賈曉軍，申愛(ài)琴，王 超，郭寅川，王 涵，楊小龍，吳寒松

(1.陜西交通控股集團(tuán)有限公司，西安 710075；2.長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064)

0 引 言

瀝青路面行車(chē)舒適且維修方便，我國(guó)高速公路中90%的路面結(jié)構(gòu)均采用瀝青路面，但隧道中空間狹窄，空氣不流通，修筑瀝青路面不但施工過(guò)程中釋放大量煙氣，而且路面服役過(guò)程中一旦發(fā)生火災(zāi)將造成嚴(yán)重后果，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)不可估量的損失。因此，開(kāi)展阻燃抑煙瀝青研究對(duì)隧道瀝青路面的建設(shè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義[1]。

目前針對(duì)隧道阻燃抑煙瀝青的研究，常通過(guò)添加各種有機(jī)和無(wú)機(jī)阻燃劑來(lái)提高瀝青的阻燃能力[2]?，F(xiàn)有研究[3]認(rèn)為，瀝青阻燃劑應(yīng)火焰抑制效率高，無(wú)毒或低毒，在燃燒過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，而且與瀝青材料的相容性良好，對(duì)瀝青無(wú)降解作用，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低。據(jù)調(diào)研分析，目前市場(chǎng)上常用的阻燃劑有鹵系阻燃劑、磷系阻燃劑、金屬氫氧化物與膨脹型阻燃劑。鹵系阻燃劑在熱解和燃燒的過(guò)程中會(huì)生成較多的煙和腐蝕性氣體；磷系阻燃劑[4]受聚合度限制，不耐水洗，成本較高[5]；金屬氫氧化物只有在摻量較高的情況下才能很好地起到阻燃抑煙的效果，金屬氫氧化物摻量過(guò)高，不僅會(huì)對(duì)瀝青的常規(guī)性能產(chǎn)生影響，而且經(jīng)濟(jì)性也較差[6]；膨脹型阻燃劑各個(gè)成分之間容易發(fā)生水解[7]。因此，開(kāi)發(fā)綜合性能優(yōu)異的復(fù)合阻燃劑已刻不容緩，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，金屬氫氧化物/納米黏土協(xié)同技術(shù)制備的瀝青材料不僅具有良好的阻燃抑煙性能，而且在環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益等都方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[8]。但是目前關(guān)于氫氧化物/納米黏土復(fù)合改性瀝青的研究還處于初期探索階段。

基于此，本文采用氫氧化鋁(ATH)以及兩種有機(jī)改性蒙脫土(OMMT-C、OMMT-F)進(jìn)行阻燃抑煙瀝青的制備。通過(guò)測(cè)試改性瀝青的三大指標(biāo)、極限氧指數(shù)(LOI)與煙密度(SDR)來(lái)評(píng)價(jià)ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的常規(guī)與阻燃抑煙性能。利用動(dòng)態(tài)剪切流變(DSR)試驗(yàn)研究了復(fù)合改性瀝青的流變性能，通過(guò)熱重(TG)試驗(yàn)對(duì)ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的熱解燃燒特性進(jìn)行了分析，基于綜合指數(shù)法優(yōu)選出了ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的最佳復(fù)摻配比方案。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青采用SK90#瀝青，摻入5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene，SBS)進(jìn)行改性，其針入度、軟化點(diǎn)、低溫延度等常規(guī)性能如表1所示。

表1 SBS改性瀝青的常規(guī)性能Table 1 Conventional properties of SBS modified asphalt

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，本研究選擇金屬氫氧化鋁(ATH)和有機(jī)改性蒙脫土(OMMT)作為隧道瀝青路面用協(xié)同阻燃抑煙材料。ATH為白色晶體粉末，密度為2.46 g/cm3，其主要物理化學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表2 ATH的物理化學(xué)指標(biāo)Table 2 Physicochemical indexes of ATH

為對(duì)比不同粒徑的OMMT對(duì)改性瀝青性能的影響，選用兩種不同粗細(xì)程度的OMMT進(jìn)行對(duì)比研究，分別記為OMMT-C(≥200目(75 μm))和OMMT-F(≥325目(45 μm))，其密度分別為1.68 g/cm3和1.72 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)因素選擇及水平確定

在ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的配比設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了充分發(fā)揮各材料的阻燃抑煙效果，在較低摻量下不但使得改性瀝青具備良好的阻燃抑煙性能，而且還能保證常規(guī)路用性能滿足要求，必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定ATH及OMMT-C(或OMMT-F)的最佳復(fù)摻方案[9]。

據(jù)課題組前期研究，擬定ATH的摻量為瀝青質(zhì)量的0%、5%、10%，OMMT-C、OMMT-F摻量為瀝青質(zhì)量的0%、1%、3%[10]。采用高速剪切法制備ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青。復(fù)合改性瀝青的制備工藝如圖1所示。

圖1 復(fù)合改性瀝青的制備流程圖Fig.1 Flow chart of preparation of composite modified asphalt

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及方法

ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的常規(guī)路用性能(針入度、延度、軟化點(diǎn)等)測(cè)試依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)；ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的阻燃性能試驗(yàn)依據(jù)《路用阻燃改性瀝青》(NB/SB/T 0821—2010)，利用HC-2 型氧指數(shù)試驗(yàn)儀進(jìn)行測(cè)試，用極限氧指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)阻燃性能；ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的抑煙性能按照《道路用阻燃瀝青混凝土》(GB/T 29051—2012)，采用JCY-2型建材煙密度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，用煙密度等級(jí)對(duì)抑煙性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

為了進(jìn)一步研究和評(píng)價(jià)OMMT與ATH阻燃劑間的協(xié)同效應(yīng)，尋求協(xié)同性能良好的復(fù)合阻燃體系，本文提出采用協(xié)同阻燃指數(shù)(SE)來(lái)定義不同阻燃劑間的協(xié)同效果[11]。SE可以通過(guò)式(1)來(lái)計(jì)算。

(1)

式中:LOI0為未摻加阻燃劑時(shí)瀝青的極限氧指數(shù)；LOI1為使用單一阻燃劑時(shí)瀝青的極限氧指數(shù)；LOI2為使用協(xié)同阻燃劑時(shí)瀝青的極限氧指數(shù)。為了便于計(jì)算，定義LOI1為摻入ATH后瀝青的極限氧指數(shù)。

此外，考慮到復(fù)合阻燃劑的性能在一定程度上受到價(jià)格的影響，本文還采用阻燃性?xún)r(jià)比(EV)來(lái)評(píng)價(jià)復(fù)合阻燃劑的性?xún)r(jià)比[11]，EV的計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中：V為每噸瀝青中所用阻燃劑的價(jià)格。

為了評(píng)價(jià)ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的流變性能，采用AR 1500ex動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行溫度掃描與剪切蠕變?cè)囼?yàn)，主要試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3 DSR試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 3 Parameters setting of DSR test

ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的熱解性能研究采用美國(guó)TA公司Discovery TGA 5500型TG-DSC聯(lián)用儀。試驗(yàn)時(shí)將10 mg左右的復(fù)合改性瀝青樣品置于Al2O3坩堝中，采用氮?dú)鈿夥?20 mL/min)，并以10 ℃/min的升溫速率(溫度精度為±0.3 ℃)從30 ℃升溫至700 ℃，熱測(cè)量精度為±0.4%，從而獲得不同復(fù)合改性瀝青的熱解特性曲線[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的阻燃抑煙性能

按前述生產(chǎn)工藝及制備過(guò)程分別制備ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青及ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青，并對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行測(cè)試。不同摻量時(shí)ATH/OMMT-C與ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青的極限氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果分別如圖2與圖3所示。

圖2 不同摻量下ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青的極限氧指數(shù)Fig.2 LOI of asphalt with different content of ATH/OMMT-C

圖3 不同摻量下ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青的極限氧指數(shù)Fig.3 LOI of asphalt with different content of ATH/OMMT-F

