（材料学专业论文）降粘阻燃沥青技术的应用研究.pdf

摘要 一般情况下，隧道内的沥青路面都是使用普通的热拌沥青混合料( h m a ，h o t m i x a s p h a l t ) 进行铺筑，但h m a 施工的过程中会排放出大量的废气，通风较差时， 会严重影响周围的环境质量和施工人员的身体健康，同时，沥青的易燃也使隧道 内的路面存在较大的火灾隐患。为了弥补上述不足，对沥青进行双重改性开发出 一种降粘阻燃沥青，在降低沥青粘度的同时一并提高沥青的阻燃性。 利用正交试验设计方法研制得到降粘阻燃沥青的最佳配方即4 e c1 2 0 + 7 f r m a x ，掺加温度1 5 0 ，掺加改性剂时搅拌2 5 分钟。通过d s r 、b b r 试验检 测了降粘阻燃沥青的高低温性能，通过沥青老化前后的针入度和软化点变化分析 沥青的抗老化性能，同时还利用显微镜和离析试验研究了降粘阻燃沥青的储存稳 定性，利用水煮法研究了降粘阻燃沥青与集料的粘附性。 另外，还对添加降粘阻燃沥青的混合料进行了车辙和低温弯曲试验，研究了 混合料的高、低温性能；利用冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验研究了混合料的水 稳定性；利用马歇尔试验和渗水试验研究了混合料的施工性能和透水性能。并创 造性地应用氧指数、烟密度以及烟气毒性三个指标综合评价混合料的燃烧性能。 试验结果表明，降粘阻燃沥青的氧指数会升高，粘度会降低，阻燃和降粘的 效果改善明显；车辙因子g * s i n 多得到提高，高温性能有所提升；温拌剂和阻燃剂 在沥青中分散均匀，储存稳定性较好；同时沥青与集料的粘附性增强；但蠕变劲 度模量s 和蠕变速率m 指标均比基质沥青弱化，降粘阻燃沥青的低温性能略有下 降；沥青老化后残留针入度变小，软化点升高，较基质沥青看老化能力下降。 添加降粘阻燃沥青的混合料可以在比普通沥青混合料低1 5 的温度下施工， 且体积性能并不受到影响；车辙试验结果比普通沥青混合料上升7 5 ，浸水马歇 尔残留稳定度提高约3 5 ，冻融劈裂残留强度比提高约2 5 ，渗水系数下降约 2 0 ，混合料高温，水稳定性和密水性能都有改善；但低温弯拉应变下降1 3 ，混 合料的低温性能降低。另外，掺降粘阻燃沥青的混合料阻燃性能显著增强，烟气 排放量显著下降，而阻燃剂本身的成份也不会增加烟气的毒性。文章最后提出了 氧指数不小于2 7 ，s d r 不大于2 5 ，烟气毒性不低于z a 2 作为降粘阻燃沥青的燃烧 性能的控制指标。 关键词：降粘阻燃沥青；降粘阻燃沥青混合料；路用性能；施工和易性；燃烧性 a b s t r a c t i ng e n e r a l ，a s p h a l tp a v e m e n ti nt u n n e li sp a v e dw i t ht h ec o m m o nh m a ( h o tm i x a s p h a l t ) ，b u th m a w o u l de m i s s i o nh u g eq u a n t i t i e so fe x h a u s t ，i ft h e r ei sab a d v e n t i l a t i o n ，w h i c hh a v eas e r i o u si m p a c to nt h eq u a l i t yo ft h ee n v i r o n m e n ta r o u n da n d p h y s i c a lh e a l t ho fc o n s t r u c t e r s a tt h es a m et i m e ，t h ef l a m m a b i l i t yo fa s p h a l tc a u s e s m u c hm o r ef i r eh i d d e nt r o u b l e s t or e m e d yt h ea b o v e m e n t i o n e dd i s a d v a n t a g e s ，d o u b l e m o d i f i c a t i o nf o ra s p h a l ts h o u l db er e s e a r c h e dt od e v e l o pat y p eo fv i s c o s i t yr e d u c i n g f l a m er e t a r d a n ta s p h a l t ，a tt h es a m et i m eo fr e d u c i n ga s p h a l tv i s c o s i t y , i m p r o v i n g a s p h a l tf l a m er e t a r d a n t m a k eu s eo fo r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o d ，c o u l dd e v e l o pt h eo p t i m u mf o r m u l ao f v i s c o s i t yr e d u c i n gf l a m er e t a r d a n ta s p h a l t ，t h a ti s 4 e c12 0 + 7 f 砌懒，j o i n e d t e m p e r a t u r eo f1 5 0 。