1.2 国内外研究现状
1.2.1 温拌技术研究现状
从目前研究来看,温拌技术的研究主要包括两个阶段:初期阶段温拌沥青混合料的前身即冷拌沥青混合料出现,主要以泡沫沥青技术为主,泡沫沥青技术的研究为温拌沥青混合料(WMA)的出现以及实现方式提供了指导。中期阶段3种主流体系WMA的应运而生,代表产品分别为Evotherm、Sasobit、Aspha-min。
1.温拌技术研究初期阶段
早在1956年,美国爱荷华州立大学的Csanyi就已经认识到泡沫沥青作为层间黏结剂的潜在效益。在热沥青中导入一定量的水蒸气诱导沥青大量发泡而产生体积膨胀从而降低其拌和温度,自此许多国家开始应用能够在较低温度下拌和的泡沫沥青技术。
1968年,澳大利亚美孚石油公司购买了Csanyi教授的发明专利并对其技术进行改进,利用冷水取代水蒸气导入热沥青中。这样就使得泡沫沥青制备变得更加实用。随后美国将泡沫沥青技术市场化以进一步推广这项技术,并在室内和现场对其进行研究。从此,泡沫沥青技术由于其可以降低混合料施工温度被成功运用于很多国家。
1970年,研究人员开始就着手研究利用集料中的水分发泡裹覆沥青的方式降低热拌沥青混合料(HMA)施工温度。同年,Chevron对基层、开级配及密级配乳化沥青混合料进行了配合比设计和层厚设计方法研究。1977年,Chevron发布了“沥青混合料设计方法”,包括乳化稳定类混合料的具体说明、设计和生产方法。紧接着类似的指南相继发布。
1994年,Maccarone等人对基于泡沫沥青和高乳化剂含量的冷拌沥青混合料进行研究后得出冷拌沥青混合料之所以能够被众多国家应用主要是因为其能源节约及有害气体的低排放,并称“冷拌沥青混合料代表着路面材料的未来”。
冷拌沥青混合料尽管在环保能耗方面具有一定优势,但在总体性能上与HMA还有较大差距,如强度低、易水损、使用寿命低以及低温抗裂性与低温黏附性差等。即便如此,泡沫沥青的生产工艺还是得到了继承与发展,其演化出的发泡降黏技术成为后来温拌沥青的一种常用手段。
20世纪90年代,欧洲等地不少国家签署了《京都议定书》,这些国家承诺将大量地减少温室气体排放,热拌沥青行业也是其需减少排放的目标之一。而冷拌沥青混合料仅仅在环保、能耗方面具有一定优势,但是路用性能不稳定,所以为了能够降低沥青混合料拌和及施工温度同时又不降低路用性能的要求,众多道路工作者开始尝试研制一种新的混合料,这种混合料既能够节能环保又不降低路用性能的要求。在此背景下,3种主流体系的WMA就应运而生,即温拌技术进入了研究中期阶段。其代表产品分别为Evotherm、Sasobit、Aspha-min。
2.温拌技术研究中期阶段
本书重点介绍中期阶段3种主流体系Evotherm、Sasobit、Aspha-min的WMA国内外研究应用现状。
(1)Evotherm温拌技术国内外研究应用现状:
1)Evotherm国外研究应用现状。Evotherm温拌沥青混合料(E-WMA)的研发分为两个阶段:第一阶段为2007年前,是将一种特殊的高浓度(固含量为70%左右)的乳化沥青替代普通热沥青进行混合料拌和,其拌和温度为100~130℃,施工所需设备和施工工艺与热拌沥青混合料基本相同。第二阶段为2007年起,采用的方法不再是乳化沥青,而是将皂液浓缩液直接加入搅拌锅内进行沥青混合料拌和,其拌和温度也为100~130℃,施工所需设备和施工工艺与热拌沥青混合料基本相同。
