沥青路面由于噪音低、抗滑性好、易维修养护等优点正逐步取代水泥混凝土路面成为隧道道面铺装的主流形式。然而沥青是一种易燃性材料，在隧道发生火灾时具有较大的安全隐患^{[1, 2, 3, 4]}。因此，在国内外现代隧道沥青路面设计中，通常采用有机或无机类添加型阻燃剂对沥青进行物理改性，制备出具有阻燃效果的改性沥青用于隧道沥青路面铺装^{[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]}。然而仅从对沥青进行阻燃改性的角度考虑，若要达到较好的阻燃效果则需要较大掺量的阻燃剂，这势必对沥青及沥青混合料固有性能产生损伤，且经济环保性较差。为了在阻燃效果达到要求的前提下尽可能地降低阻燃剂用量， 作者在已有研究中^{[12, 13, 14]}，提出从沥青混合料整体出发，采用具有阻燃效果的MiberⅢ型矿物纤维和复合阻燃剂设计阻燃沥青路面，开发出了阻燃效果优异的矿物纤维复合阻燃材料(M-FR)，3种复配比例中MiberⅢ型矿物纤维和复合阻燃剂的掺量分别为15%和8%，15%和6%，10%和8%(均为占沥青质量比，以下分别简称为M-FR1、M-FR2和M-FR3)。该材料通过干法施工可使矿物纤维复合阻燃沥青混合料实现施工简单可行、阻燃效果优异且经济环保的综合效果。然而，已有研究表明^{[15, 16]}，沥青混合料的高温性能随矿物纤维掺量的增加呈凸曲线变化趋势，且矿物纤维的最佳掺量一般为0.4%~0.6%(占混合料质量比)。但是，在矿物纤维复合阻燃材料中MiberⅢ型矿物纤维掺量换算成占混合料的质量比约为0.6%~0.8%，而且复合阻燃剂的加入使得阻燃沥青胶浆的材料组成进一步复杂化，在此较大纤维掺量和复合阻燃剂加入的条件下阻燃沥青胶浆的高温性能表现如何还未曾研究；另外，针对阻燃沥青胶浆材料组成的特殊性，常用的试验方法不能很好地评价其高温性能。因此，本文借助重复蠕变试验，对3种复配比例的阻燃沥青胶浆和常规纤维掺量的沥青胶浆的高温性能进行对比研究，分析MiberⅢ纤维和复合阻燃剂对M-FR沥青胶浆高温性能的影响，为优化复合阻燃材料的材料组成以及研究阻燃沥青混合料的高温稳定性提供参考。

1 原材料 1.1 沥青

试验采用SBS(I-C)改性沥青，其主要技术性质见表 1。

试验所用纤维包括MiberⅢ型矿物纤维和木质素纤维，其中MiberⅢ纤维为自主研发产品，其基本技术指标如表 2所示。木质素纤维为常用的路用木质素纤维，其基本技术指标满足规范要求。试验中使用的复合阻燃剂为十溴二苯醚、三氧化二锑和硼酸锌按质量比3∶1∶1的比例制备而成。其中，十溴二苯醚由天津市科密欧化学试剂有限公司生产，细度约300目，溴含量83.3%，游离溴含量小于20×10^-6，热失重为5%，10%，50%，95%，所对应温度分别为357，373，418，447 ℃；三氧化二锑由天津市科密欧化学试剂有限公司生产，细度约300目，溴含量83.3%，游离溴含量小于20×10^-6，热失重为5%，10%，50%，95%所对应温度分别为357，373，418，447 ℃；硼酸锌由天津市光复精细化工研究所生产，细度约为300目，其中B₂O₃含量不少于46.0%~49.5%，ZnO含量为37.0%~38.5%，游离水含量为1.0%，450 ℃灼烧失重为13.5%~15.5%。复合阻燃剂与MiberⅢ纤维复配制成3种不同比例的复合阻燃材料(M-FR)。

