CN101880137B - 掺加无机阻燃剂的微表处路面养护材料 - Google Patents

Abstract

掺加无机阻燃剂的微表处路面养护材料是一种用于隧道沥青路面的材料，尤其是一种解决无机阻燃问题的沥青路面养护混合材料，属于道路沥青路面材料制造的技术领域。该混合料的各组分掺加比例范围：碎石78～87％，改性乳化沥青6％～10％，填料0.5～2％，无机阻燃剂0.5％～2％，助剂1～2％，其余为水。这种无机阻燃剂应用在隧道沥青路面微表处养护中，在不改变原微表处沥青混合料各项路用性能的前提下，有效提高隧道沥青路面使用过程中阻燃性能，从而解决隧道沥青路面防火安全问题。该种配方既不会影响原路面各种使用性能，又没有增加施工难度。所以，这种掺加无机阻燃剂的微表处路面养护材料在隧道沥青路面养护中具有较好的推广价值。

Description

掺加无机阻燃剂的微表处路面养护材料

技术领域

本发明是一种用于隧道沥青路面养护的材料，尤其是一种解决无机阻燃问题的沥青路面养护混合材料，属于道路沥青路面材料制造的技术领域。 

背景技术

1.隧道路面发展趋势 

由于我国修建大型公路隧道的历史较短，我国对隧道路面结构和材料的研究比较薄弱，隧道路面大多采用水泥混凝土路面，结构型式单一。一方面是因为水泥混凝土路面强度高、使用寿命较长，比较符合隧道内不宜经常施工的需要，而且路面颜色浅，行车可视性高；另一方面则是由于水泥混凝土路面的防火性能比较好，优质沥青产量较少，大部分需要进口，造价高。同时，20世纪90年代在欧洲长大隧道中曾发生火灾，出于安全考虑，促使人们更多的选用水泥混凝土路面。 

但是，水泥混凝土路面存在接缝，表面不平整，引起行车颠簸，舒适性差，工期长，维修困难等缺点；水泥路面的耐磨性差，表面抗滑性能较差，常引起隧道内的交通事故。据测定隧道内的水泥混凝土路面在潮湿状态下，其摩擦系数仅为干燥状态下的40％，仅是沥青混凝土路面的25％；由于长大隧道是相对封闭的管状结构，隧道内的噪音要远高于隧道外的噪声，噪声在隧道内会产生共振、叠加现象，使得隧道内噪声更大，且隧道内噪声持续时间更长，不易消散，噪音影响了隧道的运行环境。为了提高表面抗滑性和行驶舒适性，降低噪音，有时在原水泥混凝土路面加铺沥青混凝土表面层或在新建隧道中铺设沥青混凝土路面。 

国内早期修建的隧道路面中大多数为水泥混凝土路面，但是，近年来随着科技的进步、施工技术的发展及沥青阻燃技术的发展，使得沥青混凝土的耐火性能有了长足的进步，再加上人们对隧道内行驶舒适性要求的不断提高，沥青混凝土路面又逐渐为人们所青睐。自2001年以后已开始有部分长大隧道开始采用沥青混凝土路面，2003年开通的雁门关隧道长5300m，采用了沥青混凝土路面，为沥青混凝土路面在超长隧道中的应用积累了经验。据调查，国外的隧道路面广泛采用沥青路面。 欧洲的大部分国家和美国在隧道中主要采用沥青混凝土路面，如16km长的意大利勃朗峰隧道、6.4km长的奥地利托恩隧道、14km长的奥地利Arberg隧道、17km长的瑞士圣哥达隧道等均采用了沥青路面结构形式。德国、日本的隧道路面普遍采用浇注式沥青混凝土结构型式，为了提高路面的抗滑性和亮度，在浇注式沥青混凝土表面还撒布一层煅烧白色燧石，使其路面的使用功能优良，照明度良好，使用寿命延长，是一种较为理想的隧道路面结构型式。 