E-WMA是一项开放的技术,近两年已在南非、美国、加拿大以及中国铺筑了多条试验路,路用性能正在进一步观察中。2006年,NCAT对添加Evotherm的温拌混合料进行了较为全面的室内试验评估。研究主要是确定Evotherm应用于美国沥青路面一般摊铺条件和环境特征中的可行性。研究结果表明,Evotherm能够促进按照旋转压实和振动成型的温拌沥青混合料的压实。统计结果显示,空隙率有了较为显著的下降。沥青混合料的压实温度可以低至88℃。Evotherm的加入并没有显著影响沥青混合料的回弹模量,也没有增加沥青路面的抗车辙能力。同时,混合料拌和和压实温度的降低能够减少燃油消耗,为冬季路面施工争取更多的时间。总体来讲,Evotherm是一种降低混合料拌和和压实温度,但不影响其路用性能的好方法。
Brian D.Prowell[3]在NCAT试验环道上的3个试验段上对采用Evotherm工艺的沥青混合料进行了加速加载试验,其中有两个试验段混合料位于上面层。现场试验结果表明,当沥青混合料温度降低8~42℃时,E-WMA表层的压实度可以达到或者超过热拌沥青混合料表层的密实度。室内试验表明,采用温拌措施后增加了沥青混合料的水损害的可能性。在经过43天515333当量作用轴次的作用后,两个温拌沥青混合料试验段和一个热拌沥青混合料试验段都表现出优异的路用性能,其中一个E-WMA试验路的评估是在快速开放交通的情况下进行的。
作为NCAT路面试验的补充,Evotherm温拌技术在其他累计当量荷载作用轴次比较高的工程中得到了应用。例如,2005年许多Evotherm早期的试验工程包括沥青拌和厂和混凝土拌和厂附近的道路。从那时起,Evotherm被用于许多重载交通的工业园区内道路和立交路面的建设。迄今为止,这些采用Evotherm技术的路面没有任何破坏迹象。
Takamura[5]指出,沥青和集料之间薄水膜可以使混合料的工作性能得到改善,使其能够在低于90℃的环境下施工。薄水膜施加约10MPa的毛细管压力可以完全蒸发,不影响压实完后矿料与沥青的黏结性。
2007年,加利福尼亚州在Graniterock铺筑了温拌沥青混凝土路面试验段。试验段温拌沥青混合料的生产和压实温度在121℃,比普通HMA试验段低35℃。混合料最大粒径为19mm,最佳沥青用量为5.3%(PG 64-16)。热拌混合料施工段平均空隙率为5.6%,温拌沥青混合料施工段平均空隙率为7%。温拌混合料和普通混合料试验段都采用南非设计和制造的HVS加速加载试验。该加速加载系统可以在2~3个月内模拟路面使用20年的状况。Buzz Powell博士计算了HVS双轮的当量作用轴次。研究结果表明,当路面温度在50~55℃时,添加Evotherm的WMA和HMA路面分别会在当量轴次为410万次和430万次时发生车辙破坏。
由于采用Evotherm可以较普通热拌沥青混合料降低生产温度35~55℃,减少了沥青胶结料的氧化,提高了混合料抗收缩性能。Illinois Urbana-Champagne大学的William Buttlar博士,对沥青拌和厂和实验室成型的Evotherm混合料进行了单轴压缩试验,准确地测量了沥青混合料的温度收缩特性。试验结果用给定温度下试验样本的累积能力来表征。能量越高,其抗收缩能力越强。试验结果表明,Evotherm样本比相同制作条件的HMA样本具有更高的抗收缩能力[6]。
得克萨斯州[7]交通运输部门进行的加铺层试验对比了Evotherm温拌混合料和HMA的抗收缩性能。加铺层试验是得克萨斯州交通运输部门评价压实样本抗收缩性能时的常用方法。加铺层试验结果表明,115℃时制备的Evotherm混合料比按照152℃成型的普通HMA有更高的抗收缩性能。
由于采用Evotherm可以较普通HMA降低生产温度减少沥青的氧化,不仅可以提高混合料的抗收缩能力,而且还可以改善Evotherm混合料的抗疲劳性能。试验结果表明,在给定的微应变下温拌沥青混合料小梁比普通热拌沥青混合料表现出更高的疲劳循环次数。在较低的微应变下,Evotherm混合料的优良的抗疲劳能力体现得更为明显。得克萨斯州温拌沥青混合料首先发布了温拌沥青混合料规范,目前全州已大规模推广应用。在此基础上,加利福尼亚州、佛罗里达州、伊利诺伊州、弗吉尼亚州等15个州已发布温拌沥青混合料施工规范。
