長隧道阻燃SBS 改性瀝青混凝土性能和施工研究

王藝洋

（青海省交通工程技術服務中心，青海 西寧 810000）

0 引 言

瀝青混凝土具有優異的抗滑性能和降噪性能，目前已被廣泛應用于長隧道領域[1-2]，但也因此引入了火災風險。由于長隧道通風系統不足，只要出現火災，易產生嚴重的安全隱患[3]。為了解決該問題，隧道防火研究已經引起廣泛的關注，例如隧道路面的阻燃瀝青材料。目前國內外相關技術方案主要分為2 種：（1）利用開級配瀝青磨耗層；（2）在瀝青混凝土中引入阻燃劑[4-5]。具體對于利用開級配瀝青磨耗層，由于其內部存在很多交聯孔道，在出現火災后，會有效吸收暴露在明火之中的易燃物、可燃物液體，從而阻礙火災的擴展，降低火災的危害程度，但其無法從根本解決火災發生的問題。對于在瀝青混凝土中引入阻燃劑，可以阻礙其燃燒，但該方法也存在明顯的缺陷，包括阻燃劑的使用不利于環保和健康，增加隧道建設成本，同時會降低瀝青混凝土的穩定性，降低其服役壽命等問題。

針對上述問題，本文采用環保阻燃劑制備了阻燃SBS 改性瀝青混凝土，并驗證了其阻燃性能、穩定性和施工性，為其在長隧道領域的實際應用提供了理論指導和技術支持，具有重大的工程價值。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

SBS 改性瀝青，杭州民申防水材料有限公司；高效阻燃劑（HF-216，白色粉末，含溴量≥80%，1.2 g/cm3，溶解溫度≥140 ℃，平均粒徑1~5 μm），湖北友豐科技有限公司；灰綠巖和石灰巖礦粉，東莞易天新材料有限公司。

1.2 實驗儀器與設備

高速剪切機（GS-1），滄州鈺展儀器設備有限公司；溫度數顯恒溫油浴鍋（HH-S），鵬艾鑫儀器設備有限公司。

1.3 樣品制備

首先通過摻雜阻燃劑制備阻燃SBS 改性瀝青，即通過油浴鍋將SBS 改性瀝青升溫到160 ℃，降低其黏度。隨后在機械攪拌過程中，向瀝青中緩慢添加阻燃劑，使其分散均勻，再將瀝青通過高速剪切機快速攪拌，進一步提高樣品的均勻性[6]。

隨后按照一定的配比值分別稱量SBS 改性瀝青、灰綠巖、石灰巖礦粉，并將其混合分散均勻后，澆鑄至不銹鋼模具中成型固化，直至樣品質量穩定。

1.4 阻燃性能測試

對于阻燃性能，本文基于GB/T16172-2007/ISO 5660-1：2002，ASTME 1354 和ASTME 1550 標準，采用錐形量熱計技術對阻燃SBS 改性瀝青混凝土進行了測試，即英國FTT 公司的標準型錐形量熱儀。為了減小誤差，確保試驗結果的準確性，通過模具將樣品尺寸控制為10 cm×10 cm×3 cm，并采用鋁箔包裹樣品的非測試面，同時在樣品底部放置隔熱層。測試過程中，將各項參數設置成熱流輻射強度45 kW/m2，氣流速度25 L/s。

1.5 水穩定性測試

水穩定性測試方法參照JTG F40－2004 和JTG E20-2011。對于浸水試驗，將樣品置于30 ℃的恒溫水槽中浸泡48 h，隨后將馬歇爾試驗儀的上下壓頭放入水槽中達到同樣溫度，啟動加載設備，使樣品承受荷載，加載速度為50 mm/min，測試樣品力學性能。對于凍融劈裂試驗，將樣品置于水槽中并通過恒溫冰箱降溫至-18 ℃保持16 h，隨后取出樣品立刻放置于60 ℃恒溫水槽中保溫，24 h 后取出樣品，以50 mm/min 加載速度測試樣品的力學性能。