c ，s t i r r i n go f 2 5m i n u t e sw h e nj o i n i n gm o d i f i e r t h r o u g hd s r 、 b b rt e s t s ，m e a s u r e m e n tt h eh i g h - a n d - l o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fv i s c o s i t y r e d u c i n gf l a m er e t a r d a n ta s p h a l t t h r o u g h t h ec h a n g ea n a l y s i so f p e n e t r a t i o na n d s o f t e n i n gp o i n to f b e f o r ea n da f t e ra s p h a l ta g e i n gr e s e a r c h i n gt h ea n t i - a g i n gc a p a b i l i t y o fa s p h a l t ，s y n c h r o n o u s l yu s i n gm i c r o s c o p ea n di s o l a t i o ne x p e r i m e n tt or e s e a r c ht h e s t o r a g es t a b i l i t yo fv i s c o s i t yr e d u c i n gf l a m er e t a r d a n ta s p h a l t ，u s i n gp o a c ht e s t t o r e s e a r c ht h ea d h e s i o no fv i s c o s i t yr e d u c i n gf l a m er e t a r d a n ta s p h a l ta n da g g r e g a t e i na d d i t i o n ，d or u tt e s ta n dl o w t e m p e r a t u r et e n s i l et e s to nt h em i xw h i c h a d d e d v i s c o s i t yr e d u c i n gf l a m er e t a r d a n ta s p h a l t ，r e s e a r c ht h eh i g h - l o wt e m p e r a t u r ec a p a b i l i t y o fm i x t u r e ，r e s e a r c hw a t e rs t a b i l i t yo fm i x t u r eu s i n gm a r s h a l lt e s ta n ds e e p a g et e s t i n i t i a t i v e ，a p p l yo x y g e ni n d e x ，s m o k ed e n s i t ya n d s m o k et o x i c i t yt oc o m p r e h e n s i v e a p p r a i s a lt h ec o m b u s t i o np r o p e r t yo f m i x t u r e r e s u l to ft e s t ss h o wt h a t ，o x y g e ni n d e xo fv i s c o s i t yr e d u c i n gf l a m er e t a r d a n t a s p h a l th a sb e e nr i s e d ，v i s c o s i t yr e d u c e d ，w h i c hi ss u c c e s s f u li nf l a m er e t a r d a n c ya n d v i s c o s i t yr e d u c t i o n ； r u tf a c t o rg * s i ndh a sb e e ni n c r e a s e d ，h i g h t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c eh a sb e e ni m p r o v e d ；w a r m - m i x e da n df l a m er e t a r d a n td i s p e r s eu n i f o r m i t