从力学性质方面描述，沥青是一种包括弹性、黏弹性及流动性的黏弹性材料。已有资料表明^[17]，Kelvin元件适合用来说明蠕变与蠕变恢复的力学行为，Maxwell元件适合用来说明应力松弛的力学行为。将二者串联后得到的四元件模型(即Burgers模 型，如图 1所示)则可以同时说明蠕变、蠕变恢复和应力松弛等力学行为，因此Burgers模型可以更加完整地描述材料的黏弹特性，Burgers模型的本构方程为：

图 1 Burgers模型示意图 Fig. 1 Burgers model

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图 2 蠕变与恢复过程中应变示意图 Fig. 2 Strains in creep and recovery process

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由式(1)可知，蠕变柔量J(t)可以表达为：

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重复蠕变试验一般采用蠕变-恢复加载模式，加载1 s、卸载9 s(或加载2 s、卸载18 s；加载3 s、卸载27 s)，对沥青或沥青胶浆进行100次重复循环；推荐的重复蠕变试验温度为路面设计高温，建议应力范围为30~300 Pa。试验过程中沥青或沥青胶浆的变形在经历荷载作用和恢复过程后不断累积从而逐渐增加，与沥青路面在实际车辆荷载作用下的变形累积情况比较吻合。重复蠕变试验采用蠕变劲度的黏性成分 G_v以及累积应变γ_acc作为高温性能评价指标。由以上分析可知，过程指标G_v和γ_acc能更真实地反映沥青胶浆在接近于实际环境中的高温性能，弥补了常规试验及指标对沥青胶浆高温性能评价的不合理之处^[18]。

2.2 重复蠕变试验拟合参数及拟合曲线

采用Bohlin Gemini Ⅱ型动态剪切流变仪对3种复配比例的矿物纤维复合阻燃材料沥青胶浆进行重复蠕变试验，并与原样SBS改性沥青、常规木质素纤维及常规MiberⅢ纤维掺量的沥青胶浆进行对比，即木质素纤维掺量为5.5%(占沥青的质量比，换算成占混合料的质量比约为0.3%)，MiberⅢ纤维掺量为9.0%(占沥青的质量比，换算成占混合料的质量比约为0.5%)。分析以上6种沥青胶浆的蠕变劲度黏性部分G_v、蠕变柔量J(t)和累积应变γ_acc等指标。试验条件为：应力水平300 Pa，试验温度 70 ℃，每个周期加载时间1 s，卸载时间9 s，共包括为100次蠕变恢复周期。

试验完成后，根据6种沥青胶浆重复蠕变试验结果，利用分段拟合法对第50次和第51次的实测蠕变曲线进行拟合，取两次拟合结果的平均值作为Burgers模型中的参数G₀，η₀，G₁，η₁值，所得结果见表 3。

将Burgers模型的各拟合参数值代入式(2)中即可求得各种沥青胶浆的蠕变柔量预测值，6种沥青胶浆的蠕变柔量实测曲线和预测曲线如图 3所示。

图 3 六种沥青(胶桨)的蠕变柔量实测值和预测值 Fig. 3 Measured and predicted results of creep compliance of 6 asphalts(asphelt mortars)

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通过对6种沥青胶浆的实测值和预测值的分析，其预测最大相对误差分别为4.4%，3.6%，4.0%，1.6%，4.3%和3.6%，说明采用Burgers模型对蠕变过程拟合准确有效，实测结果与预测结果有很好的相关性。

2.3 重复蠕变试验结果分析

(1)蠕变劲度黏性部分G_v以及蠕变柔量J(t)

