新型高效瀝青阻燃劑燃燒試驗(yàn)分析

馬建兵 李 波 王 強(qiáng)

(1蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州730030)

隨著瀝青路面在隧道中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，隧道瀝青路面的防火安全問(wèn)題也越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外的關(guān)注[1，2]。瀝青是可燃材料，使得瀝青混凝土路面在隧道中的運(yùn)用存在火災(zāi)隱患。研究阻燃瀝青混凝土，使瀝青混凝土阻燃性能滿足隧道應(yīng)用的條件具有積極的意義。

瀝青和其它石油餾分一樣屬于高分子材料，并具有高分子材料的共性，如可燃性、粘彈性等，這就為瀝青的阻燃改性的可能性提供了理論依據(jù)，從結(jié)構(gòu)和組成上具備阻燃改性的可能性，并制備出了多種瀝青阻燃劑[3，4]。但是，市場(chǎng)上有不同種類的瀝青阻燃劑，其中以無(wú)機(jī)類阻燃劑氫氧化鋁、氫氧化鎂為主，此類阻燃劑雖然價(jià)格低廉，但用量都較大（瀝青用量的20%）。大摻量的阻燃劑不但會(huì)影響到瀝青的各項(xiàng)路用性能，而且總體來(lái)看價(jià)格并不便宜。甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司和蘭州交通大學(xué)《隧道溫拌阻燃改性瀝青路面施工技術(shù)研究》課題組通過(guò)采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)阻燃劑進(jìn)行表面改性來(lái)改善其與瀝青的相容性，制備了低摻量高效的瀝青阻燃劑[5，6]。在對(duì)瀝青阻燃劑阻燃性能評(píng)價(jià)時(shí)，考慮到瀝青阻燃劑的使用時(shí)間不長(zhǎng)，我國(guó)現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（F40-2004）中缺少瀝青阻燃劑及阻燃瀝青的評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)，工程單位在實(shí)際使用中無(wú)法對(duì)其進(jìn)行合理的檢驗(yàn)和選擇。而研究領(lǐng)域?qū)ζ渥枞夹阅艿脑u(píng)價(jià)多參考高分子材料的阻燃性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)方法：氧指數(shù)試驗(yàn)法、水平及垂直燃燒測(cè)定法、錐形(Cone)量熱儀法、熔融流淌時(shí)間和耐燒穿時(shí)間測(cè)定法、煙密度試驗(yàn)法、標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)房法、煙氣毒性法、ASTME-108法等。其中，對(duì)瀝青路面阻燃性能的評(píng)價(jià)多采用氧指數(shù)試驗(yàn)法。由于氧指數(shù)儀的尚未普及，本研究采用了直接燃燒法對(duì)研發(fā)的阻燃劑的燃燒特性進(jìn)行了分析。

1 原材料

1.1 瀝青

本次實(shí)驗(yàn)主要選用了克拉瑪依SBS I-C改性瀝青，其基本性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 基準(zhǔn)改性瀝青性能檢測(cè)

1.2 新型高效阻燃劑的制備

將氫氧化鋁（Al(OH)3、氫氧化鎂（Mg(OH)2、聚磷酸銨（APP）三種原材料按一定比例置于剪切機(jī)中，剪切5min左右，即形成本實(shí)驗(yàn)的中間體，簡(jiǎn)稱為ZFR。根據(jù)相似相容原理，當(dāng)中間體（ZFR）分散于極性很小的瀝青中時(shí)，因極性的差別，二者相容性很差，從而對(duì)阻燃瀝青的貯存穩(wěn)定性和力學(xué)性能帶來(lái)不良影響。因此需對(duì)中間體表面進(jìn)行改性，通過(guò)化學(xué)或物理的方法使其表面極性接近于瀝青而改善其相容性是十分必要的。

目前，表面改性方法很多，有表面活性劑處理、偶聯(lián)處理以及有機(jī)高分子處理等，但最常見(jiàn)、最有效的處理方法還是偶聯(lián)處理。本研究主要選取鈦酸酯偶聯(lián)劑對(duì)中間體進(jìn)行表面改性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定改性劑的合理用量。并將通過(guò)鈦酸酯偶聯(lián)劑改性之后的阻燃改性劑簡(jiǎn)稱為ZFR-Ti。

2 阻燃瀝青燃燒性能檢測(cè)方案

2.1 阻燃瀝青燃燒性評(píng)價(jià)直觀方法的選擇

方案一：取適量試驗(yàn)瀝青，倒入燃燒皿中，稱出瀝青與燃燒皿的質(zhì)量，冷卻后倒入少量的汽油，引燃，充分燃燒后測(cè)出剩余物質(zhì)與燃燒皿的質(zhì)量；

方案二；取適量試驗(yàn)瀝青，倒入燃燒皿中，稱出瀝青與燃燒皿的質(zhì)量，冷卻后放置在電熱爐上進(jìn)行加熱，充分燃燒后測(cè)出剩余物質(zhì)與燃燒皿的質(zhì)量。

2.2 阻燃瀝青燃燒性評(píng)價(jià)直觀方法的優(yōu)化

采用以上兩種方案進(jìn)行阻燃瀝青燃燒試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它們存在很多缺點(diǎn)：

方案一：該方案易于引燃，但整個(gè)燃燒過(guò)程只有少量表面瀝青可以被點(diǎn)燃，主要燃燒的物質(zhì)是汽油，汽油燃燒溫度不足以引燃瀝青，瀝青無(wú)法充分燃燒；

