阻燃剂对SBS改性沥青流变性能的影响_王丽丽.pdf

-28-王丽丽，周建光，陈小兵，王俊天，文 威，梁忠善，张梦茹，吴 林：阻燃剂对SBS 改性沥青流变性能的影响阻燃剂对 SBS 改性沥青流变性能的影响王丽丽1，周建光2，陈小兵3，王俊天4，文 威3，梁忠善1，张梦茹2，吴 林2（1.苏州三创路面工程有限公司，江苏 苏州 215124；2.苏州交投建设管理有限公司，江苏 苏州 215007；3.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096；4.杭州市交通运输发展保障中心，浙江 杭州 310030）摘要：为了研究阻燃剂对 SBS 改性沥青流变性能的影响，制备了不同阻燃剂用量（10%50%）的阻燃改性沥青，通过动态剪切流变试验（DSR）和弯曲梁劲度试验（BBR）测试阻燃沥青的流变性能。结果表明：阻燃剂能够提高阻燃沥青的车辙因子，增强阻燃沥青的高温流变性能；随着阻燃剂用量的增加，阻燃沥青的疲劳因子不断增大，加入 20%30%阻燃剂能使阻燃沥青保持原样沥青的疲劳性能；阻燃剂能够增大阻燃沥青的蠕变劲度、减小松弛速率，从而提升阻燃沥青的低温流变性能。关键词：沥青；阻燃剂；流变性能；DSR；BBR中图分类号：U414 文献标识码：A Effect of flame retardant on rheological properties of SBS modified asphaltWANG Lilil,ZHOU Jianguang2,CHEN Xiaobing3,WANG Juntian4,WEN Wei3,LIANG Zhongshan1,ZHANG Mengru2,WU Lin2（1.Suzhou Sanchuang Pavement Engineering Co.,Ltd.,Jiangsu Suzhou 215124 China;2.Suzhou Transport Investment Construction and Management Co.,Ltd.,Jiangsu Suzhou 215007 China;3.School of Transportation,Southeast University,Jiangsu Nanjing 210096 China;4.Hangzhou Transportation Development Support Center,Zhejiang Hangzhou 310030 China）Abstract:To study the effect of flame retardant on the rheological properties of SBS modified asphalt,flame retardant modified asphalt with different flame retardant dosages（10%50%）was prepared to test the rheological properties of flame retardant asphalt by Dynamic Shear Rheology test（DSR）and Bending Beam Rheometer test（BBR）.The results show that the flame retardant can improve the rutting factor of flame retardant asphalt and enhance the high-temperature rheological properties of flame retardant asphalt.With the increase of flame retardant dosage,the fatigue factor of flame retardant asphalt increases continuously.The addition of 20%30%flame retardant can maintain the fatigue performance of the original asphalt.Flame retardants can increase the creep stiffness of flame retardant asphalt and reduce the relaxation rate,which improve the low-temperature rheological properties of flame retardant asphalt.Key words:asphalt;flame retardant;rheological properties;DSR;BBR引言为了解决沥青的燃烧问题，将阻燃材料加入沥青中便成为保障隧道沥青路面运营安全的技术途径之一。目前，国内外研究人员对阻燃沥青性能开展了多方面的研究，提供了隧道沥青路面防火阻燃的解决方案。阻燃剂在沥青表面形成复合致密的炭化层，防止热量传递，阻碍氧气供应，抑制可燃挥发物的释放，使得阻燃剂具有优良的协同阻燃效果1。常用的阻燃剂类型较多，如金属氢氧化物2、有机磷系3、复合阻燃剂4等，沥青加入阻燃剂后四组分的热分解速率降低，初始分解温度和最大分解温度升高，CO2和 H2O 仍是燃烧后的主要产物5，而且金属氢氧化物能提高 SBS 改性沥青的黏度和高温性能，降低沥青的延度，提高沥青的活化能和阻燃性能6。阻燃剂可以改善沥青的阻燃抑烟性能，但阻燃剂的掺入对沥青流变性能的影响尚需深入研究。基金项目：苏州市科技发展计划（民生科技）项目，项目编号：8521008637。收稿日期：2022-07-21作者简介：王丽丽（1976），女，江苏苏州人，高级工程师。2022 年第 6 期山东交通科技-29-1 原材料所用的 SBS 改性剂含量为 4.5%，技术指标见表1。