2 結果與討論

2.1 阻燃SBS 改性瀝青混凝土阻燃性能

極限氧指數作為劃分材料易燃性的參數，是驗證阻燃SBS 改性瀝青混凝土阻燃性的重要指標，其中極限氧指數不高于21%的材料具有易燃性，介于21%~27%的材料具有可燃性，而大于27%的材料則為自熄滅材料。我們對未改性和制備得到的改性SBS 瀝青混凝土的阻燃性能測試，由圖1 可知，對于未添加阻燃劑的傳統SBS 改性瀝青混凝土，其極限氧指數僅為20.5%，可視為易燃材料；而阻燃SBS改性瀝青混凝土的極限氧指數明顯增加，達到27.4%，可視為自熄滅材料，說明阻燃劑的添加可以顯著提高瀝青混凝土的阻燃性能。

圖1 不同混凝土樣品極限氧指數Fig. 1 The limit oxygen index of different concrete samples

引燃時間TTI 作為評價阻燃SBS 改性瀝青混凝土阻燃性能的另一個重要指標，定義為混凝土處于某一溫度環境中受熱時，表面從受熱到持續出現燃燒所需要的時間。處于相同溫度下，TTI 值越高，即混凝土的阻燃性能越優異。由圖2 可知，在相同溫度環境中，阻燃SBS 改性瀝青混凝土的TTI 值長達241±13 s，較未添加阻燃劑的對比樣提高了56 s，顯示出優異的阻燃效果。這是由于引入的阻燃劑在受熱時會優先發生分解反應，內部的化學鍵斷裂吸收大量的熱量，從而抑制了燃燒的發生。

圖2 不同混凝土樣品引燃時間Fig. 2 The ignition time of different concrete samples

基于阻燃劑的抑制作用，阻燃SBS 改性瀝青混凝土在燃燒時需要吸收更多熱量，因此也增加了其燃燒終止時間。如圖3 所示，阻燃SBS 改性瀝青混凝土的燃燒時間達到了998 s，較未添加阻燃劑的對比樣延長了58 s，對于增加時間的比例而言，這種程度的增加并不顯著（67/929=7.2%），但對于高溫環境下的可燃材料，增加的58 s 足以使逃生人員多跑出300 m 以上，可以有效地保障逃生人員的生命安全。

圖3 不同混凝土樣品燃燒終止時間Fig. 3 The termination time of combustion of different concrete samples

熱釋放速率HRR 是評價阻燃SBS 改性瀝青混凝土阻燃性能的另一個重要參數，是指混凝土在燃燒時的單位面積和時間釋放的熱量。處于相同環境中，混凝土燃燒時的HRR 值越高，則產生的影響越嚴重。由圖4 可知，2 種混凝土在燃燒時的熱釋放形式相同，HRR 均隨著時間先增加再降低，隨后再增加再降低，出現兩個拐點。然而，阻燃SBS 改性瀝青混凝土在燃燒的過程中，HRR 達到最大值需要305 s，遠慢于未添加阻燃劑的對比樣（198 s），并且HRR 保持較高水平的時間也明顯減少。更重要的是，阻燃SBS 改性瀝青混凝土的HRR 最大值僅為89.5 kW/m2，較未添加阻燃劑的對比樣（120.6 kW/m2）降低了23.3%，顯示出優異的抑制熱量釋放作用。在長隧道這類較為密閉的環境中，如果出現火災，由于熱量的快速聚集會加速火災拓展，易產生爆炸的風險，因此阻燃SBS 改性瀝青混凝土的使用可以有效地緩解該問題。

圖4 不同混凝土樣品熱釋放速率Fig. 4 The heat release rates of different concrete samples

失重率是阻燃SBS 改性瀝青混凝土在燃燒時的質量損失速度，可以顯示出其燃燒程度，即失重率越高，火災程度和損害就越嚴重。如圖5 所示，在整個燃燒過程中，阻燃SBS 改性瀝青混凝土的失重率均低于未添加阻燃劑的對比樣；至燃燒結束時，其失重率僅為2.13%，遠低于對比樣（2.87%），意味著阻燃劑的引入能顯著減小混凝土在著火后的損失率，使其在火災后依舊能保持良好的服役狀態，減少后期維護維修成本，有利于火災后重建。