方案二：該方案燃燒瀝青較為充分，但較難引燃，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程需要加熱很長(zhǎng)時(shí)間，由于用的是電熱爐，長(zhǎng)期加熱無(wú)法保證其安全性，可能對(duì)試驗(yàn)人員有危險(xiǎn)。

經(jīng)過(guò)對(duì)上述兩種方案的比較，最后綜合二者優(yōu)點(diǎn)，制定了較為安全合理的實(shí)驗(yàn)方案：取適量試驗(yàn)瀝青，倒入燃燒皿中，稱出瀝青與燃燒皿的質(zhì)量，然后放置在電熱爐上進(jìn)行加熱，加熱到220℃后加入適量汽油，引燃汽油，充分燃燒后測(cè)出剩余物質(zhì)與燃燒皿的質(zhì)量。

3 阻燃瀝青燃燒試驗(yàn)表觀分析

嚴(yán)格按照上述方案ZFR-Ti阻燃瀝青、ZFR阻燃瀝青和克煉SBS I-C改性瀝青進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，觀察其燃燒過(guò)程中的表觀狀況。

3.1 ZFR-Ti阻燃瀝青燃燒

加入少量汽油，加熱ZFR-Ti到約220℃時(shí)，即可燃燒，觀察其燃燒，火焰開(kāi)始較小，中期火焰較高并發(fā)出了大量的黑煙，燃燒時(shí)間總計(jì)5分12秒。火焰熄滅后，觀察剩余物，其表面形成了一層殼狀物，約2mm左右的膜，傾倒時(shí)發(fā)現(xiàn)底面部分瀝青未燃燒，能夠流淌出來(lái)（如圖1）。火焰燃燒時(shí)邊緣火焰高于中間部分。

圖1 ZFR-Ti阻燃瀝青燃燒的表觀

3.2 ZFR阻燃瀝青燃燒

引燃后火焰為較小，后逐漸變大。火焰高度前期較低，后期較高。剛開(kāi)始燃燒時(shí)邊緣火焰較旺，后來(lái)整體火勢(shì)差不多。燃燒后傾倒，底部無(wú)殘余瀝青。燃燒后也會(huì)產(chǎn)生一層膜，膜厚度約為2mm左右。中部、下部呈氣泡狀（圖2），底層有相當(dāng)厚的灰燼。

圖2 ZFR阻燃瀝青燃燒的表觀

3.3 克煉SBS I-C改性瀝青燃燒

大約在200℃時(shí)即可以引燃燃燒。燃燒時(shí)間較長(zhǎng)，為6分45秒。燃燒時(shí)火焰較大，從邊緣到中央各部分火勢(shì)均差不多，無(wú)較大區(qū)別。燃燒過(guò)程伴有黑煙，燃燒較為完全，燃燒后產(chǎn)生較厚的薄膜，底部基本無(wú)剩余瀝青（圖3）。

圖3 克煉SBS I-C改性瀝青燃燒后

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

ZFR-Ti阻燃瀝青、ZFR阻燃瀝青和克煉SBS I-C改性瀝青進(jìn)行燃燒試驗(yàn)前后的質(zhì)量變化見(jiàn)表1。

表1 基準(zhǔn)瀝青及阻燃瀝青燃燒試驗(yàn)前后的質(zhì)量變化

從表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，阻燃瀝青具有一定的阻燃效果，其中由ZFR-Ti阻燃劑制成的ZFR-Ti阻燃瀝青的阻燃效應(yīng)比ZFR阻燃劑好。

（1）從時(shí)間上來(lái)看，相同質(zhì)量的原料，ZFR-Ti阻燃瀝青燃燒時(shí)間最短，說(shuō)明添加阻燃劑后的瀝青可以較有效的抑制瀝青的燃燒，縮短燃燒時(shí)間對(duì)隧道救援有很重要的意義；

（2）從引燃溫度上來(lái)看，ZFR-Ti阻燃瀝青的引燃溫度較高，說(shuō)明阻燃劑的添加降低了瀝青整體的燃點(diǎn)，間接提高了瀝青材料的安全性；

（3）從燒失量和燃燒后剩余瀝青的狀態(tài)上來(lái)看，ZFR-Ti阻燃瀝青的燒失量最小，且明顯燃燒后殘余較大量流質(zhì)的瀝青，說(shuō)明ZFR-Ti阻燃瀝青起到了一定的阻燃效應(yīng)，使部分瀝青無(wú)法燃燒；

（4）從燃燒時(shí)火焰火勢(shì)的分布情況來(lái)看，ZFR-Ti阻燃瀝青在燃燒時(shí)中間部分的燃燒受到了部分抑制，降低了火勢(shì)，在隧道中使用可降低逃生時(shí)的難度。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在分析了部分文獻(xiàn)中阻燃劑燃燒法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出的瀝青直接燃燒法可以在一定程度上反映制備的新型高效瀝青阻燃劑的燃燒特性。

（2）制備的ZFR-Ti阻燃瀝青燃燒時(shí)間最短，引燃溫度較高，燒失量最小，且明顯燃燒后殘余較大量流質(zhì)的瀝青，能夠在一定程度上抑制阻燃瀝青在燃燒時(shí)中間部分的燃燒。

（3）添加制備的ZFR-Ti阻燃劑后的瀝青可以較有效的抑制瀝青的燃燒，縮短燃燒時(shí)間對(duì)隧道救援有很重要的意義。

（4）由于實(shí)驗(yàn)中為了安全起見(jiàn)，使用的瀝青的量較少，所以無(wú)法較為直觀的表現(xiàn)出阻燃劑的抑煙作用。

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