2)Evotherm国内研究应用现状。近两年来,交通部公路科学研究院也开展了温拌沥青混合料的有关研究,并与各协作单位在国内8个省份铺筑了18条试验路。另外,江苏省交通科学研究院也正在开展相关研究。2007年,中原股份郑石高速在具茨山隧道内路面也初次采用了“高节能低排放无烟雾型温拌沥青混合料技术”。总体而言,迄今温拌沥青混合料技术整体上仍处于研究阶段。
陶卓辉等利用Evotherm根据温拌沥青混合料的技术特点将WMA应用于薄层罩面工程。在较低温度下铺筑了温拌沥青混合料薄层罩面。现场试验结果表明,WMA路用性能能够达到现行规范要求,Evotherm温拌沥青混合料能够在低温环境中的薄层罩面工程中成功应用。
许菲菲、刘黎萍等对基于Evotherm温拌技术的AC类密级配温拌沥青混合料与同级配的热拌沥青混合料在水稳定性、高温稳定性、低温性能、疲劳性能、抗剪切性能等方面进行了全面的对比分析。结果表明:Evotherm温拌沥青混合料性能可以达到热拌沥青混合料的技术要求,其疲劳性能优于热拌沥青混合料。
张镇、刘黎萍采用AC-13和AC-25两种级配,对E-WMA的各项性能指标进行了研究,并与相同级配的HMA进行对比分析。结果表明,Evotherm温拌沥青混合料在高温稳定性、低温性能等方面与相同级配的热拌沥青混合料相当,水稳定性稍逊,而疲劳性能则明显占优。
张海、李冬松等采用马歇尔试件体积设计方法进行配合比设计,确定最佳沥青用量,以最佳油石比拌制的温拌沥青混合料力学性能和路用性能能够满足规范要求,并且动稳定度超过了同样配合比的热拌沥青混合料。结果表明,在降低拌和温度的情况下,温拌沥青混合料的力学性能和路用性能可以满足规范要求,并且动稳定度得到提高,温拌沥青混合料具有很好的工程应用前景。
付裕、柳浩等结合表面活性平台温拌技术在北京奥运工程中的应用,介绍了采用该技术生产和施工的温拌沥青混合料在性能研究、摊铺施工及应用效益分析等方面的内容。
马卫民、曹亚东等指出,Evotherm温拌沥青混合料作为一种新型的路面材料,具有低能耗和绿色环保等突出优点。这种沥青混合料的设计和施工方法都沿用现有的热拌沥青混合料的方法,而且其抗车辙和抗水损害的性能都优于热拌沥青混合料。
王文达、顾兴宇等针对超薄面层散热快、碾压工艺要求严格的特点,通过室内试验,对比了不同WMA与HMA的路用性能,指出采用WMA可降低碾压难度,实现低温施工。
胡宗文、王兆星对SBS改性沥青胶结料添加Evotherm TM-DAT温拌剂前、后的性能进行试验研究,通过性能试验发现,基于表面活性剂Evotherm TM的SBS温拌沥青胶结料的低温性能同SBS改性沥青相差不大,高温性能要优于SBS改性沥青,温拌剂的加入并没有降低原样SBS改性沥青的性能等级。
秦永春、黄颂昌按照确定的抽提、蒸馏方法回收沥青,测试从不同施工温度的沥青混合料中回收得到沥青的各项指标。从测试结果可以看出,不同温度的沥青混合料在施工过程中,其沥青老化的程度随着温度的升高而增加。从回收沥青黏度-温度变化趋势可以看出,沥青混合料的施工温度达到150℃时,其中的沥青老化程度开始急剧增加。温拌技术(例如,拌和温度在100℃和120℃时)可大大缓解混合料中沥青的老化程度。
王鹏、黄卫东通过沥青3大指标试验和布氏旋转黏度试验,研究了表面活性剂DAT对SBS改性沥青性能的影响。发现其降黏效果主要是通过发泡实现的,对沥青本身性能并不产生明显影响。以SMA-13和AC-20两种级配为例,研究了不同拌和温度下沥青混合料的体积参数,最终以既定孔隙率为指标,确定了采用DAT添加剂的温拌沥青的合理拌和温度。并做了水稳定性检验,为今后的试验及施工提供了参考依据。