y i n a s p h a l t ，t h es t o r a g es t a b i l i t y i s g r e a t ；a d h e s i o no fa s p h a l ta n da g g r e g a t e a r e r e i n f o r c e m e n t ；b u tm o d u l eo fc r e e ps t i f f n e s ssa n dc r e e pr a t em a r ew e a k e nt h a nb a s e a s p h a l t ，d e c l i n i n gi nl o w t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fv i s c o s i t yr e d u c i n gf l a m er e t a r d a n t a s p h a l t ；w h e na s p h a l ta g i n g ，r e s i d u a lp e n e t r a t i o ni sd e c r e a s i n g ，s o f t e n i n gp o i n t i sr i s i n g , t h ea g i n ga b i l i t yi sd e c l i n e t h em i xa d d i n gv i s c o s i t yr e d u c i n gf l a m er e t a r d a n ta s p h a l tc o u l db ec o n s t r u c t e di n t h et e m p e r a t u r el o w e rw h i c hi s15 l o w e rt h a nn o r m a la s p h a l tm i x t u r e s a n dt h e b u l k p e r f o r m a n c ed o e s n ti m p a c t ，t h er e s u l to fr u tt e s ti s7 5 m o r et h a nn o r m a la s p h a l t m i x t u r e s ，s o a k i n gm a r s h a l lr e s i d u a ls t a b i l i t yr i s i n ga b o u t3 5 ，t e n s i l es t r e n g t hr a t i o a f t e rf r e e z e - t h a ws p l i r i n gt e s tr i s i n ga b o u t2 5 ，i n f i l t r a t i o nc o e f f i c i e n td e c l i n ea b o u t 2 0 t h eh i g h t e m p e r a t u r eo fm i x t u r e ，w a t e rs t a b i l i t ya n da n t i 1 e a k i n ga b i l i t yh a v e i m p r o v e m e n t i na d d i t i o n ，t h ef l a m er e t a r d a n c yo fm i xa d d e dv i s c o s i t yr e d u c i n gf l a m e r e t a r d a n ta s p h a l th a sg r e a t r e i n f o r c e m e n t ，h o w e v e r , t h ec o m p o n e n to ff l a m er e t a r d a n t d o n ti n c r e a s et h et o x i c i t yo fs m o k e a tt h ee n do ft h i sa r t i c l e ，a st h ec o n t r o lt a r g e t ，t h r e e c o m b u s t i o np r o p e r t i e so fv i s c o s i t y r e d u c i n gf l a m er e t a r d a n ta s p h a l th a v eb e e n s u g g e s t e d ，w h i c ha r eo x y g e ni n d e xi sr i ol e s st h a n2 7 ，s d ri sn om o r et h a n2 5 s m o k e t o x i c i t yi sn ol e s st h a nz a 2 k e y w o r d s ：v i s c o s i t yr e d u c i n gf l a m er e t a r d a n ta s p h a l t ；v i s c o s