通常情况下，在描述沥青高温性能时为了与SHRP中模量的概念相对应，更多的是采用蠕变劲度的黏性成分G_v=1/J_V作为高温性能评价指标，G_v越大，则抵抗高温变形能力就越强^{[19, 20]}。6种沥青胶浆的蠕变劲度黏性成分G_v值曲线如图 4所示，G_v顺序为：M-FR1=M-FR2=5.5%木质素纤维＞M-FR3=9.0%MiberⅢ纤维＞SBS沥青。该顺序即为以G_v作为高温性能评价指标时6种沥青胶浆的高温抗变形能力从高到低的排序。由此可见，较大MiberⅢ纤维和阻燃剂掺量对沥青胶浆的高温性能是有益的。

图 4 蠕变劲度粘性部分Gv Fig. 4 Viscous composition in creep stiffness Gv

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根据式(2)可知沥青胶浆的蠕变柔量J(t) 由瞬时弹性变形柔量J_E、延迟弹性变形柔量J_C和黏性流动变形柔量J_V这3部分组成，J_E和J_C表征沥青胶浆的弹性性质，J_V表征其黏弹性性质。事实上，G_v值是基于重复蠕变试验提出的用来评价高温性能的最终指标，而沥青胶浆的内在黏弹性力学行为体现于3部分柔量占总柔量的百分比情况。6种不同材料的J_E，J_C和J_V占总柔量J(t)的百分比如图 5所示。

由表 1中拟合参数值可知，SBS沥青单体的瞬时弹性变形柔量J_E值为10^-5Pa^-1，而其他的5种沥青胶浆的J_E值为2×10^-5Pa^-1。图 5(a)为6种沥青胶浆的J_E占总柔量的百分比随蠕变时间的变化曲线，J_E占总重量的百分比表征沥青胶浆的瞬时弹性部分。可以看出，6种材料的曲线的共同特征均是J_E百分比随着蠕变时间的增加而急剧减小，最后趋于平缓，这说明荷载作用时间越长，对沥青胶浆的形变恢复越不利。M-FR1和5.5%木质素纤维掺量的沥青胶浆的J_E百分比相等且最大，其次是M-FR2、M-FR3、9.0%MiberⅢ纤维，SBS沥青单体的J_E百分比最小。可以看出，得益于纤维的加筋增强以及空间网络作用，加入纤维和复合阻燃剂后沥青胶浆的瞬时弹性柔量有所增加。

图 5 JE，JC，JV占总柔量的百分比 Fig. 5 Percentages of JE，JC，JV in total creep compliance

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图 5(b)为各种沥青胶浆的J_C占总重量的百分比。在蠕变变形后的恢复过程中，延迟弹性变形起着主导作用^[16]。可以看出，延迟弹性变形柔量J_C在总柔量中所占的比例是最大的，且J_C百分比随蠕变时间的增加呈先迅速增大后持续减小的趋势。在荷载瞬间作用下，沥青胶浆作为一种黏弹性复合材料，具备一定的延迟恢复变形的能力。但在该部分中沥青胶浆的变形恢复滞后于荷载作用，因此当蠕变时间进一步延长的时候，延迟恢复变形能力逐渐衰减。从图 11可知，J_C百分比的排序为：M-FR2＞9.0%MiberⅢ纤维＞M-FR3＞M-FR1=5.5%木质素纤维＞SBS沥青。实际上，J_C百分比与J_E百分比的和表征沥青胶浆在高温荷载作用下可恢复变形能力，因此J_C所占百分比大，对高温稳定性是有利的。从J_C百分比值来看，增加复合阻燃剂掺量会一定程度地损伤阻燃沥青胶浆的延迟弹性变形恢复能力。