张镇、周和庆等采用AC-13、AC-20两种级配,研究Evotherm温拌沥青混合料在不同施工成型温度下的性能变化规律,提出最佳施工成型温度在115~125℃,室内试验最佳拌和温度为125℃,最佳成型温度为120℃,并进行了试验路验证。其在河南驻泌高速公路温拌试验段中上面层的成功应用,表明该温度控制指标是合适的。
在此研究和应用经验的基础上,部分省市出台了温拌沥青混合料施工相关的技术标准或施工技术指南,如河北省地方标准、上海临时地方标准都得到了相关部门的批准;辽宁省应用指南通过了相关部门的评审。
(2)Sasobit温拌技术国内外研究应用现状。
1)Sasobit国外研究应用现状。1997年,由沙索公司生产的Sasobit开始进军欧洲市场,它能够帮助沥青混合料有效压实,这项技术演变为现在广泛应用的WMA。
此后,超过142个项目已应用Sasobit,总面积超过2716254m2。在世界范围内20多个国家不同程度的应用此技术。Sasobit在密集配混合料、沥青玛脂碎石等众多的混合料类型得到了成功应用,添加量为胶结料的0.8%~4.0%。
Graham C.Hurley和Brian D.Prowell的研究表明,添加Sasobit后不论采用旋转压实还是振动成型方法都能够改善压实;相比于HMA,具有较低的温度敏感性;现场数据显示在开放交通之前不需要经过固化时间;可能存在水损害的危险。
Hurley系统评价了使用Sasobit的温拌沥青混合料的性能,认为在沥青中掺加2.5%Sasobit后,推荐的最低拌和温度129℃,最低碾压温度110℃。同时,这种温拌沥青混合料的冻融劈裂强度比要求低于普通热拌沥青混合料,但加入抗剥落剂后可提高其抗水损害能力。
Shu Wei Goh和Zhanping You对比分析了添加Sasobit的WMA和HMA废气排放及抗车辙能力,试验结果表明添加Sasobit后废气排放明显减少,在温度降低25℃后WMA与HMA具有相同的抗车辙能力。
Stacey Diefenderfer P E和Amy Hearon的研究表明添加Sasobit的WMA在体积参数方面与HMA没有多大差异;室内和现场对HMA的试验方法同样适用于WMA;WMA的TSR值不能满足规范对HMA的要求,不能够说明WMA存在潜在的水损害;WMA与HMA有相同的抗疲劳性能;依据MEPPG进行WMA长期路用性能的预测发现,WMA与HMA有相同的长期路用性能。
Tejash Gandhi指出Sasobit能够通过“稀释”降低沥青高温黏度,提高60℃低温黏度,而Aspha-min对沥青胶结料120℃、135℃没有明显影响;二者都提高了沥青胶结料车辙因子;添加Sasobit和Aspha-min的沥青胶结料都有更好的抵抗变形的能力,但Aspha-min弹性恢复效果没有Sasobit明显;添加两种温拌剂后,沥青胶结料有更高的蠕变模量值;老化后的WMA与HMA相比,添加Sasobit的WMA具有更高的强度。
Sushanta Bhusal指出添加Sasobit和Aspha-min后混合料TSR值小于标准值,但添加Sasobit的WMA的TSR值高于添加Aspha-min的WMA和HMA,掺加0.5%的抗剥落剂后能够提高添加Sasobit的WMA的TSR值高于标准值,但添加Aspha-min的WMA不能提高。汉堡车辙试验数据显示不添加抗剥落剂的WMA水稳性高于HMA,但添加Sasobit的WMA的剥落拐点高于添加Aspha-min的WMA;动态模量结果显示随着温度升高,WMA强度大于HMA。
Chandra Kiran Kumar Akisetty的研究表明添加Sasobit和Aspha-min后橡胶沥青胶结料高温性能改善,掺加Aspha-min后135℃和120℃黏度增加而Sasobit减少,掺加Sasobit比Aspha-min有更高的低温蠕变模量,掺加两种温拌剂后,WMA具有更高的车辙因子。