由圖2與圖3可知，單獨(dú)添加OMMT-C與OMMT-F后，SBS改性瀝青的極限氧指數(shù)略有上升，但OMMT-F對(duì)瀝青阻燃效果的改善效果明顯低于相同摻量下的OMMT-C。根據(jù)《路用阻燃改性瀝青》(NB/SB/T 0821—2010)的規(guī)定，只有當(dāng)極限氧指數(shù)超過(guò)23%時(shí)，瀝青才達(dá)到了難燃的標(biāo)準(zhǔn)?？梢?jiàn)不同摻量的ATM/OMMT復(fù)合阻燃劑均使SBS改性瀝青達(dá)到了難燃的標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)ATH摻量較小(5%)時(shí)，OMMT摻量的變化對(duì)瀝青極限氧指數(shù)的影響并不顯著。當(dāng)ATH的摻量為10%時(shí)，OMMT-F摻量的增加顯著提升了改性瀝青的阻燃性能。而OMMT-C摻量進(jìn)一步由1%提高到3%時(shí)，瀝青極限氧指數(shù)反而隨之下降，這可能與納米層狀硅酸鹽的團(tuán)聚屬性有關(guān)，過(guò)量的OMMT-C破壞了片層與瀝青大分子間原有的范德華力與靜電斥力平衡，而達(dá)成新的平衡后，OMMT間的層間距發(fā)生了變化，原有的插層效果在一定程度上被改變[13]。但此種情況下，ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青的極限氧指數(shù)仍高于單獨(dú)使用同摻量ATH阻燃劑時(shí)的極限氧指數(shù)。

不同摻量下ATH/OMMT-C與ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青的煙密度測(cè)試結(jié)果分別如圖4與圖5所示。

由圖4與圖5可知，ATH/OMMT復(fù)合阻燃劑顯著降低了SBS改性瀝青燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙密度，提高了SBS改性瀝青的抑煙性能。復(fù)合改性瀝青受ATH摻量的影響較小，但受OMMT摻量的影響較大，隨著OMMT摻量的增加，SBS改性瀝青的煙密度顯著下降。ATH/OMMT-C復(fù)合阻燃劑對(duì)SBS改性瀝青抑煙性能的改善效果略?xún)?yōu)于ATH/OMMT-F復(fù)合阻燃劑。在不同摻量下的多種ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青方案中，ATH(10%)-OMMT-C(3%)復(fù)合改性瀝青的煙密度等級(jí)最小，較SBS改性瀝青降低了33.9%。

圖4 不同摻量下ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青的煙密度Fig.4 SDR of asphalt with different content of ATH/OMMT-C

圖5 不同摻量下ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青的煙密度Fig.5 SDR of asphalt with different content of ATH/OMMT-F

不同摻量下ATH/OMMT-C與ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青的協(xié)同阻燃指數(shù)計(jì)算結(jié)果分別如圖6與圖7所示。

圖6表明了ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青的SE值與ATH和OMMT-C摻量之間的關(guān)系。結(jié)果表明：固定ATH摻量為5%，OMMT-C摻量為3%時(shí)復(fù)合改性瀝青的SE值高于OMMT-C摻量為1%時(shí)的SE值；而固定ATH摻量為10%時(shí)，情況則與之相反。當(dāng)OMMT-C摻量為3%，ATH摻量為5%時(shí)，協(xié)同體系的效果最好。圖7表明了ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青的SE值與ATH和OMMT-F摻量之間的關(guān)系。結(jié)果表明，固定ATH摻量為5%，OMMT-F摻量為1%時(shí)的SE值略高于OMMT-F摻量為3%時(shí)的SE值，表明當(dāng)OMMT-F摻量為3%時(shí)，ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青具備更好的協(xié)同阻燃性能，且當(dāng)OMMT-F摻量為3%，ATH摻量為10%時(shí)，協(xié)同體系的效果最好。

圖6 不同摻量下ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青的協(xié)同阻燃指數(shù)Fig.6 SE of asphalt with different content of ATH/OMMT-C

圖7 不同摻量下ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青的協(xié)同阻然指數(shù)Fig.7 SE of asphalt with different content of ATH/OMMT-F

不同摻量下ATH/OMMT-C與ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青的阻燃性?xún)r(jià)比計(jì)算結(jié)果分別如圖8與圖9所示。

圖8 不同摻量下ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青的阻燃性?xún)r(jià)比Fig.8 EV of asphalt with different content of ATH/OMMT-C

圖9 不同摻量下ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青的阻燃性?xún)r(jià)比Fig.9 EV of asphalt with different content of ATH/OMMT-F