i t yr e d u c i n gf l a m e r e t a r d a n t a s p h a l tm i x t u r e s ；p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ；w o r k a b l ep e r f o r m a n c e ；b u r n i n g p e r f o r m a n c e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：婚 同期： 沙产 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 加- 2 ) 日 ， 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 ： 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位敝譬签尹：隅? ； 日期：净乡月。f 弓日7 乡日 煎办曩 l石 名年 鹕于 归 k 狮啪 导 期 借 日 、乙， 7 f乃犷b：1 月 名i獬 者阵 睹产 文 m敝吵 位 期 学 日 芬月 l l 万 名年 獬产 师 洳 撕嘲 导 期 指 日 第一章绪论 1 1 课题研究目的和意义 第一章绪论 近年来，我国公路建设发展迅速，公路技术等级和路面等级不断提高，截止 2 0 0 8 年底，全国高速公路总里程已达到6 0 3 万公里，位居世界第二，其中隧道达 1 9 7 2 处、8 3 5 万延米，已成为世界公路隧道最多的国家，并保持着继续发展的势 头。特别是在我国西部地区，崇山峻岭居多，地形地质条件恶劣，有大量的公路 隧道工程在建和待建。目前，陕西、四川、吉林、辽宁、广东等省规划也将建一 批特长公路隧道或隧道群。 目前隧道内建设中的沥青路面基本上都采用的是传统的热拌沥青混合料 h m a ( h o tm i x t u r ea s p h a l t ) l lj 。h m a 是一种热拌热铺沥青混合料，它是将沥青 从常温加热到1 4 0 左右，矿料从常温加热到l8 0 以上，然后再将沥青和矿料于 1 7 0 的高温下进行拌和，摊铺和碾压时的温度达1 5 0 左右。将沥青和矿料加热 到如此高的温度，不仅要消耗大量的能源，而且在生产和施工的过程中还会排放 出大量的废气和粉尘，在隧道相对封闭的环境内会严重影响周围的环境质量和施 工人员的身体健康。另外，在中国公路交通建设中，环境保护工作越来越得到重 视，但多围绕生态环境保护和绿化等方面，而在生产过程中的气体排放方面重视 不够。据试验测试：在生产沥青混合料的过程中，温度每升高1 0 ，每1 吨混合 料将多产生0 9 k g 的c 0 2 排放量( 见表1 1 ) 拉j 。因此，降低施工温度十分必要。 表1 1 沥青混合料的生产过程中c 0 z 排放量与温度的关系 t a b l e1 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eq u a n t i t yo f t h ec 0 2e x h a u s t sa n dt h et e m p e r a t u r eo f t h ea s p h a l t p r o d u c t i o n 混合料拌和温度( ) 1 3 01 4 01 5 01 6 01 7 01 8 0 c 0 2 排放量( k 卧) 1 5 91 6 71 7 61 8 51 9 42 0 3 同时，公路隧道由于其结构物特殊性，相对其他路段更容易发生火灾。隧道 中一旦发生交通事故，很容易由于汽车碰撞而引起火灾。隧道发生火灾将导致隧 道内温度急剧上升，并伴随着大量的有害烟气，不仅使汽车烧毁、隧道设施和结 构的严重毁坏以及长时间的道路交通中断，造成无法估计的经济损失，同时由于 长隧道两侧难有逃生空间，往往容易导致人员伤亡。国内外曾经发生过多起由于 隧道交通事故引发火灾，造成灾难性后果。1 9 9 1 年，日本发生的一次隧道火灾大 2 第一章绪论 火燃烧了4 天。1 9 9 5 年1 0 月阿塞拜疆地铁火灾，造成2 9 8 人死亡；1 9 9 6 年1 1 月 1 8 目的火灾事故发生在法国和英国之间的英法海底隧道，损失严重；1 9 9 9 年3 月 2 4 同发生在法国与意大利之间的勃朗峰( m o n t b l a n c ) 隧道，死亡4 1 人，3 6 辆汽 车被毁，燃烧了5 3 小时；1 9 9 9 年5 月2 9 日奥地利中部穿越阿尔卑斯山的陶恩隧 道( t a u e mm o t o r w a yt u n n e l ) 火灾，由于后方的大货车高速撞在前方停放的小汽 车上而导致大火，灭火措施均告失败，火灾造成了1 4 辆货车、2 6 辆小汽车烧毁， 1 2 人死亡，4 9 人受伤；2 0 0 1 年1 0 月2 4 日，世界最长的运营公路隧道之一的瑞士 s tg o t h a r d 隧道发生火灾，造成1 1 人死亡。国内近年来也曾发生多起隧道火灾事 故。