圖5 不同混凝土樣品的失重率Fig. 5 The weight loss rates of different concrete samples

瀝青混凝土在燃燒后會快速形成煙霧，不僅影響行車人員視線，易造成車禍，行車人員在吸入煙霧后會影響身體健康，甚至導致窒息。因此，總生煙量（單位面積混凝土燃燒后產生的煙霧量）也是評價火災嚴重程度的重要指標。如表1 所示，阻燃SBS改性瀝青混凝土的總生煙量為796.3 m2/m2，較未添加阻燃劑（894.6 m2/m2）的對比樣降低了10%以上，可以有效降低煙霧的產生。

表1 不同瀝青混凝土總生煙量Table 1 The total smoke production of different asphalt concrete samples

類似的，一氧化碳/二氧化碳生成量也同樣重要。如表2 所示，阻燃SBS 改性瀝青混凝土在著火后產生的一氧化碳和二氧化碳排放量分別為0.04 kg/kg 和1.58 kg/kg，較未添加阻燃劑的對比樣分別降低了40.1%和5.8%，一方面表明阻燃SBS 改性瀝青混凝土有限抑制了燃燒，另一方面表明其可以有效減少一氧化碳/二氧化碳的排放量。

表2 不同瀝青混凝土一氧化碳和二氧化碳產生量Table 2 The production of carbon monoxide and carbon dioxide of different asphalt concrete smples

燃燒是瀝青混凝土處于充分氧氣和外部熱源環境中，在表面產生的系列化反應。當瀝青混凝土受熱后會產生大量的可燃氣體、小部分的一氧化碳/二氧化碳和微量的殘留物。如果可燃氣體的濃度增加至閾值以上，在足夠的外部熱源下，瀝青混凝土即出現燃燒?；谀芰渴睾愣?，瀝青混凝土燃燒時具有如下關系：

其中，Q 為外部熱源提供的熱量，Qb為瀝青混凝土燃燒熱，Qd為瀝青混凝土分解熱，Ql為耗散熱。

若Qb≥Qd+Ql，即燃燒熱大于燃燒所需的能量時，瀝青混凝土即可保持自燃。這里Ql受外部環境影響，燃燒環境往往復雜多變，難以控制；而Qb和Qd由材料性質決定，可以通過改變瀝青混凝土的構成進行調整。因此，通過引入阻燃劑，可以使瀝青混凝土受熱時優先發生分解反應，內部的化學鍵斷裂吸收大量的熱量，即增大Qd并減少了Qb，從而實現阻燃性能。

2.2 阻燃SBS 改性瀝青混凝土穩定性

混凝土由于其多孔結構，極易吸附水分，在受凍后孔洞內的水分結冰，體積發生膨脹，對混凝土產生應力，在反復凍融循環后，會導致混凝土開裂，嚴重影響隧道道路的使用安全。因此，測試了阻燃SBS 改性瀝青混凝土的水穩定性，評估其抵抗水分損傷的能力。首先將樣品置于水中浸泡，測試其機械性能的變化程度，具體測試方法可參考JTG E20-2011 和JTG F40－2004。經測試，浸泡后阻燃SBS 改性瀝青混凝土力學強度仍保持原始樣品的91.6%，大于規范要求值（85%），有利于其實際應用，而未添加阻燃劑的傳統SBS 改性瀝青混凝土則保留力學強度的92.3%，說明阻燃劑的添加對于混凝土的水穩定性幾乎沒有影響，即阻燃SBS 改性瀝青混凝土具備優異的水穩定性。為了進一步驗證阻燃SBS 改性瀝青混凝土的水穩定性，我們還測試了其凍融循環后的機械性能。阻燃SBS 改性瀝青混凝土在試驗后，力學強度仍具有試驗前樣品的93.3%，大于規范要求值（80%），而未添加阻燃劑的傳統樣品則保留力學強度的94.1%，因此阻燃SBS 改性瀝青混凝土可滿足實際應用要求。