Amy Hearon、Stacey Diefenderfer等的研究表明,添加Sasobit后,WMA与HMA在不同温度下成型但体积参数没有明显不同;低温弯曲试验结果表明HMA略微高于WMA;汉堡车辙结果显示WMA与HMA之间无明显区别。
2)Sasobit国内研究应用现状。季节、冉晋等对添加Sasobit的WMA做了研究。得出WMA最佳成型温度为130℃,最佳掺量为3%;相对于普通沥青混合料,WMA的击实温度虽然降低20℃,但高温稳定性却有明显提高,动稳定度是普通沥青混合料的3倍;Sasobit沥青混合料的低温抗裂性与水稳定性低于普通沥青混合料,但下降幅度不明显。
东南大学、同济大学等多家单位都对掺入了Sasobit的沥青及沥青混合料性能的影响做了研究,认为Sasobit可以显著提高沥青的高温性能,而且具有独特的改性机理,即在低温(60℃)时改性沥青的黏度高于基质沥青,在高温(135℃以上)时改性沥青的黏度下降且低于基质沥青,其施工温度较基质沥青低10~20℃。在加热条件下,Sasobit仅需简单的机械搅拌,不必要采用高速剪切或胶体磨的加工方法即可稳定分散于沥青中,克服了一般聚合物改性剂的缺点[8]。
张锐、黄晓明[9]等的研究表明,降低成型温度制作的Sasobit沥青混合料试件的空隙率、低温抗裂性、水稳定性及抗疲劳性能等与正常温度拌和成型的沥青混合料试件相比基本保持不变,同时其高温稳定性提高较大。
李德超[10]比较分析了Aspha-min和Sasobit两种温拌剂加入PG64-22和PG70-28沥青中的流变力学特征。结果表明:不论何种沥青,Sasobit都可降低混合抖的生产温度,且在未增加结合料黏度的前提下提高了其高温等级,从而提高混合料高温性能。相比较而言,Aspha-min降黏效果不明显。
严世祥[11]指出适当掺量的Sasobit可以降低沥青高温黏度,改善温拌沥青的高温性能,提高沥青路面的抗车辙能力,却对沥青混合料的低温性能及水稳定性影响不大,其低温性能及水稳定性主要由基质沥青的性能及其他的改善措施来决定。
纪小平、孙云龙[12]通过室内试验研究指出,与HMA相比,掺加3%Sasobit的WMA的拌和温度降低了13℃、碾压温度降低了10℃,能在较低的成型温度下获得与高温下成型的HMA相近的密度和空隙率,提高了动稳定度,低温性能有所降低,水稳定性则变化不大。
Sasobit改性剂近几年在国内也已有所应用,在重庆机场高速公路、南广高速公路、成绵高速公路和广西柳州红光大桥桥面铺装等工程中得到了成功应用[13]。
(3)Aspha-min温拌技术国内外研究现状:
1)Aspha-min国外研究应用现状。Graham C.Hurley和Brian D.Prowell研究表明,添加Aspha-min后不论采用旋转压实还是振动成型方法都能够改善压实,温度降低大约19℃,空隙率降低0.65%;由于温度较低减少了胶结料的老化从而提高了高温抗车辙能力;相比于HMA,具有较低的温度敏感性;现场数据显示在开放交通之间不需要经过固化时间;可能存在水损害的危险。
Aspha-min温拌技术效果要劣于Sasobit,但Aspha-min还是在不同国家得到了应用,修筑了实体工程。如德国联邦A3号高速公路桥梁浇筑式沥青混合料铺装结构;德国联邦B49号高速公路SMA铺装结构;法国RD811号公路[14]。
2)Aspha-min国内研究应用现状。经过大量的调研发现相对于Evotherm和Sasobit温拌技术,在国内对于Aspha-min的研究较少,其应用也鲜有报道。分析国外及国内已有研究发现,虽然黄开斌,张起森指出Aspha-min能够使施工温度降低20℃,但其降黏效果及其他各方面性能指标都要劣于Sasobit。