由圖8與圖9可知，在相同摻量下，多數(shù)情況下ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青的阻燃性?xún)r(jià)比高于ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青。因此，相同價(jià)格下，ATH/OMMT-C復(fù)合阻燃劑對(duì)SBS改性瀝青阻燃性能的提升效果更好，性?xún)r(jià)比更高。

2.2 ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的常規(guī)性能

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)對(duì)所制備的不同摻量下的ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)及延度進(jìn)行測(cè)試,針入度試驗(yàn)結(jié)果如圖10與圖11所示。

圖10 ATH/OMMT-C復(fù)合阻燃劑對(duì)瀝青針入度的影響Fig.10 Effect of ATH/OMMT-C on the penetration of asphalt

圖11 ATH/OMMT-F復(fù)合阻燃劑對(duì)瀝青針入度的影響Fig.11 Effect of ATH/OMMT-F on the penetration of asphalt

由圖10與圖11可知，ATH/OMMT-C與ATH/OMMT-F阻燃劑對(duì)SBS改性瀝青針入度的影響規(guī)律相似，隨著阻燃劑摻量的增大，SBS改性瀝青的針入度減小，表明復(fù)合阻燃劑的加入提高了SBS改性瀝青的稠度。ATH摻量對(duì)SBS改性瀝青的針入度影響不大，但OMMT摻量的增加顯著降低了瀝青的針入度。原因可能是OMMT片層在瀝青中形成的插層或剝離型結(jié)構(gòu)可以明顯增加瀝青的稠度，而ATH粉末在瀝青中均勻分散后無(wú)法起到這樣的效果[14]。從圖中還可以看出，OMMT-C對(duì)SBS改性瀝青稠度增加的效果略高于OMMT-F，但當(dāng)ATH摻量為10%，OMMT-C、OMMT-F摻量為3%時(shí)，兩種復(fù)合改性瀝青的針入度分別下降了17.2%、20.5%。由此可見(jiàn)ATH(10%)-OMMT-C(3%)復(fù)合阻燃劑對(duì)瀝青稠度的增加效果略遜于ATH(10%)-OMMT-F(3%)復(fù)合阻燃劑。

不同摻量下ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如圖12與圖13所示。

圖12 ATH/OMMT-C復(fù)合阻燃劑對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響Fig.12 Effect of ATH/OMMT-C on the softening point of asphalt

圖13 ATH/OMMT-F復(fù)合阻燃劑對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響Fig.13 Effect of ATH/OMMT-F on the softening point of asphalt

由圖12與圖13可知，在SBS改性瀝青中摻入ATH/OMMT復(fù)合阻燃劑后，各方案瀝青軟化點(diǎn)均出現(xiàn)不同幅度的提高，瀝青達(dá)到相同黏度情況時(shí)所需的溫度得到明顯提高。表明加入復(fù)合阻燃劑后，瀝青在高溫條件下的黏度增加，從而均具備了更好的高溫性能。在相同摻量下ATH/OMMT-C與ATH/OMMT-F對(duì)SBS改性瀝青軟化點(diǎn)的提升幅度大致相同。

不同摻量下ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的低溫延度試驗(yàn)結(jié)果如圖14與圖15所示。

由圖14與圖15可知，隨著阻燃劑摻量的增大，SBS改性瀝青的低溫延度顯著減小，表明復(fù)合阻燃劑的加入提高了SBS改性瀝青的勁度，降低了SBS改性瀝青的低溫性能，且OMMT的摻量越大，低溫變形能力越差。除ATH(5%)-OMMT-F(1%)復(fù)合改性瀝青的延度降低幅度較小外，其余三種方案所造成的低溫延度降低幅度均超過(guò)了25%，原因可能是OMMT-C的片層與瀝青長(zhǎng)鏈分子間產(chǎn)生的分子間作用力形成了交聯(lián)點(diǎn)，達(dá)到空間位阻的效果，在一定程度上限制了瀝青大分子鏈的運(yùn)動(dòng)[15]，使瀝青硬化，稠度增加。在宏觀性能上表現(xiàn)出延度減小，低溫條件下變形能力呈下降的趨勢(shì)。但各復(fù)合阻燃改性瀝青的低溫延度均滿足《路用阻燃改性瀝青》(NB/SB/T 0821—2010)的規(guī)定。