除了水穩定性以外，動穩定度同樣決定了阻燃SBS 改性瀝青混凝土的服役壽命。為了說明阻燃SBS 改性瀝青混凝土的動穩定度?；贘TG E20-2011 中的相關測試方法，開展了車轍測試。經試驗（試驗條件：溫度60 ℃，輪壓0.7 MPa），阻燃SBS 改性瀝青混凝土的動穩定度高達5 446 次/mm，遠高于實際應用要求的3 000 次/mm，同時其與未添加阻燃劑的傳統改性瀝青混凝土的動穩定度相近（5 524 次/mm），具有優異的動穩定度。

我國土地遼闊，氣候差異也極為明顯，為了使阻燃SBS 改性瀝青混凝土具有更廣泛的適用性，應保證其具有低溫穩定性，例如當用于東北地區，其冬季溫度可低至-40 ℃。因此采用JTG E20-2011中的相關規程標準，測試了阻燃SBS 改性瀝青混凝土的低溫穩定性。經測試，阻燃SBS 改性瀝青混凝土在低溫環境下的抗拉強度、抗拉應變和勁度模量分別為9.77 MPa，3 755 με 和2 580 MPa。然而，未添加阻燃劑的傳統SBS 改性瀝青混凝土這3 項性能分別為8.97 MPa，3 624 με 和2 331 MPa，甚至略低于阻燃SBS 改性瀝青混凝土，說明后者提高了低溫穩定性，可以進一步推動實際應用。

2.3 阻燃SBS 改性瀝青混凝土施工

雖然實驗室小批量制備的阻燃SBS 改性瀝青混凝土具備優異的阻燃性和穩定性，滿足實際應用要求，但批量化制備施工時，往往結果無法盡如人意，例如性能出現降低、混凝土發生開裂等問題。為了驗證阻燃SBS 改性瀝青混凝土的實際應用前景，我們在實際道路上進行了施工并測試了相關性能指標。

阻燃SBS 改性瀝青混凝土施工方案與實驗室制備相似，而工藝包括：瀝青加熱溫度為160 ℃，礦料加熱溫度為200 ℃，拌合溫度為150 ℃，攤鋪溫度為180 ℃，初壓溫度為160 ℃，終壓溫度為100 ℃。施工制得的阻燃SBS 改性瀝青混凝土通過現場鉆芯取樣進行了測試，其表面層厚度為40 mm，壓實度95.5%，孔隙率為4.2%，平整度為0.68。根據文獻中報道的方法對施工樣品進行了評級，最終得分約為84.7，介于80 至85 分之間，因此認定該阻燃SBS 改性瀝青混凝土的工程質量等級達到4 級，可以滿足實際應用要求[7-8]。

3 結 論

本研究通過在SBS 改性瀝青中摻雜阻燃劑的方法，制備了一種適用于長隧道的阻燃SBS 改性瀝青混凝土，通過與未添加阻燃劑的傳統SBS 改性瀝青混凝土對比，發現前者具備良好的阻燃性、穩定性和施工工程質量，為解決長隧道火災風險的問題提供了思路。具體結論如下：

(1)阻燃SBS 改性瀝青混凝土的點燃時間、熱量釋放速度、產生的煙霧量以及一氧化碳和二氧化碳排放量這些阻燃性能參數都遠優于未添加阻燃劑的傳統樣品，具有優異的阻燃效果。

(2)阻燃SBS 改性瀝青混凝土具有優異的水穩定性、動穩定度和低溫穩定性，說明其服役壽命與未添加阻燃劑的傳統樣品相近。

(3)通過在公路上施工制備了阻燃SBS 改性瀝青混凝土，經檢驗，其表施工工程質量達到4 級，可以滿足實際應用需求。