湖南省交通运输厅科技进步与创新计划项目“温拌沥青混合料(WMA)应用技术试验研究”系统研究Sasobit、EC120、Aspha-min、SEAM 4种温拌剂对石油沥青、SBS改性沥青及其混合料的作用机理,以及4种温拌混合料的路用性能。
综上所述,国内外对3大主流温拌技术已进行了大量的研究与应用,了解和掌握了温拌技术的各自降温机理及其对部分沥青胶结料及沥青混合料的影响,提出了温拌剂的最佳掺量及3种温拌技术大致的降温区间。但是由于温拌技术在国内应用还没有普及,目前还存在以下问题:
1)依据现有文献资料对于3种主流温拌技术的性价比的对比分析还鲜有报道,造成温拌技术的使用者在选取温拌技术时无参考值,选用时需要进行大量的调研,造成人力、财力浪费。
2)由于材料存在变异性,温拌技术不可能对不同材料及不同类型的混合料有同样的降温效果,因此,有必要进行温拌技术最优降温效果评价方法的研究。
3)温拌剂对沥青短期老化的影响研究较少,仅采用常规RTFOT进行试验。
4)对于WMA的水稳定性一直有争议,很多研究是采用残留稳定度和冻融强度比试验方法进行考察,有必要采用更多的方法进行考察。
1.2.2 阻燃技术研究现状
所谓阻燃,是指在材料的燃烧过程中降低材料在火焰中的可燃性,减慢火焰的蔓延速度,减少烟雾的生成,并且当火焰移去后能在一定的时间内自熄。从燃烧的过程分析可知,燃烧需要氧气、热和可燃物3个要素,三者缺一不可。因此对于可燃物来说,要达到阻燃目的,就必须使用有效的阻燃剂,切断由可燃物、热和氧气3个要素构成的燃烧循环。
近年来,高分子材料领域内的复合材料及其制品得到巨大发展,它们在诸多方面已经取代了传统的建筑材料。然而大多数高聚物及其制品都具有可燃性,在燃烧过程中释放出大量的热、浓烟和有毒气体,并且火焰传播速度快,火灾的危害性和威胁性较大,但是迄今为止,高分子复合材料的可燃性缺点已经基本通过先进的阻燃技术得到了解决[15]。经过较长时期的发展,高分子材料的阻燃科学已经发展成为了一门相当成熟的学科。
道路沥青和其他石油馏分一样,主要也是碳、氢化合物共同组成的混合物,一般包括胶质、沥青质、油分(包括蜡)这三种组分。因此,沥青同样属于高分子材料,并具有高分子材料的共性,如可燃性、黏弹性等,这就为沥青的阻燃改性的可能性提供了理论依据,从结构和组成上具备阻燃改性的可能性。当一定量的粉末状阻燃改性剂加入到沥青中形成阻燃沥青时,类似于无机填料加入到塑料或者橡胶中形成复合材料。因此可以认为,阻燃沥青就是一种比较特殊的复合材料。而高分子复合材料的阻燃技术已经相当成熟,因此沥青的阻燃改性同样应该具有无限的可能性,同时对阻燃沥青阻燃相应的性能测试和描述也应与高分子材料的试验方法比较接近。
由于高分子材料与阻燃剂种类繁多,其各自的燃烧过程和阻燃机理都彼此不同,因此,在进行高分子材料的阻燃研究时,要根据具体的情况进行阻燃剂的分子设计以及配方研究。
阻燃剂(flame retardant)是用来改善可燃性有机材料抗燃性的物质,也就是阻止材料被引燃并且抑制火焰传播的物质。阻燃剂主要用于天然和合成高分子材料(包括塑料、橡胶、纤维、木材、纸张和涂料等)的阻燃,达到改善材料的抗燃性,即延缓材料被引燃及抑制火焰传播的目的。
对于隧道用的沥青阻燃而言,根据路用沥青的性能要求和改性目的,用于沥青阻燃改性的阻燃剂理论上应该同时满足下述条件。
1)阻燃效率高,添加量少,最好不要超过沥青的10%。
2)自身无毒或低毒,燃烧分解时基本不产生有害性气体或粉尘。
3)具有良好的热稳定性,与沥青改性加工温度或混合料拌和温度相匹配。
4)使用过程中有良好稳定性,不易析出、迁移和变质,使用寿命长。
5)与沥青的相容性好,形成的阻燃沥青具有相对良好的储存稳定性。
6)使用后对沥青的常规性能的恶化应在一定程度之内。