图 5(c)为各种沥青胶浆J_C占总柔量的百分比。在高温时，希望材料有足够的弹性成分，利于变形恢复，因此J_V越小沥青胶浆高温抵抗变形能力就越好。6种沥青胶浆J_V百分比排序为：SBS沥青＞M-FR3＞M-FR1=5.5%木质素纤维掺量的沥青胶浆＞9.0%MiberⅢ纤维掺量的沥青胶浆＞M-FR2。综合J_E百分比、J_C百分比和J_V百分比随蠕变时间的变化规律可知，无论是木质素纤维还是MiberⅢ纤维，对沥青胶浆均有良好的高温改善作用；更重要的是纤维分散于沥青中所形成的空间网络结构使得沥青胶浆在发生变形后仍具备相当程度的瞬时和延迟弹性恢复能力。因此，具有阻燃作用和常规作用双重功能的MiberⅢ纤维用于沥青路面中，可在满足隧道沥青路面阻燃要求的前提下降低阻燃剂用量，并使沥青路面具有较好的高温稳定性。但复合阻燃剂作为一种惰性添加剂，在加入沥青后会使沥青变硬，即沥青胶浆黏性特征更为明显，但其掺量较大时对沥青胶浆的弹性恢复能力，尤其是延迟弹性变形恢复能力非常不利。

(2)累积应变γ_acc

图 6为6种沥青胶浆在第50和51次蠕变恢复周期中(总蠕变恢复时间为20 s)的累积应变发展曲线。可以看出，相比于SBS改性沥青，其他5种沥青胶浆的累积应变均明显减小，且在荷载作用时累积应变增长速度均有所减缓。在重复蠕变试验中还有一个值得关注的指标就是累积应变值γ_acc，该值表示在经历100次蠕变恢复周期后，所有残余变形的累加值。因此γ_acc值越小，代表沥青胶浆在高温时的永久变形越小，恢复变形能力越强，因而高温抗变形能力就越好。本文将每一次蠕变恢复周期末的累积应变值与时间的关系曲线绘制在图 7中，可以看出，所有沥青胶浆的累积应变曲线随蠕变周期的增多均呈线性增长。其中，SBS改性沥青累积应变发展曲线的斜率最大，表示SBS沥青在荷载作用下残余变形的发展速度最快；其次分别是M-FR3、5.5%木质素纤维掺量的沥青胶浆、9.0%MiberⅢ纤维掺量的沥青胶浆、M-FR2、M-FR1。此外，通过图 7还可以看出在重复蠕变试验结束时(t=1 000 s时)，原样SBS改性沥青、5.5%木质素纤维掺量的沥青胶浆、9.0%MiberⅢ纤维掺量的沥青胶浆以及MiberⅢ纤维复合阻燃剂复配比例为M-FR1、M-FR2、M-FR3的阻燃沥青胶浆的累积应变分别为7.17%，2.03%，1.83%，1.15%，1.44%，2.23%。因此，从累积应变指标来看，6种沥青胶浆的高温性能优劣顺序为：M-FR1、M-FR2、9.0%MiberⅢ纤维、5.5%木质素纤维、M-FR3、SBS沥青。

图 6 第50和51次蠕变恢复周期中累积应变 Fig. 6 Accumulative strain in 50 and 51 creep recovery cycle

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图 7 累积应变随时间变化图 Fig. 7 Accumulative strain varying with time

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(1)采用分段拟合法对阻燃沥青胶浆的蠕变曲线进行拟合，拟合结果与实测结果具有很好的相关性，可以准确地描述沥青胶浆在荷载作用过程中的蠕变行为。

(2)纤维和复合阻燃剂的加入均会增加阻燃沥青胶浆的蠕变劲度黏性部分G_v，其中M-FR1 和M-FR2 的G_v值相等且最大；从累积应变γ_acc指标来看，M-FR1沥青胶浆最小，其次是M-FR2。总的来说，复配比例为M-FR1和M-FR2的阻燃沥青胶浆高温性能要优于常规掺量的木质素纤维沥青胶浆。

(3)M-FR2阻燃沥青胶浆的黏性流动变形柔量J_V占总柔量J(t)的百分比最小，即J_E和J_C所占百分比之和最大，高温抗变形能力最强。

(4)综合各胶浆的蠕变力学特性，M-FR2为3种复合阻燃材料中最优的复配比例。