1 9 9 8 年7 月7 日福建盘陀山第二公路隧道因货车在隧道内起火发生火灾；1 9 9 9 年浙江大溪岭隧道发生火灾。2 0 0 2 年1 月1 0 同，一辆河南的东风大货车满载皮鞋、 打火机和透明胶片等杂货由南向北行驶，行至猫狸岭隧道左洞( 上行线) 距隧道 出口7 8 0 m 附近时，发生火灾，整个火灾持续时间约2 小时，虽无人员伤亡，但使 得交通中断1 8 天，造成巨大直接与间接的经济损失。显然，在隧道内阻燃抑烟是 必要的。 因此，一种环保节能而又具有阻燃性能的的降粘阻燃沥青的研制和应用，对 改善上述状况有着巨大的意义。其不仅节约大量的能源消耗，改善隧道施工环境， 还可以降低沥青材料的燃烧性能，使沥青由可燃材料转换成不燃或难燃性材料， 同时抑制烟雾的产生，提高隧道的安全性。 1 2 国内外温拌沥青及其混合料的研究现状 1 2 1 国内外研究进展 近年来【3 】1 4 1 ，改性沥青的大量使用和对沥青路面压实度的要求的提高，使得沥 青混合料的拌和及压实温度也提高了，从而导致了生产沥青混合料时的能源消耗 和烟尘等废弃物排放的增多。在日本及欧洲等国家，由于签署了京都议定书， 限制空气中c 0 2 的排放量。因此，人们在1 9 9 5 年就开始研制一种环保型的温拌沥 青混合料w m a ( w a r mm i xa s p h a l t ) 来替代传统的热拌沥青混合料h m a 。 所谓w m a 就是通过一定的技术措施，降低沥青的粘度，从而使沥青能在相 对较低的温度下进行拌和及施工，同时保持其不低于h m a 的使用性能的沥青混合 料技术。就国外目前的技术水平而言，w m a 的拌和温度一般保持在1 0 0 - - , 1 2 0 ， 摊铺和压实路面的温度为8 0 - - - 9 0 ，相对于h m a ，温度降低了3 0 左右，而w m a 却具备和h m a 一样的施工和易性和路用性能。 w m a 首先是在欧洲由s h e l l 公司和k o l o v d d e k k e 公司于1 9 9 5 年联合开发， 第一章绪论3 并于1 9 9 6 年进行了现场试验。在研制和使用初期生产成本较高。为了降低成本， 同时又不降低w m a 的性能，s h e l l 和k o l o v e i d e k k e 在1 9 9 8 年开始用泡沫沥青和 软沥青来生产温拌沥青，并制备温拌沥青混合料，这种温拌沥青混合料于1 9 9 9 年 和热拌沥青混合料进行了现场对比试验，经过一轮春、冬季跟踪观测，温拌沥青 混合料的使用性能良好。因此，s h e l l 和k o l o v e i d e k k e 在2 0 0 0 年的 e u r o b i t u m e e u r o a s p h a l t 国际会议上第一次提出了温拌沥青混合料。随后，由于温 拌沥青混合料具有节能、环保等优点，越来越得到人们的重视，其使用量也不断 增加。日本和欧洲等国开始大量使用温拌沥青混合料，2 0 0 1 年温拌沥青混合料的 使用量达8 0 0 0t ，2 0 0 2 年增长到1 5 0 0 0t ，2 0 0 3 年就高达3 0 0 0 0 t 。从温拌沥青混合 料使用量的大幅提高上，就可以看出温拌沥青混合料的发展趋势。 2 0 0 2 年美国引入温拌沥青混合料技术，并在2 0 0 4 年建设了美国的第一条温拌 沥青混合料路面。2 0 0 5 年由美国沥青路面协会和联邦公路局发起组建温拌沥青混 合料技术研究组( w a r mm i xa s p h a l tt e c h n i c a l w o r k i n gg r o u p ) 。2 0 0 7 年3 月，美国 全国公路合作研究项目( t h en a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m n c h r p ) 开始着手温拌沥青混合料技术的配合比设计( p r o j e c t0 9 4 3 ) ，计划于 2 0 1 0 年3 月完成。这项研究目的在于制定出温拌沥青混合料级配设计和性能测试 规范，从而为温拌沥青混合料的施工进行技术指导。2 0 0 8 年3 月，n c h r p 开始研 究温拌沥青混合料的施工性能和气体排放以及路用性能( p r o j e c t0 9 4 7 ) ，计划于 2 0 1 1 年9 月完成。目前在美国有2 0 0 多个温拌沥青混合料的建设或试验项目，所 有的州都在研究温拌沥青混合料，德州和加州己经开始把温拌沥青混合料采纳到 他们的规范中。 我国温拌沥青混合料技术研究起步于2 0 0 5 年，当年9 月由交通部公路科学研 究院、同济大学、北京路桥路兴物资中心与美国m e a dw e s t v a c o 公司合作研发的我 国第一条温拌沥青混合料路面在北京八达岭高速铺筑试验路。2 0 0 6 年9 月，我国 铺设了世界上第一条改性沥青s m a 温拌试验路，2 0 0 8 年5 月，我国在河北省铺设 了世界上第一条橡胶沥青的温拌试验路。我国的温拌技术主要引进国外的温拌技 术专利，进行技术上的消化吸收。