7)生产工艺简单,价格低廉。
实际上能同时满足这些条件的沥青阻燃剂几乎没有,所以要通过表面改性和阻燃剂的协同效应,选择合理的配方,尽可能多地满足上述技术要求,乃是众多科研者追求的目标。
国外对阻燃沥青的研制起步较早,但主要是针对沥青油毡和沥青涂层。具有代表性的是美国的相关专利的报道。如Walter Robert B.的阻燃沥青专利采用的是磷酸盐、卤素和红磷等阻燃剂;Jolitz Randal J.的阻燃沥青专利主要采用有机溴、柠檬酸钾、铵类等协效阻燃剂;Brown Steve的阻燃沥青专利则是采用铝矾土、水镁石等无机阻燃剂;Joseph Graham和Kalkanoglu Husnu M.的阻燃沥青专利都是采用卤素阻燃剂;Slusher Carter C.的阻燃改性沥青专利采用了膨胀阻燃剂;Grube Louis L.的阻燃沥青专利采用了硼酸盐阻燃剂。这些研究成果有3个特点:①主要是美国20世纪的研究成果;②针对性不强,主要是一些沥青油毡或者沥青涂层,其用途研究并不深入,对阻燃机理几乎没有涉及,因此,基于我国当今大规模的隧道沥青路面铺装现状,上述成果还存在一定的局限性,适用于所有建筑业防水材料的阻燃,并没有针对隧道沥青路面的沥青阻燃改性;③重点突出的是成果的实用性,理论分析不够。
与国外相比,国内关于阻燃改性沥青的研究起步较晚,但近年来的关于阻燃沥青的诸多研究成果,证明了沥青阻燃的可行性。1997年,吴少鹏等进行了阻燃沥青油毡的研究;2001年,重庆交通科研设计院陈辉强、陈仕周等利用有机卤素阻燃剂研制阻燃沥青,并在重庆渝合高速公路的北碚隧道进行了工程实施;2005年1月,深圳海川实业有限公司何唯平等公开了一项关于阻燃沥青混合料的专利[16];同年3月,深圳海川实业有限公司鲁红春等公开了一种环氧型焦油沥青阻燃涂料[17];2006年9月,黄绍龙等公开了一项阻燃SMA混合料的技术。
2006年4月,武汉理工大学丁庆军等公开了一项阻燃OGFC的专利技术[18];同济大学郭忠印、杨群等通过研究认为,OGFC空隙率较大,由于交通事故喷洒在隧道路面的油类物质或有机溶剂可以通过大空隙通道及时排走,大大降低了事故中可燃物的有效燃烧量,从而可以减小火势,降低损失。这种思路其实是一种防火措施,是基于路面结构从设计的角度而提出的一种减少隧道火灾损失的防御措施,应该说与通常所说的隧道阻燃沥青(从材料的角度出发,增强材料自身的阻燃性)的观点相辅相成的,也是对阻燃沥青混凝土思路的一个补充。但是,作为一种结构构思,该研究思路还有3点值得完善:一是实体工程经过长期使用之后,孔隙会被灰尘或其他异物部分堵塞,因此会对油类物质或有机溶剂的逃逸形成障碍而影响逃逸速度,隧道交通事故具有突发性,由此导致的火灾往往是非常迅速的,油类物质或有机溶剂在逃逸到孔隙之前就将被点燃。二是逃逸到空隙中的油类物质或溶剂仍然可能参与燃烧,只是燃烧不再那么充分而已,而燃烧不充分的结果是形成更大更浓的烟雾。从这一点上说,油类物质逃逸的结果是降低了火势而增加了烟雾量。三是这种思路只是从路面结构上考虑了减小隧道火灾的途径,而从材料的阻燃性这个根本问题去寻求对付隧道火灾的方法方面考虑得较少,因此值得完善。
辽宁石油化工大学选用辽河AH-70基质沥青,通过氧指数和水平燃烧试验方法较系统地考察了氢氧化铝和氢氧化镁、十溴联苯醚、三氧化二锑等阻燃剂和抑烟剂对沥青的阻燃作用,并通过添加增黏剂和有机-无机复合阻燃剂的途径制成了阻燃改性沥青。尽管由此制备的阻燃沥青氧指数增加明显,但其掺量很大,达到20%以上,这样大的掺量不仅会影响阻燃沥青的储存稳定性和其他性能,而且会造成成本大幅增加,还会给施工带来极大不便。