为了达到抗滑、降噪、舒适、耐久的要求，隧道沥青路面常常选用SMA(沥青玛蹄脂碎石混合料)路面。该种路面是由沥青、纤维稳定剂、矿粉和少量的细集料组成的间断级配混合料铺筑而成，具有优良的高温稳定性(抗车辙性能)、耐久性(包括水稳定性、耐疲劳性和抗老化性能)、表面抗滑性、低噪音等特点。但是，SMA路面沥青用量比一般沥青路面高1％以上，而且掺加0.3％左右(同集料重量比)的可燃性木质素纤维作为稳定剂，在隧道沥青路面发生火灾燃烧时，沥青和木质素纤维均会起到助燃的作用，增加了隧道火灾救援的难度，造成了更大的损失。而且一般阻燃剂在高温的环境下，会产生大量的烟雾和有毒气体，不仅阻止了救援工作开展，还严重污染了环境。由此可见，隧道路面采用沥青路面已成为一种发展趋势，如何防止沥青路面在隧道火灾时燃烧、环保、养护等问题需要进一步研究。 

2.隧道沥青路面使用状况及火灾安全 

由于隧道路面处于基础强度高、环境温差小、湿度较大、渠化交通严格、加减速频繁等特殊的工作环境条件下，使路面结构受力状态与普通路面不同，导致隧道路面破坏比较严重，严重影响了隧道路面的使用寿命和司乘人员的舒适性。我国在大规模的公路建设之后，面临了随之而来的路面养护管理工作，工作的中心转移到养护、改建维护和改善现有的路面，隧道路面也面临同样的问题。 

根据国外的一般情况，高速公路沥青路面交付使用后长则十来年，短则五六年即需维修罩面一次，次高级和低等级路面的维修周期则更短。在我国，由于高速公路沥青面层所用材料品种多、要求严格，每层都有不同施工工艺.而我国高速公路施工队伍一是缺乏经验，二是施工水平参差不齐，再加上施工工期普遍比较短，抢工现象较多，造成了同一高速公路不同路段的施工质量也有显著差异，大部分高速公路沥青路面在通车2～3年内就会出现不同程度的破损，使用性能和服务水平不尽人意。另一方面，由于我国一些公路开放交通后交通量增长迅速、超载超限现象严重以及气候降水等因素的影响，许多路面出现了较严重的早期破坏，使得维修养护工 作更为提前。我国的高速公路早期的已经使用了20余年，因此，公路部门今后的工作重点势必从新路的建设转向旧路的养护。路面养护对于道路的使用寿命有着至关重要的影响，并且随着通车里程的增加和行驶速度的提高，这一作用还将更加明显。经济发达的国家，一方面大力发展高等级公路，另一方面努力提高地方道路的铺装率，同时十分重视已铺路面的经常性的维修与养护，使其能一直保持着良好的路用性能与运输效率，以延长道路的使用寿命。 

隧道是高速公路的重要组成部分，且往往是高速公路公路的咽喉部位。大型隧道内由于相对封闭，隧道火灾不仅造成隧道设施和隧道结构的严重毁坏，引起短则数天，长则数十天甚至更长时间的道路交通中断，还会严重威胁人的生命、财产安全，造成无法估计的经济损失。隧道内一旦发生火灾，大量烟、热不易排除，洞内烟雾弥漫，照明破坏，能见度下降而且伴有高温和毒气，给安全疏散和援救带来很大困难。同时，由隧道外的快速车道上行来的车辆进入隧道后，横断面变小，车辆间距变短，行车视野变窄。若前面发生车辆事故，后面车上的驾驶员不易发现，从而造成大量车辆堵塞，加剧火灾的发展。特别是沥青混凝土隧道路面，沥青材料由于其本身具有明显的可燃性，并且在燃烧时产生大量烟雾，将对人身安全产生重大危害。近年来，由于国内外大型隧道中的火灾而引起的重大伤亡事故，使大型隧道的防火防灾受到普遍重视，这也成为推广隧道沥青路面必须跨越的巨大障碍。 

调查结果表明，隧道火灾的自身特点也导致其破坏性比一般建筑火灾要大得多。火灾一旦发生，很短时间内就达到很高的温度，使人员难以迅速逃生，不仅能引燃隧道内部的沥青路面、洞壁装修，而且对衬砌产生巨大的损坏，致使结构的承载力降低或完全丧失，破坏隧道防水体系，造成隧道不同程度的渗漏水，以致影响隧道的正常运营；火灾时产生的大量有毒烟雾，降低隧道内的能见度，影响入员和车辆的逃生以及救援工作的开展。因而，一般发生大规模的隧道火灾，都会造成大量的人员伤亡和财产损失。如何根据隧道火灾事故的特点，尽量减少隧道火灾的发生，选择合理的路面结构及材料，使其具有抗滑、阻燃性能具有重要的意义。 