西部交通建设科技项目“温拌沥青混合料应用 技术研究 课题于2 0 0 6 年开始进行研究，预期的主要研究成果：温拌沥青混合料的 设计方法和性能评价方法，编制温拌沥青混合料技术指南。从整体上而言，我 国的w m a 技术处于起步阶段。 1 2 2w m a 的技术实现途径 目前国际上在制备w m a 时，通常采用以下几种技术途径： 4 第一章绪论 掺加一种叫a s p h a - m i n 的人工合成沸石( 硅铝酸钠) ，它可以使沥青中充满泡 沫【5 j 。它是一种很细的白色粉末，其内部含有占其体积2 1 的水分，这些水分会在 8 5 1 8 2 的温度下被释放出来。所以，在拌混合料时，a s p h a m i n 和沥青同时加入， 释放出的水分会导致胶结料体积膨胀形成泡沫沥青，这会使其和易性增加并使得 沥青可以在较低的温度下充分覆盖集料，即可以降低混合料的拌和温度。2 0 0 4 年 2 月1 6 日在美国奥兰多( o r l a n d o ) 做了一个比对工程，目的是检验a s p h a - m i n 的 混合料与传统的热拌沥青混合料相比其摊铺温度的降低，工作和易性、压实度及 体积性质的改变。试验工程得出的结论显示：掺了a s p h a - m i n 的混合料比传统的 热拌沥青混合料的摊铺温度可以下降1 5 ，但降低温度后对混合料的体积性质、 马歇尔稳定度、工作和易性及路面压实度都没有出现负面的影响。这说明采用 a s p h a - m i n 可以生产良好的w m a 。 采用由两种组分构成的沥青系统，人们把它称作w a m f o a m 。w a m f o a m 是在混合料拌和过程中加入由两种单独的沥青( 软沥青和硬沥青) 所构成的调和 沥青，其中硬沥青是以泡沫沥青的形式加入。在拌和过程中，首先将软沥青在1 1 0 左右加入，并拌和使其充分覆盖在集料表面；再将硬沥青以泡沫沥青的形式加入 其中拌和均匀。泡沫硬沥青和软沥青结合在一起共同形成所要求的沥青性能。这 种方法成功与否的关键在于软沥青与硬沥青品种的选择及其合适的比例的确定， 而且在第一步拌和中保证软沥青对集料的充分覆盖以隔绝水分与集料表面的接 触，是确保混合料路用性能的关键。据资料介绍：这种温拌沥青制备方法可以减少 3 0 的燃料消耗以及3 0 的c 0 2 排放量【6 l 。 加入低熔点的有机外加剂从而从化学上改变沥青的粘温曲线，这种有机外 加剂有：1 ) 合成蜡状物；2 ) 低分子量的酯( 这是目前成功应用的两类外加剂) ， 这两类物质熔点大约在9 9 。c ，在高于熔点的温度时会极大的降低沥青粘度并提供 良好的流动性，混合料的拌和温度降低7 1 2 。 应用乳化沥青产品e v o t h e r m t7 1 。这是美国新开发的一项技术。e v o t h e r m 采 用了化学外加剂和沥青分散技术。它的化学外加剂包含了乳化剂、提高裹覆能力 及混合料和易性、提高粘附力等多种作用的改性剂。这些改性剂分散在含有7 0 的沥青的乳状液中，形成了e v o t h e r m 。与传统沥青不同的是，e v o t h e r m 在8 0 的 情况下储存。当它与热集料拌和的时候，乳液中的水以蒸汽的形式释放出来，使 其形成与热拌沥青相似的对集料的裹覆情况。m e a d w e s t v a c o 的报告指出工程实践 证明了应用e v o t h e r m 可以使拌和温度比h m a 低3 8 ( 2 ，这也可以使沥青混合料生 产的能源消耗节约5 5 ，同时减少4 5 的c 0 2 和s 0 2 、6 0 n o x 的排放【 ；l o 这对节 约能源，保护环境具有重大意义，因此具有良好的发展前景。 第一章绪论 5 1 2 3w m a 技术的应用情况 美国f h w a 在w a r m m i x a s p h a l t ：e u r o p e a np r a c t i c e ) ) ( 报告编号f h w a p l - 0 8 0 0 7 ) 一文中统计了截止至u 2 0 0 8 年2 月以来的主要温拌技术产品的使用情况。由表 1 2 可以看出，全世界应用最多的w m a 技术是通过添加蜡和沸石来实现的。 表1 2w m 技术的应用情况 t a b1 2 a p p l y i n go fw m at e c h n o l o g i e s w m a 实现技术生产公司近似生产量 s a s o b i t ( 蜡) s a s o l 1 千万吨 a s p h a l t a n - b ( 蜡) r o m o n t a 未知 l i e o m o n tb s10 0o rs f i b i t ( 酯等添加物)c l a r i a n t 3 2 平方米 a s p h a - m i n ( 沸石) e u r o v i aa n dm h i 约3 0 万吨 l e a c 0 ，f a i r c o ，a n d l e a ，a l s oe b ea n de b t ( 泡沫) e i f f a g e 1 0 万吨 t r a v a u xp u b l i c s l e a b ( 泡沫)b a m多项商务工程 k o l ov e i d e k k e ，s h e l l w a m - f o a m ( 泡沫) 6 万吨 b i t u m e n e v o t h e r m t mm e a d w e s t v a c o 1 7 万吨 a d v e r a ( 沸石)p qc o r p o r a t i o n l 万吨 1 3 国内外阻燃沥青的研究现状 1 3 1 国内外研究进展 阻燃沥青的研究最早可以追溯到1 9 8 7 年和1 9 8 9 年发表的两篇美国专利【9 】【m 】 “阻燃沥青共混料 ，主要是以卤系和磷作为阻燃剂，制备的阻燃沥青用于屋面阻 燃油毡。