隧道路面用復(fù)配無機(jī)阻燃劑改性瀝青性能評價

蘭 翔

(陜西高速公路工程咨詢有限公司，陜西 西安 710064)

近年來隨著高等級公路建設(shè)進(jìn)入新階段，大量的長大隧道路面鋪裝開始采用瀝青混凝土路面。然而，隧道空間封閉狹長，交通事故頻發(fā)，一旦發(fā)生火災(zāi)，隧道內(nèi)部煙霧和溫度不易排出，能見度急劇下降，同時由于瀝青混合料中瀝青燃燒產(chǎn)生大量有害氣體，嚴(yán)重威脅到人員生命財(cái)產(chǎn)安全。目前瀝青中阻燃劑應(yīng)用類型較多，主要分為無機(jī)阻燃劑、鹵系阻燃劑、磷系阻燃劑和氮系阻燃劑等。無機(jī)填充型阻燃劑常用的品種有氫氧化鋁、氫氧化鎂、陶土、水合硅酸鎂、碳酸鈣、無機(jī)磷、硼酸鹽、氧化銻、鉬化物等。

為進(jìn)一步發(fā)揮無機(jī)阻燃劑的優(yōu)勢，本文以研制一種復(fù)配型無機(jī)阻燃復(fù)合改性劑為目標(biāo)，依托瀝青燃燒性能試驗(yàn)和基本性能試驗(yàn)，優(yōu)化各種材料的組成比例，為隧道阻燃瀝青混合料進(jìn)一步研究與應(yīng)用奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 瀝青制樣方法

本研究采用濕法改性來制備復(fù)合改性瀝青，首先取1～2 kg改性瀝青進(jìn)行脫水；將瀝青試樣在170 ℃保溫1 h；啟動高速剪切儀，轉(zhuǎn)速控制在300 r/min；將改性劑加入瀝青中，此時轉(zhuǎn)速升至5 000 r/min，剪切5 min后制備成復(fù)合改性瀝青，即可澆樣得到各種性能測試用試樣。

1.2 瀝青阻燃性能測試

極限氧指數(shù)法常用于評價瀝青材料的燃燒性能，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，剛好能維持材料燃燒時，通入的氧氮混合氣中以體積百分?jǐn)?shù)表示的最低氧濃度，以氧氣所占的體積百分?jǐn)?shù)計(jì)算。目前國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和許多國家都采用此方法來評價聚合物材料的燃燒性能，計(jì)算公式為

(1)

式中：[O]為臨界氧濃度時混合氣流中氧氣的體積流量，L/min；[N]為臨界氧濃度時混合氣流中氮?dú)獾捏w積流量，L/min；LOI為極限氧指數(shù)，%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 阻燃劑單獨(dú)添加對瀝青性能的影響規(guī)律

將氫氧化鋁(A)、氫氧化鎂(B)分別單獨(dú)摻入SBS改性瀝青中，在不同摻量下復(fù)合改性瀝青氧指數(shù)測試結(jié)如圖1所示。兩種阻燃劑摻入后，均能有效提高瀝青的阻燃性能，且瀝青的氧指數(shù)值隨著阻燃劑摻量的增加逐步提高。氫氧化鋁摻量達(dá)到20%時，氧指數(shù)值出現(xiàn)LOI變化拐點(diǎn)；氫氧化鎂阻燃劑在12.5%摻量時出現(xiàn)LOI變化拐點(diǎn)。

圖1 兩種阻燃劑不同摻量對瀝青LOI的影響

將氫氧化鋁(A)、氫氧化鎂(B)按一定比例摻入SBS改性瀝青中，其三大指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示。表中結(jié)果表明，隨著氫氧化鋁和氫氧化鎂阻燃劑摻量的增加，阻燃瀝青的針入度和延度逐漸降低，軟化點(diǎn)無明顯變化。