阻燃剂采用隧道专用矿物阻燃剂，是一种由多种天然矿物加工而成的环保矿物阻燃剂，具有阻燃抑烟效果好、对沥青性能不良影响小、加工工艺简单、成本低廉等优势，阻燃剂的外观为白色非晶形粉末。表 1 SBS 改性沥青技术指标测试指标试验结果技术要求针入度/（0.1 mm）4840 60针入度指数 PI0.7-0.2 +1.05 延度/cm28.6 20软化点/89 70TFOT 后质量变化/%0.14 1.0软化点差/-4-12 +10针入度比/%79 655 延度/cm16.2 152 试验方法2.1 制备阻燃沥青按照沥青质量的 10%、20%、30%、40%和 50%称取阻燃剂，制备不同阻燃剂用量（10%50%）的阻燃剂改性沥青（以下简称“阻燃沥青”），具体制备流程：（1）将成品 SBS 改性沥青（原样沥青）放入 175 的烘箱中保温 2 h，用于制备阻燃沥青的原样沥青按照每桶 2 kg 分装到留样桶中，将装有沥青的留样桶放入恒温电热套中，温度设定为 175；（2）称取对应质量（沥青质量的 10%50%）的阻燃剂，待数显恒温电热套的温度上升至 170 时，在 20 min 内向原样沥青中缓缓加入阻燃剂；（3）待阻燃剂完全加入阻燃沥青后，继续搅拌 30 min，然后将热阻燃沥青浇注进对应模具。2.2 动态剪切流变试验按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）7中 T 0628 试验方法，采用英国Malvern 公司制造的 Kinexus DSR 高级动态剪切流变仪对沥青进行温度扫描试验。进行高温温度扫描试验时，沥青样品放置在直径为 25 mm、间距为 1 mm 试验板之间；进行中温温度扫描试验时，沥青样品放置在直径为 8 mm、间距为 2 mm 试验板之间。高温温度扫描试验的温度扫描范围为6494，温度间距为6；中温温度扫描试验的温度扫描范围为 16 31，温度间距为 3。高温和中温范围内的温度扫描试验均采用应变控制模式，固定加载频率为 10 rad/s。DSR 试验数据采用 rSpace 软件进行处理。沥青路面的车辙主要由沥青混合料层的累积应变引起，是一种受应力控制的循环加载现象8。在沥青混合料产生变形的过程中，交通荷载所做的功一部分由应变的弹性分量恢复，另一部分由应变的黏滞流动分量和产生的热量进行耗散9。BAHIA 和ANDERSON10针对沥青的黏弹性性质，基于耗散能概念和应力控制假设，采用车辙因子对沥青高温抗车辙性能进行评价。沥青路面在中等温度下主要的破坏模式是疲劳开裂，基于耗散能概念和应变控制假设，采用疲劳因子对沥青中温抗疲劳性能进行评价。2.3 弯曲蠕变劲度试验采用TE-BBR弯曲梁流变仪，按照 ASTM D664811 对沥青小梁进行 BBR 试验。沥青小梁的尺寸为 102 mm12.5 mm6.25 mm。试验温度为-6、-12、-18 和-24。BBR 自动采集 8 s、15 s、30 s、60 s、120 s 和 240 s 的荷载和挠度。基于欧拉-伯努利梁理论（Euler-Bernoulli beam theory），通过 BBR 试验的挠度数据计算可得沥青的蠕变劲度（Creep Stiffness，S（t）与松弛速率（Relaxation Rate，m（t），作为沥青低温流变性能的评价指标。3 试验结果分析3.1 高温流变性能不同阻燃剂用量（10%50%）的阻燃沥青的高温流变性能见图 1。图 1 阻燃沥青的车辙因子由图 1 可知，阻燃沥青的车辙因子随着试验温度的增加而指数下降，车辙因子的对数与试验温度线性相关；同一试验温度下，随着阻燃剂用量的增加，阻燃沥青的车辙因子不断增大；添加 10%50%阻燃剂分别使阻燃沥青的 82 车辙因子增大了 14.7%、49.2%、99.2%、167.8%、218.4%。阻燃剂的加入能够显著提高阻燃沥青的高温流变性能。3.2 中温流变性能不同阻燃剂用量（10%50%）的阻燃沥青的王丽丽，周建光，陈小兵，王俊天，文 威，梁忠善，张梦茹，吴 林：阻燃剂对 SBS 改性沥青流变性能的影响-30-中温流变性能见图 2。图 2 阻燃沥青的疲劳因子由图 2 可知，阻燃沥青的疲劳因子随着试验温度的增加而指数下降，疲劳因子的对数与试验温度线性相关；同一试验温度下，随着阻燃剂用量的增加，阻燃沥青的疲劳因子不断增大；添加10%50%阻燃剂分别使阻燃沥青的 22 疲劳因子变化了-22.0%、-10.3%、3.9%、22.4%、38.2%。加入 20%30%阻燃剂能使阻燃沥青保持原样沥青的疲劳性能。3.3 低温流变性能不同阻燃剂用量（10%50%）的阻燃沥青的低温流变性能见图 3。（b）松弛速率（a）蠕变劲度图 3 阻燃沥青的蠕变劲度和松弛速率由图 3（a）可知，随着测试温度的降低，沥青小梁的蠕变劲度不断变大，呈现指数型增大的趋势，说明低温下阻燃沥青变硬、变脆，温度对阻燃沥青的劲度影响显著。随着阻燃剂用量的增加，在测试温度为-6、-12 和-18 时，阻燃沥青的蠕变劲度不断增大；而当测试温度为-24 时，阻燃沥青的蠕变劲度则呈现先减小后增大的趋势。由图 3（b）可知，随着测试温度的降低，沥青小梁的松弛速率不断减小，呈现线性减小的趋势，说明低温下沥青的应力松弛降低，可能造成沥青材料内部的应力累积。随着阻燃剂用量的增加，阻燃沥青的-6 松弛速率呈现波动变化的趋势，-12 松弛速率呈现先减小后增大的趋势，-18 松弛速率呈现增大的趋势，-24 松弛速率则呈现先增大后减小的趋势，说明不同温度下阻燃剂对沥青低温应力松弛性能影响规律不一样。4 结语（1）阻燃剂能够显著提高阻燃沥青的高温流变性能，改善阻燃沥青的低温流变性能。（2）随着阻燃剂用量的增加，阻燃沥青中温抗疲劳性能增强，20%30%阻燃剂能使阻燃沥青保持原样沥青的疲劳性能。（3）温度对阻燃沥青的劲度影响显著，不同温度下阻燃剂对沥青低温应力松弛性能影响规律也不同。参考文献：1 QIU J L,YAO Y,WANG X L,et al.Review of the flame retardancy on hig