在国内，原武汉工业大学有机材料研究所早在上世纪9 0 年代就开始进行 这方面的研究，主要应用于沥青油毡、防水材料方面，其后见于报道的大多数阻 燃沥青的研究都是沥青防水卷材和油毡。这些阻燃沥青主要用a t h 或m g ( o h ) 3 作为阻燃剂，在油毡、防水材料中阻燃剂的掺量大，阻燃性能不是很好，而且由 于这些无机阻燃剂掺量大，与沥青和基材的相容性和亲和力差，因此对卷材、油 毡的物理性能影响较大。 6第一章绪论 2 0 0 2 年5 月，国内重庆北方高速公路发展有限公司】将沥青阻燃技术成功应 用于渝合高速北碚隧道和西山坪隧道的沥青路面铺装。而最近几年阻燃沥青方面 的发展更是迅速，出现了很多科研成果。在2 0 0 5 年1 月，何唯平等人介绍了一 种阻燃沥青，明确指出了“阻燃”与“抑烟”同等重要，同年2 月又介绍了一种 密级配的阻燃沥青混合料【l3 1 。2 0 0 5 年3 月，鲁红春等人【m 】介绍了一种坏氧型焦油 沥青阻燃涂料。2 0 0 6 年4 月，丁庆军等【l5 j 人介绍了一项阻燃o g f c 技术。2 0 0 6 年 9 月，黄绍龙等人i l6 j 介绍了一项阻燃s m a 混合料的技术。2 0 0 6 年1 1 月，余剑英 等人l l7 j 介绍了一种无卤阻燃沥青技术，通过磷系、氮系阻燃剂进行阻燃。另外， 辽宁石油化工大学的廖克俭u8 j 等人也从事过阻燃沥青的研究，虽然能提高沥青的 阻燃性能，但制备的阻燃沥青的物理性能较差，难以满足工程需求。 目前为止，国内阻燃沥青的技术已经逐渐成熟，阻燃沥青的阻燃性能得到显 著提升，工程应用已经非常普及，但国内交通行业阻燃沥青及其混合料的标准依 然缺乏，这也是今后需要进一步研究的内容。 1 3 2 阻燃技术的实现机理 阻燃沥青混凝土是通过在沥青中掺加适当种类及掺量的阻燃剂，并通过一定 的改性工艺制备成的阻燃沥青材料，利用制备出的阻燃沥青进行沥青混合料设计， 制备出既具有阻燃性能又满足路用性能技术要求的沥青混凝土【i 9 】f 2 0 】。阻燃沥青是 阻燃剂对沥青进行改性制备所得，通常阻燃剂与沥青只是机械的混合，并没有与 沥青发生化学反应。所以，这种阻燃剂加入后对沥青的性能会有一定的影响，阻 燃剂的掺量越大则对性能影响也越大。在制备阻燃沥青时要选择掺量低、阻燃效 果好并对沥青性能影响小的阻燃剂对沥青进行阻燃改性。 阻燃沥青路面是阻燃沥青混合料在工程中的应用。通常与普通沥青混凝土路 面具有相同的功能。当路面有火源或发生火灾时，阻燃沥青混凝土开始发挥其阻 燃作用。有火源时，阻燃沥青混凝土温度升高，阻燃沥青混凝土中阻燃沥青及阻 燃剂也同时受热，受热的沥青开始发生分解，阻燃剂开始发挥阻燃作用。从而使 沥青混凝土达到阻燃的作用，降低火灾的损失。 当沥青燃烧时，热解产生的可燃性产物会与空气中的氧作用，在空气中发生 一系列的自由基链式反应： h + 0 2 一h 0 + 0 h o + r c h 3 ，r c h 2 + h ：0 0 + h 2 - - - h 0 + h r c h 。+ 0 ，r c h o + h o 第一章绪论 7 c o + h o c 0 2 + h 其中c o + h o 一c o ：+ h 是主要的放热反应。 由上述内容可以看出，要实现沥青阻燃就要消灭热解产生的自由基h o 、 h 和o ，抑制连锁反应的发生；在沥青表面形成隔离区，阻止热能、氧气向 沥青传递；促进沥青表面的炭化交联，达到阻止燃烧，抑制烟尘的目的。 聚合物的燃烧是一个非常复杂的物理、化学过程，不仅受材料本身的性质的制 约，还受通风效果、材料的形状、引燃源的强度和类型等外界因素的影响。通常 高聚物在空气中的燃烧一般可分为三个阶段：1 ) 物质受热分解产生可燃性气体产 物；2 ) 此可燃物在空气中燃烧；3 ) 燃烧产生的部分热量使固态物质或熔融态物 质继续分解，提供燃料使燃烧继续。针对燃烧过程的特点，如果使上述三个阶段 中的一个或几个终止，即可使材料的阻燃性提高，所谓阻燃性就是在一定条件下， 延缓材料的燃烧过程，为人们进行扑救和逃生赢得时间，这通常通过气相阻燃、 凝聚相阻燃或中断热交换等机理实现。 气相阻燃机理 气相阻燃是指在气相中进行的阻燃作用，即在气相中中断或延缓可燃气体的 燃烧反应。其过程是：阻燃剂受热，产生能影响火焰形成或增长的自由基的活性 气体化合物；产生细微烟粒子，能对燃烧中活性自由基的结合和终止起催化作用； 阻燃剂受热能释放出大量惰性气体，稀释空气中的氧和聚合物分解生成的可燃性 产物，降低可燃气体的温度，延缓或终止燃烧；阻燃剂受热放出的高密度蒸气覆 盖在燃烧物的表面上，隔绝可燃气体与空气中氧的接触，从而使燃烧窒息。 