圖14 ATH/OMMT-C復(fù)合阻燃劑對(duì)瀝青低溫延度的影響Fig.14 Effect of ATH/OMMT-C on the ductility of asphalt

圖15 ATH/OMMT-F復(fù)合阻燃劑對(duì)瀝青低溫延度的影響Fig.15 Effect of ATH/OMMT-F on the ductility of asphalt

2.3 基于綜合指數(shù)法的復(fù)合改性瀝青配比優(yōu)選

為了評(píng)價(jià)ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的綜合性能優(yōu)劣，本文采用綜合指數(shù)法[16]來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。反映某一事物或現(xiàn)象動(dòng)態(tài)變化的指數(shù)，稱(chēng)為個(gè)體指數(shù)，如改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度等，都屬于反映其單一性能的個(gè)體指數(shù)；而綜合反映多種事物或現(xiàn)象動(dòng)態(tài)變化程度的指數(shù)，稱(chēng)為總指數(shù)，如三大指標(biāo)指數(shù)稱(chēng)為改性瀝青的物理性能指數(shù)。綜合指數(shù)是指某一現(xiàn)象的各個(gè)總指數(shù)的綜合平均變化程度，利用綜合指數(shù)法可定量對(duì)某一現(xiàn)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

在綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)時(shí)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值(yj)等于個(gè)體實(shí)測(cè)值(Xj)與其標(biāo)準(zhǔn)值(M)的比值，如式(3)所示；某一性能的個(gè)體指數(shù)(ii)為各個(gè)單體指數(shù)之和或乘積，本文取各單體指數(shù)之和，如式(4)所示；同理，綜合指數(shù)(I)為各個(gè)體指數(shù)之和(或乘積)，如式(5)所示。

yj=Xj/M

(3)

(4)

I=i1+i2+…in

(5)

式中：ii為第i項(xiàng)指標(biāo)的個(gè)體指數(shù)(i=1,…,n)；yj為第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值(j=1,…,m)。

為全面分析不同復(fù)合改性瀝青的綜合性能(物理性能和阻燃性能)，分別選取三大指標(biāo)指數(shù)(i1)、阻燃性能指數(shù)(i2)和阻燃經(jīng)濟(jì)性指數(shù)(i3)進(jìn)行分析，其中i1為三大指標(biāo)(針入度、軟化點(diǎn)和延度)的總指數(shù)，i2為極限氧指數(shù)和協(xié)同阻燃指數(shù)的總指數(shù)，i3為阻燃性?xún)r(jià)比的指數(shù)。通過(guò)對(duì)不同復(fù)合改性瀝青綜合指數(shù)進(jìn)行分析，研究不同類(lèi)型ATH/OMMT對(duì)改性瀝青綜合性能的影響。

對(duì)復(fù)合改性瀝青的綜合性能進(jìn)行分析，采用式(4)分別計(jì)算各改性瀝青的物理性能指數(shù)(i1)、阻燃性能指數(shù)(i2)和阻燃經(jīng)濟(jì)性指數(shù)(i3)，其結(jié)果如圖16所示。

圖16 不同復(fù)合改性瀝青的性能指數(shù)Fig.16 Performance indexes of different composite modified asphalts

從圖16可以看出：針對(duì)不同性能指數(shù)，復(fù)合改性瀝青的物理性能指數(shù)相近，i1值都約為2.5；ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青的阻燃性能指數(shù)略高于ATH/OMMT-F；復(fù)合改性瀝青的阻燃經(jīng)濟(jì)性指數(shù)表現(xiàn)出相似的規(guī)律，ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青的性能略?xún)?yōu)于ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青；這些都表明ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青的綜合性能較好。

為評(píng)價(jià)不同復(fù)合改性瀝青的綜合性能，采用式(5)對(duì)不同復(fù)合改性瀝青的綜合指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖17所示。從圖17可以明顯看出，ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青的綜合性能指數(shù)均高于ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青，說(shuō)明ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青不僅具有良好的阻燃性能，而且兼具物理性能和阻燃經(jīng)濟(jì)性。因此，在之后的流變性能及熱解性能研究中，均采用OMMT-C(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為OMMT)。