3.阻燃沥青路面的应用 

阻燃剂是一类能阻止材料引燃或抑制热传播的助剂，根据其使用方法可分为添加型和反应型两类。隧道火灾过程中，沥青首先熔融、滴落、流淌，接着是熔珠燃烧、再由燃烧的熔珠洒落、流淌，造成火势蔓延扩大，酿成火灾。沥青的燃烧是一个放热、分解的物理化学过程，燃烧中分解出氢、甲烷、苯及烷烃类易燃气体。这 些气体的燃烧又进一步加快了沥青的热分解。所以沥青火灾的特点是来势猛、扩展快、范围广、损失大。 

沥青的阻燃研究，是在化工材料的阻燃研究基础之上发展起来的，我国较早的就制定了各类化工材料的燃烧性能规范，如纺织品燃烧性能试验(GB T 5454-1997)、玻璃纤维增强塑料燃烧性能试验(GB 8924-1988)、橡胶燃烧性能测定(GB10707-1989)、绝缘液体燃烧性能试验方法(GB T 16581-1996)、塑料燃烧性能试验(GB 2406-1980)等。 

目前常用的阻燃剂可分为有机类、无机类和复合类。常用的有机阻燃剂有磷酸三(β-氯乙基)酯(TCEP)、磷酸三(2-氯丙基)酯(TCPP)、磷酸三(2，3-二氯丙基)酯(TDCPP)等；常用的无机阻燃剂包括氢氧化铝、硼酸锌、三氧化二锑等；复合阻燃剂是有多种阻燃剂复合而成，可发挥各阻燃剂的优点，从而起到良好的效果。已有的试验结果表明，阻燃剂的加入，对沥青混合料的路用性能的影响较小，但可有效提高沥青的氧指数，从而起到阻燃作用。 

对沥青进行阻燃处理时，要选择适合于沥青的阻燃剂，阻燃剂的选择取决于沥青的性质、使用环境、加工方法、经济条件等，其中，阻燃剂对沥青的阻燃能力是最重要的。选择阻燃剂时，比较关键的是阻燃剂发挥阻燃效果的温度范围是否与沥青的热分解温度相匹配。如果阻燃剂和沥青热稳定性相差很大，就不利于沥青阻燃。阻燃剂的热降解温度范围和沥青的热降解温度范围应该尽量接近。如果阻燃剂的热稳定性比沥青好得多，那么在需要阻燃剂发挥作用时，其可能仍没有反应，因而产生不了阻燃效果；如果阻燃剂的热稳定性比沥青的低的多，阻燃剂将在沥青还没有热分解时，已提前失去阻燃效果。所以，选择的阻燃剂要与沥青的热分解温度相匹配才能达到较好的阻燃效果。可见，隧道沥青路面掺加阻燃剂应满足：①阻燃效率高，在用量尽可能小的前提下，可赋予基材良好的难燃性、自熄性；②与沥青的分散性、相溶性好；③稳定性好，在加工期间不分解，能长期保留在沥青中，火灾时发挥阻燃效能；④价格低廉，且无显著不良作用。 

综合考虑各种阻燃剂的阻燃效果，根据阻燃沥青已有研究成果和隧道沥青路面在火灾场中的热行为及分解产物对生命、财产的危害，并结合隧道半封闭管状结构、火灾时烟雾排出不畅、人员疏散困难等特点，本专利采用无机阻燃剂，并在某些具体隧道工程的沥青路面中得到应用。但是，随着隧道沥青路面层的损坏，阻燃剂也失去了阻燃作用，如何在隧道沥青路面养护阶段保持沥青路面的阻燃效果需要进一 步探讨。 