凝聚相阻燃机理 它是指在凝聚相中延缓或中断固态物质产生可燃气体的分解反应或凝聚相表 面的燃烧反应。1 ) 阻燃剂在固相中延缓或阻止聚合物的热分解。2 ) 在被阻燃物 中加入大量无机填料，此类物质热容较大，既可以蓄热，又可导热。因而使被阻 燃物不易达到热分解温度。3 ) 阻燃剂吸热分解，阻止被阻燃物温度升高。4 ) 聚 合物燃烧时在表面生成很厚的多孔炭层，起到隔热、隔氧作用，致使燃烧中断。 中断热交换机理 这是指将聚合物燃烧产生的部分热量带走而降低原聚合物的吸热量，如通过 促进聚合物解聚或分解，有利于聚合物熔融滴落带走大部分燃烧热，使得聚合物 不能维持热分解温度，因而不能持续提供可燃性气体，于是燃烧自熄。 燃烧和阻燃都是十分复杂的过程，涉及很多影响和制约因素，很难将一种阻 燃体系的阻燃机理严格划分为哪一种，而且实际上很多阻燃体系同时以几种阻燃 机理起作用。 8第一章绪论 1 4 国内外降粘阻燃沥青的研究现状 降粘阻燃沥青是通过对基质沥青添加温拌改性剂和阻燃改性剂进行双重改 性，以达到温拌和阻燃的双重功能，一方面可以提高隧道铺面的防火安全性能， 另一方面也可以显著降低施工温度，在节约能源的同时，改善施工环境，这对于 隧道这种特殊的场合效果尤为突出。 2 0 0 8 年7 月，江西省九岭山隧道铜鼓段的路面摊铺施工在国际上首次采用了 沥青混凝土降粘阻燃技术【2 i 】；同期，上海长江隧道也铺筑了- d , 段试验路，施工 效果良好，抑烟以及施工和易性较为明显，但是并没有任何技术文件公开。 当降粘剂和阻燃剂一起加入到沥青中之后，沥青以及混合料的性能如何变化， 到目前为止还未发现公开的技术文献和报告。我们只能预计通过双重改性之后， 沥青的施工粘度会降低，同时增加隧道内沥青路面的阻燃性能，而其它路用性能 如何变化，尚难以估测，有待进一步研究。 从整体上看，降粘阻燃沥青的性能研究国内外都处于起步状态，因此有必要 全面的展开对降粘阻燃沥青的研究。 1 5 本文主要研究内容和技术路线 1 5 1 主要研究内容 本文的主要研究内容有以下几点： 降粘阻燃沥青配方及生产工艺研究。 降粘阻燃沥青技术特性研究。 降粘阻燃沥青混合料降粘、燃烧效果验证。 降粘阻燃沥青混合料性能研究。 施工工艺研究 1 5 2 技术路线 筛选一种温拌改性剂，两种阻燃改性剂以不同的经验掺量和添加温度对沥 青改性，通过正交试验设计后，对各种配方的氧指数和粘度进行试验。在氧指数 和粘度指标基础上确定最佳配方。 运用s h r p 或国标试验方法对最佳配方比例情况下的降粘阻燃沥青进行高 温、低温、抗老化、储存稳定性以及粘附性试验，验证降粘阻燃沥青的性能。 通过车辙、低温弯曲、冻融、浸水马歇尔、燃烧等方法对降粘阻燃沥青混 第一章绪论 9 合料进行路用性能研究。 1 5 3 研究路线框图 围绕温拌剂掺量、阻燃剂掺量、搅拌时间和温度四个 因素进行三水平四因素的正交试验设计，确定研制方案 氧指数粘度 评价氧指数和粘度两项指标，确定温拌阻燃沥青的配方 研究对象： 温拌阻燃沥青 温拌沥青 阻燃沥青 基质沥青 研究对象： 基质沥青a c l 3 温拌阻燃沥青 a c l 3 基质沥青s u p l 3 温拌阻燃沥青 s u p l 3 温拌阻燃沥青的性能研究 a c l 3 和s u p l 3 的配合比设计 温拌阻燃沥青混合料性能研究 图1 1 研究路线框图 f i g 1 1b o xg r a p ho f s t u d yr o u t e 研究内容： d s r 试验、b b r 试验、残留针入 度比、软化点变 化等、离析和显 微观察、水煮试 研究内容： 确定粘温曲线、 车辙试验 低温弯曲试验 浸水、冻融试验 燃烧试验 第二章降粘阻燃沥青的研制 第二章降粘阻燃沥青的研制 降粘阻燃沥青是通过对基质沥青添加降粘改性剂和阻燃改性剂进行双重改 性，以达到降粘和阻燃的双重功能。选择不同的改性剂按照不同的掺加量和掺加 温度进行配方设计，井将配方设计经过正交优化后得到试验组数，进行氧指数和 粘度试验后便可选择最佳配方和改性剂掺加温度。 2 1 原材料 2 1 1 沥青 选用埃索7 0 # 基质沥青作为试验用的材料，技术指标如下 表217 0 # 沥青的物理参数 沥青名称软化点( ) 针入度( 1 1 0 m m )延度( e r a l 埃索7 0 # 基质沥青 4 9 3 1 5 0 0 y c ) 2 1 2 降粘剂 海川e c l 2 0 降粘改性剂是市场上一种比较成熟的降粘剂，性能稳定，应用工 程较多，因此，选用e c l 2 0 ( 图21 ) 降粘改性剂作为降粘阻燃沥青的原材料之一。 图21e c l2 0 降粘改性剂 f i g2 1 e c l 2 0 t h i n n i n g m o d i f i 目a g e n t 第二章降粘阻燃澌青的研制 e c l 2 0 是一种聚烯烃类的沥青改性剂，由表2 2 可见。该材料的凝固点1 0 0 c ， 远远高于沥青的软化点，而1 3 5 c 粘度却极低，仪为1 2 c p ，这就是这种材料对沥 青改性的主要