表1 氫氧化鋁(A)、氫氧化鎂(B)阻燃瀝青三大指標(biāo)檢測結(jié)果

2.2 阻燃劑復(fù)配添加對瀝青性能的影響規(guī)律

通過上述數(shù)據(jù)可得出，氫氧化鋁和氫氧化鎂摻量小于10%時，氫氧化鎂阻燃瀝青的氧指數(shù)值明顯大于氫氧化鋁阻燃瀝青的氧指數(shù)值；而當(dāng)摻量大于10%時，氫氧化鋁的效果更佳明顯。為了充分發(fā)揮兩者的阻燃效果，將兩者進(jìn)行復(fù)配，使其形成協(xié)效阻燃系統(tǒng)。從二者對瀝青阻燃和物理性能影響結(jié)果可知，二者摻量為20%時其氧指數(shù)值均大于隧道路面要求的下限值23。因此考慮將二者復(fù)配后按瀝青質(zhì)量的20%摻入SBS改性瀝青中測定其極限氧指數(shù)和瀝青指標(biāo)性能，從而確定復(fù)配比例。由圖2試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)氫氧化鋁和氫氧化鎂摻配比例為3∶1時，氧指數(shù)比單獨(dú)使用氫氧化鋁時提高了1.1，阻燃效果明顯有所提升。

圖2 氫氧化鋁/氫氧化鎂不同復(fù)配比對LOI的影響

當(dāng)摻配比例為1∶1時復(fù)配瀝青氧指數(shù)只有24.8，當(dāng)摻配比例為2∶1時，氧指數(shù)相比單獨(dú)使用氫氧化鋁時略有升高，這是因?yàn)闅溲趸X比例較小，隨著溫度的升高，氫氧化鋁發(fā)生分解反應(yīng)產(chǎn)生的氧化物不能有效起到隔熱隔氧的作用。當(dāng)摻配比例為4∶1時，相比于前兩種摻配比例其氧指數(shù)有所提升，由于此摻配比例下氫氧化鋁所占比例較高，在初始燃燒過程中，氫氧化鋁分解反應(yīng)所產(chǎn)生的氧化物附著在瀝青表面，很好的抑制了燃燒的進(jìn)一步進(jìn)行，當(dāng)氫氧化鋁分解完成溫度升高后，氫氧化鎂開始參與分解反應(yīng)，但氫氧化鎂的摻量較少，已經(jīng)不能很好抑制燃燒的進(jìn)行，因此較3∶1比例時有所下降。

表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，SBS改性瀝青針入度和延度都隨著不同復(fù)配比例阻燃劑的摻入有一定的降低，復(fù)配阻燃劑對瀝青針入度影響相比于單一阻燃劑的影響差異性不大。關(guān)于延度指標(biāo)，復(fù)配阻燃劑對應(yīng)改性瀝青的延度指標(biāo)降低程度要小于單獨(dú)阻燃劑對應(yīng)改性瀝青。根據(jù)復(fù)配無機(jī)阻燃體系對SBS改性瀝青物理性能(延度、針入度、軟化點(diǎn))及燃燒性能(極限氧指數(shù))的影響綜合考慮，確定無機(jī)阻燃體系的最佳復(fù)配比例為3∶1，其總摻量為瀝青質(zhì)量的20%。

表2 氫氧化鋁/氫氧化鎂阻燃瀝青三大指標(biāo)檢測結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)氫氧化鋁、氫氧化鎂單獨(dú)摻入SBS改性瀝青后，隨摻量增加瀝青阻燃性能逐漸提升，摻量大于20%時氧指數(shù)值均滿足隧道路面要求的下限值23。

(2)氫氧化鋁、氫氧化鎂單獨(dú)摻入SBS改性瀝青，隨摻量增加針入度、延度指標(biāo)均顯著降低，軟化點(diǎn)無明顯變化。

(3)氫氧化鋁和氫氧化鎂復(fù)配阻燃劑具有協(xié)同阻燃效果，當(dāng)兩者摻配比例為3∶1且總摻量為瀝青質(zhì)量的20%時，阻燃效果提升最為明顯。