4.隧道沥青路面养护方法 

隧道沥青路面的养护方法有多种，其中微表处是隧道沥青路面养护的主要方法之一。微表处是一种由聚合物改性乳化沥青、连续级配集料、填料、水和添加剂，按合理配比均匀拌和后摊铺到原路面一层或多层的，能达到迅速开放交通要求的薄层结构。它是在稀浆封层基础上发展起来的一种新型道路养护方法。因此具有适用范围更广、性能更好等特点，对出现在城市干道、隧道混凝土路面、高速公路和机场道路上的各种病害的修复最为有效，是功能最完善的道路养护方法之一。 

微表处是乳化沥青稀浆罩面的最高级形式，它适用于重要交通道路的预防性养护如高速公路、城市干线、机场跑道等。微表处由聚合物改性乳化沥青、100％轧碎石料、矿物填料、水和必要的添加剂组成，使用专门的施工设备边拌和边摊铺。微表处可以提高路面的抗滑能力阻止水分下渗、防止路面的老化与松散，从而有效地延长路面的使用寿命。微表处的使用可根据路面状况实施单层或双层摊铺，微表处还可以填补已经稳定的车辙。微表处混合料摊铺后可在较短的时间内开放交通，具体的时间因各个工程的实际情况而有所不同。通常12.7mm厚的封层在24℃以上、湿度50％以下时可在1小时内开放交通，承受车轮碾压，但不可有刹车、起步或转弯。微表处对其组成材料有着极高的要求，它要求石料必须坚固、耐磨而且是清洁的，石料的级配通常采用中粒式或粗粒式，成型后的厚度一般为5mm或10mm左右。微表处所用的乳化沥青必须是经聚合物改性的，通常是采用SBR胶乳，也可采用SBS改性，其残留物具有较高的软化点。早国际上对其要求不尽相同，但一般是采用ISSA的要求不小于57℃。上述要求是为了保证沥青与石料之间极高的粘附性以及微表处罩面极佳的耐磨性，从而保证微表处罩面在重交通作用下仍可达到较长的使用寿命。国外的调查显示微表处的使用寿命一般为5至6年，长的可达到8年。微表处混合料的设计在稀浆封层的基础上增加了6天的磨耗试验和碾压粘砂试验，以评估其抗水损坏能力及最大沥青用量，当用于填补车辙时还需要进行碾压变形测试。除此之外，微表处混合料的油石比可可采用马歇尔法或维姆法确定。作为预防性养护技术的微表处也可直接用于新建道路的表面磨耗层，从而减少昂贵石料的使用，降低工程造价，显著降低基本消除早期水损坏的发生。 

因此，如何对隧道沥青路面及时养护，提高隧道沥青路面的使用品质，经养护后仍然保持沥青路面的阻燃性能，降低隧道火灾安全还需要深入研究。 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种掺加无机阻燃剂的微表处路面养护材料，经微表处养护处治后，该阻燃路面养护材料能解决隧道沥青路面使用过程的阻燃问题，使隧道沥青路面在使用过程中始终具有阻燃效果，且掺加无机阻燃剂不影响原来微表处施工工艺。 

技术方案：针对在隧道沥青路面发生火灾燃烧时，隧道路面中沥青起到助燃的特点。为了使隧道沥青路面使用阶段经微表处养护后能继续使隧道沥青路面具有阻燃效果，同时具有环保的作用。一方面在隧道沥青路面微表处施工时采用环保型的有机阻燃剂粉末代替部分矿粉(填料)掺加到混合料中，达到阻燃效果且不改变原混合料的各项性能；另一方面，在隧道沥青路面微表处施工工艺不变，无需对施工设备进行改进。上述技术方案不改变原来沥青路面经微表处养护处治后的使用效果。 

