PG分级方法的阻燃温拌沥青性能分析

 

上述采用我国沥青指标体系对阻燃剂、温拌剂对SBS改性沥青技术性能的影响进行了测试评价。这里进一步采用能更合理地反映沥青路用性能的PG分级方法,根据动态剪切流变试验和低温弯曲梁流变试验,评价不同沥青的高温抗车辙能力、中温抗疲劳能力和低温抗裂能力。鉴于温拌沥青技术应用时沥青的施工期间老化程度大为降低,继续沿用PG分级方法中的旋转薄膜烘箱试验模拟施工短期老化的方法与实际情况不符,故试验中分别考虑了施工老化和无施工老化两种状态,结合压力老化模拟使用期长期老化,即旋转薄膜烘箱短期老化+压力仪长期老化和无旋转薄膜烘箱短期老化+压力仪长期老化两种制备老化沥青方式。

 

可以看出:无论是温拌SBS改性沥青还是阻燃温拌SBS改性沥青,无论老化无否,它们的高温失效温度均高于原样SBS改性沥青,说明添加温拌剂能明显增强SBS改性沥青的高温抗车辙性能。

 

对于温拌沥青,若不考虑温拌施工实际老化过程,仍沿用模拟热拌施工的短期老化+长期老化模拟方式时,单纯掺入温拌剂后SBS改性沥青在相应温度下的疲劳因子有所增大(表现为失效温度升高),对SBS改性沥青的疲劳性能略为不利。若考虑温拌施工工艺时,即不考虑拌合过程中的短期老化,直接进行长期老化模拟试验,掺入温拌剂的抗疲劳性能明显增强(表现为失效温度降低)。说明在评价温拌沥青中温疲劳性能,应结合温拌施工实际情况。同样的,对于阻燃温拌沥青,无短期老化时,在同一温度下的疲劳因子减小,其失效温度明显降低,说明添加阻燃剂对温拌沥青的疲劳性能有利。

 

另外,试验结果表明,在SBS改性沥青中加入温拌剂后,各个温度下的沥青低温弯曲劲度模量均有所增加、低温弯曲劲度模量变化率均有所降低,说明温拌剂会降低沥青的低温性能,这与延度试验的结论是一致的。同时在温拌沥青中加入阻燃剂后,各个温度下的沥青低温弯曲劲度模量继续增加、低温弯曲劲度模量变化率继续降低,说明阻燃剂对温拌沥青的低温性能不利,这也与延度试验的结论一致。但三种沥青的低温等级均为-18℃。

 

结论

 

①  TFR阻燃剂能显著提高SBS改性沥青的阻燃性能。而温拌剂对SBS改性沥青和阻燃SBS改性沥青的阻燃性能有一定的负面效应,但影响较小。

 

②  SAR温拌剂能改善SBS改性沥青和阻燃SBS改性沥青的高温稳定性能,而阻燃剂对SBS改性沥青高温稳定性有一定的负面效应,但影响较小。两类改性剂均会在一定程度上削弱SBS改性沥青的低温性能。但无论在SBS改性沥青中添加阻燃剂或温拌剂或同时添加,所得改性沥青的常规性能指标均满足相关规范要求。

 

③  所掺加的TFR阻燃剂和SAR温拌剂均能有效地降低SBS改性沥青粘度,保证温拌沥青改性目的。

 

④  采用SAR温拌沥青技术有助于改善SBS改性沥青和阻燃SBS改性沥青的抗疲劳性能。

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