圖17 不同復(fù)合改性瀝青的綜合指數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.17 Calculation results of comprehensive indexes of different composite modified asphalts

2.4 ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的流變性能

動(dòng)態(tài)黏彈性是瀝青的重要性能，它在很大程度上取決于溫度和加載頻率[17]。通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，可以獲得諸如復(fù)數(shù)模量、相位角與蠕變應(yīng)變等主要的瀝青動(dòng)態(tài)黏彈性參數(shù)。其中：復(fù)數(shù)模量(G*)反映了瀝青抵抗永久變形的能力，G*可以通過(guò)最大應(yīng)力與最大應(yīng)變的比值求得[18]；相位角(δ)反映了所施加的應(yīng)力與產(chǎn)生應(yīng)變之間的時(shí)間滯差，反映了瀝青的內(nèi)摩擦阻尼特性。另外，通過(guò)上述動(dòng)態(tài)黏彈性參數(shù)可以求出彈性模量(G′)、黏性模量(G″)、車(chē)轍因子(G*/sinδ)。

不同復(fù)合改性瀝青的車(chē)轍因子如圖18所示。由圖18可看出，SBS改性瀝青與阻燃抑煙瀝青的車(chē)轍因子均隨著溫度的升高而降低，添加了阻燃劑后，瀝青的車(chē)轍因子有了不同程度的增大，車(chē)轍因子可反映瀝青結(jié)合料抵抗永久變形的能力，因此，加入阻燃劑可以增加SBS改性瀝青在高溫下的抗變形能力。圖中顯示，ATH(10%)-OMMT(3%)對(duì)SBS改性瀝青車(chē)轍因子的提升效果最為明顯。

圖18 不同復(fù)合改性瀝青的車(chē)轍因子Fig.18 Rutting factors of different composite modified asphalts

根據(jù)時(shí)-溫等效原理(TTSP)，本文選取60 ℃為參考溫度，根據(jù)Williams-Landel-Ferry(WLF)方程求出其他溫度下對(duì)應(yīng)的位移因子，利用頻率掃描結(jié)果構(gòu)建出各改性瀝青主要參數(shù)(G*、G′、G″)的主曲線，如圖19～圖21所示。

由圖19～圖21可知：ATH和OMMT都可提高瀝青材料的復(fù)數(shù)模量、車(chē)轍因子；OMMT是影響復(fù)合高溫性能的主要影響因素，OMMT摻量越高，復(fù)合改性瀝青的高溫性能越好。SBS改性瀝青與阻燃抑煙瀝青的復(fù)數(shù)模量、彈性模量與黏性模量均隨著頻率的增加而增加，阻燃劑增加了SBS改性瀝青的彈性模量，而這一趨勢(shì)在低頻(高溫)區(qū)域更加明顯；阻燃劑對(duì)SBS改性瀝青的黏性模量沒(méi)有顯著影響，復(fù)數(shù)模量的變化趨勢(shì)與彈性模量大致相同。因此，阻燃劑主要是通過(guò)提高瀝青的彈性成分來(lái)改善瀝青的高溫流變性能。從圖中還可以看出，OMMT摻量的變化對(duì)瀝青流變性能影響較大，OMMT摻量越高，瀝青材料高溫抗變形能力的改善效果越明顯。ATH(10%)-OMMT(3%)對(duì)SBS改性瀝青流變性能的改善效果最明顯。

圖19 不同復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)模量主曲線Fig.19 G* master curves of different composite modified asphalts

圖20 不同復(fù)合改性瀝青的彈性模量主曲線Fig.20 G′ master curves of different composite modified asphalts

圖21 不同復(fù)合改性瀝青的黏性模量主曲線Fig.21 G″ master curves of different composite modified asphalts

2.5 ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的熱解特性

采用TG試驗(yàn)方法，對(duì)不同復(fù)合改性瀝青熱解過(guò)程中的熱失重進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖22與圖23所示。

圖22所示為復(fù)合改性瀝青的TG測(cè)試曲線，與SBS改性瀝青相比，ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的分解溫度延遲，分解殘余量顯著增大，表明ATH和OMMT具有良好的協(xié)同阻燃作用，二者共同作用使得復(fù)合改性瀝青的阻燃性能顯著提高。此外，從圖23可知，DTG曲線在310 ℃左右有明顯的峰，這主要是由ATH熱分解而引起的。對(duì)不同ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青熱失重曲線的主要特征參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。