本发明的掺加无机阻燃剂的微表处路面养护材料各组分掺加比例范围为： 

碎石78～87％，改性乳化沥青6％～10％，填料0.5～2％，无机阻燃剂0.5％～2％，助剂1～2％，其余为水。 

无机阻燃剂应满足的技术要求为： 

密度0.9～1.7g/cm3； 

有效含量≥85％； 

熔融温度≥120℃； 

含水率＜5％。 

所述的无机阻燃剂为氢氧化铝。所述的填料为石灰岩矿粉。所述的助剂为乳化沥青助剂。 

有益效果：微表处技术是以聚合物改性乳化沥青为黏结料的密级配快凝型冷拌沥青罩面技术，它施工工艺简单、成本低、污染小。不仅可以迅速和恢复、改善原隧道沥青路面的磨损、老化、光滑、松散、坑糟等病害，提高隧道沥青路面的行车性能、可靠性和耐久性，还能使隧道沥青路面在使用过程中始终具有阻燃效果能力。因此，微表处技术在隧道沥青路面有着巨大的应用潜力；无机阻燃剂消灭(捕捉)烃类氧化初期产生的活性很强的自由基(HO.和H-)，抑制连锁反应的发生；在沥青表面形成被膜，切断热能、可燃性气体、氧气(空气)向沥青内的传递；促进碳化物生成，在燃烧表面形成稳定的碳化层，使燃烧终止，产生自熄现象，达到阻燃、抑烟的目的。这种掺加无机阻燃剂的微表处路面养护材料应用在隧道沥青路面养护中，在不改变原微表处沥青混合料各项路用性能的前提下，有效提高沥青混合料的 阻燃性，从而解决隧道沥青路面使用过程中防火安全问题。该种配方既不会影响原路面各种使用性能，又没有增加施工难度。所以，这种掺加无机阻燃剂的微表处路面养护材料在隧道沥青路面养护中具有较好的推广价值。 

具体实施方式

本发明掺加无机阻燃剂的微表处路面养护材料各组分比例按照表1掺加。 

表1掺加无机阻燃剂的微表处路面养护材料各组分比例 

(1)施工准备：清扫路面上的杂物，必要时用水冲洗原路面，但路面不得有积水。根据施工的顺序，将装满材料的封层机开到施工起点，并调整好摊铺的宽度和厚度。 

(2)摊铺：根据配合比调整封层机各料门的大小。开启发动机检查各部件运转正常后，打开出料阀门，待摊铺内的稀浆混合料达1/2时，启动封层机，低速前进，进行摊铺，一般前进速度为1.5～3.0km/h，但应保持稀浆摊铺量与生产量的基本一致。 

(3)局部处理：混合料摊铺后，应立即进行人工找平，找平的重点是起点、终点、纵向接缝，过厚、过薄或不平处，尤其对超大粒径矿料产生的纵向刮痕，应尽快清除并填平。 

(4)初期养护与胶轮碾压：在初期养护时间内(即开放交通前)，胶轮压路机缓慢驶进正处于初期养护的路段进行碾压，提高封层粘结力，缩短开放交通时间。在初期养护时间内不允许任何车辆和行人在封层上通行，否则将影响封层质量。 

(5)隧道内路面温度低无阳光照射，温度偏低，水分不易蒸发，破乳时间长，影响混合料的早期强度，导致开放交通时表面出现跑砂现象。施工结束2小时后，当封层粘结力达到200N·cm，即可开放交通。 

应用实例： 

实例1：碎石∶改性乳化沥青∶填料∶水∶无机阻燃剂∶助剂＝88.6∶6.8∶1∶7∶1.4∶1.2 

实例2：碎石∶改性乳化沥青∶填料∶水∶无机阻燃剂∶助剂＝83.3∶6.5∶1.5∶6.5∶1.2∶1 

实例3：碎石∶改性乳化沥青∶填料∶水∶无机阻燃剂∶助剂＝81.4∶7∶1.8∶7.2∶1.3∶1.3 

实例4：碎石∶改性乳化沥青∶填料∶水∶无机阻燃剂∶助剂＝84∶6.3∶0.8∶6.8∶1.2∶0.9 

实例5：碎石∶改性乳化沥青∶填料∶水∶无机阻燃剂∶助剂＝82.9∶6.7∶1.2∶6.8∶1.3∶1.1。 

Claims (1)

1.一种掺加无机阻燃剂的微表处路面养护材料，其特征在于该料各组分掺加比例范围为：

碎石78～87％，改性乳化沥青6％～10％，填料0.5～2％，无机阻燃剂0.5％～2％，助剂1～2％，其余为水；

无机阻燃剂应满足的技术要求为：

密  度0.9～1.7g/cm³；

有效含量≥85％；

熔融温度≥120℃；

含水率＜5％；

所述的无机阻燃剂为氢氧化铝；

所述的填料为石灰岩矿粉；

所述的助剂为乳化沥青助剂。