2006年11月,武汉理工大学余剑英等公开了一种无卤阻燃沥青技术,通过磷系、氮系阻燃剂进行阻燃,随后对SBS阻燃沥青的性能进行了研究;长沙理工大学研制了有机溴类阻燃剂,于2006年铺筑了全长3km的深港西部通道深圳隧道路面。张厚记等人提出了添加阻燃矿粉和阻燃矿物纤维的阻燃思路,并较系统地研究了相应沥青胶泥的综合性能和阻燃机理,分析论证了阻燃矿粉和阻燃矿物纤维代替矿粉和纤维的可行性[19]。但是该研究成果有两点值得考虑:①阻燃矿粉和阻燃矿物纤维是纯天然矿物,没有经过任何处理,而天然矿物存在性能不一致性,因此这种阻燃材料的性能稳定性得不到保证,具有相当的随意性和偶然性;②阻燃矿物纤维的使用范围有限,只适用于诸如SMA之类的含纤维的沥青混合料,对于不含纤维的混合料如AC和AK等,则显得无能为力。
1.2.3 温拌阻燃改性技术研究现状
张毅、梁乃兴、李凌[20]针对隧道路面铺装特点,开发一种拌和温度低、阻燃效果好的温拌阻燃沥青混合料。进行室内试验和试验路铺筑、检测,结果表明,温拌阻燃沥青混合料完全可以达到热拌沥青混合料的性能。
2009年,江西省高等级公路管理局廖文华、罗敏采用Mead Westvaco公司研发的Evotherm乳化平台的温拌技术和APFR阻燃材料进行温拌阻燃沥青混合料的研究。在江西省武吉高速九岭山隧道铺筑温拌阻燃沥青混合料试验路,通过室内对比试验及试验路的铺筑,结果表明,温拌阻燃沥青混合料可完全达到热拌沥青混合料的性能[21-23]。
2010年,长安大学王春进行了隧道温拌阻燃沥青混合料技术性能研究,结合隧道沥青路面的特点,针对不同类型的温拌材料,研究了温拌沥青混合料的配合比设计方法,同时针对不同的温拌添加剂与级配进行了水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性能研究,并与添加阻燃剂后的温拌沥青混合料的路用性能进行了对比分析,结果表明温拌沥青混合料完全可以满足隧道路面使用性能要求。最后,推荐了适合于隧道路面的温拌技术。针对KSH温拌沥青混合料马歇尔试验的影响因素进行了方差分析,推荐了试验控制条件,并对其技术性能进行了研究。
2010年,由辽宁交通科研院承担的交通部西部交通建设科技项目“阻燃温拌沥青混合料在季冻区隧道路面中的应用技术研究”试验路在长兴岛疏港高速公路毛湾隧道成功铺筑通过对阻燃温拌沥青混合料室内试验和试验路现场钻芯取样、表面功能等检测结果证明,各项性能指标均满足设计要求,取得良好的效果。
俞文生、李昶结合江西省武吉高速九岭山隧道工程实践,采用APFR阻燃剂和F6温拌液制备了该类混合料,先对其相容性进行了试验研究,根据pH值和烘烤残留物质量间接证明了二者不会产生相互不利影响,其后进行了高温、低温、水损害等试验,证明了其路用性能与普通热拌混合料、Sasobit温拌混合料相比没有显著降低,最后通过实体工程数据,总结了该类混合料施工的主要控制要点。
徐世国通过试验研究考察了FRMAXTM沥青阻燃剂与EC120EC-120温拌沥青改性剂制备阻燃温拌沥青与制备阻燃温拌沥青混合料技术集成的可行性。试验结果表明:其中采用阻燃剂和温拌剂复合干法改性生产的阻燃温拌沥青混合料在路用性能和阻燃性能得以改善的同时,混合料的拌和施工温度可明显降低,有着显著的节能减排和改善施工环境的功效,在未来的隧道沥青铺面施工中大有可为。
2011年,广东工业大学路彦、张荣辉进行了温拌阻燃纤维沥青混合料性能的研究,采用氢氧化镁做阻燃剂,在温拌阻燃混合料中掺加0.3%的博尼维纤维,得出的沥青混合料是一种环保、防火、高强型沥青混合料,其良好的路用性能不仅满足规范要求,而且高温稳定性优于相应的热拌纤维沥青混合料。
根据调研结果表明,国外对于温拌技术与阻燃技术仅仅是分别讨论研究,而国内对于温拌阻燃的研究大多是室内试验研究,没有明确提出优选温拌技术的方法、最佳降温效果评价方法、阻燃性能评价指标、温拌阻燃交互作用等。