圖22 不同復(fù)合改性瀝青的TG曲線Fig.22 TG curves of different composite modified asphalts

由圖23和表4可知，與SBS改性瀝青相比，所有改性瀝青的起始分解溫度都有所延遲，其原因可能是ATH分解以及OMMT片層隔熱的共同作用提高了復(fù)合改性瀝青的熱穩(wěn)定性，延遲了其分解溫度。從表4中可以明顯看出，復(fù)合改性瀝青的初始分解溫度較SBS改性瀝青均增大了3～6 ℃，說(shuō)明復(fù)合改性劑對(duì)改性瀝青的熱分解延遲作用有限，且不同改性瀝青間沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。

表4 改性瀝青的TG測(cè)試特征參數(shù)Table 4 Characteristic parameters of TG tests of modified asphalts

圖23 不同復(fù)合改性瀝青的DTG曲線Fig.23 DTG curves of different composite modified asphalts

對(duì)ATH/OMMT復(fù)合改性瀝青的分解殘余量進(jìn)行對(duì)比分析可知，與SBS改性瀝青相比，四種復(fù)合改性瀝青的提高率分別為37.8%(ATH(5%)-OMMT(1%))、51.2%(ATH(5%)-OMMT(3%))、61.3%(ATH(10%)-OMMT(1%))和60.3%(ATH(10%)-OMMT(3%))，表明復(fù)合改性瀝青的成炭性顯著提高，進(jìn)一步說(shuō)明復(fù)合改性瀝青具有良好的阻燃性能。ATH分解脫水過(guò)程會(huì)吸收大量熱量，從而降低燃燒體系的溫度以及瀝青的分解速率，同時(shí)脫去的水稀釋了熱解及燃燒過(guò)程中瀝青煙氣以及氧氣濃度，達(dá)到氣相阻燃的目的[19]；此外，ATH分解產(chǎn)生的氧化鋁及OMMT的催化成炭作用促使瀝青表層形成致密的阻隔層，防止熱量及氧氣的擴(kuò)散滲入，同時(shí)阻礙了體系中可燃?xì)夥值囊莩?，達(dá)到固相阻燃的目的[20]。

3 結(jié) 論

(1)ATH與OMMT-C、OMMT-F兩種有機(jī)改性蒙脫土復(fù)配都可以有效提升瀝青的阻燃性能，且提升效果優(yōu)于單摻阻燃劑的效果。復(fù)合改性瀝青的極限氧指數(shù)均大于23%，符合路用阻燃抑煙瀝青的標(biāo)準(zhǔn)，并且可使得瀝青燃燒時(shí)的煙密度降低33.9%。

(2)ATH/OMMT-C、ATH/OMMT-F兩種復(fù)合阻燃劑對(duì)瀝青常規(guī)性能指標(biāo)的影響規(guī)律相似，使得瀝青的針入度降低，軟化點(diǎn)升高，低溫延度減小。這反映出ATH/OMMT-C、ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青的高溫性能較SBS改性瀝青有所提升，而低溫性能較SBS改性瀝青有所下降。

(3)ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青的綜合性能指數(shù)均高于ATH/OMMT-F復(fù)合改性瀝青，說(shuō)明ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青不僅具有良好的阻燃性能，而且兼具物理性能和阻燃經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)ATH摻量為10%，OMMT-C摻量為3%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的綜合性能最優(yōu)。

(4)ATH/OMMT-C復(fù)合阻燃劑通過(guò)增加瀝青的彈性成分提高了瀝青的復(fù)數(shù)模量與車(chē)轍因子，進(jìn)而提升了高溫抗變形能力。

(5)ATH/OMMT-C復(fù)合改性瀝青的初始分解溫度較基質(zhì)瀝青都增大了3～6 ℃，與基質(zhì)瀝青相比，復(fù)合改性瀝青的分解殘余量提高率可達(dá)61.3%，復(fù)合阻燃劑可以通過(guò)阻隔熱交換通道提高瀝青材料的阻燃抑煙性能。