煤礦巷道瀝青路面阻燃技術研究現狀

王文亮

(寧夏煤礦設計研究院有限責任公司，寧夏銀川 750021)

煤礦輔助運輸巷道路面的結構形式主要分為水泥混凝土路面、瀝青路面和復合型路面三種。相比較而言，水泥混凝土路面鋪裝需要進行接縫處理、表面平整性相對較差、易產生揚塵、路面噪聲大、抗滑性差，易發生交通事故。水泥路面一旦損壞，養護維修困難［1，2］。復合型路面形式，系指在水泥混凝土路面上加鋪瀝青層復合而成的整體性結構［3］。由于兩種材料模量的差異較大，呈現明顯的變形不協調性，加之復合型路面容易產生反射裂縫、脫層及坑槽等病害，耐久性較差，因此并未廣泛使用［4］。瀝青路面因其良好的抗滑性、平整性、吸音性且養護容易更適應隧道內部的特殊氣候與環境。因此，目前巷道路面鋪裝趨于使用瀝青路面結構。但問題也隨之而來，瀝青具有可燃性，燃燒后會釋放出大量煙霧和有毒氣體［5］。一旦火災發生，受巷道內部封閉性的限制，煙霧和有毒氣體不能較快擴散，輕者引起道路交通中斷、巷道設施和內部結構的破壞，重者會造成嚴重的人員傷亡和經濟損失。世界上很多國家都曾發生過嚴重的隧道火災事故。因此，為保證隧道內行車安全，開展瀝青路面的阻燃抑煙性能研究，是十分有必要的。

1 阻燃劑阻燃機理

瀝青的燃燒是一個放熱和分解的物理過程，進行瀝青阻燃抑煙研究，就是研究如何提高瀝青熔點和分解溫度，減少有毒氣體產生［6］。對此，目前最為簡單有效的阻燃辦法，就是將阻燃劑摻入瀝青中制成阻燃瀝青。而阻燃劑的阻燃機理大致分為吸熱、抑制鏈反應、物理覆蓋和不燃氣體自熄四種。實際使用中，多種阻燃機理大多同時作用。以APFR復合阻燃劑為例:燃燒初期，阻燃劑中氮磷系成分發生分解，生成的粘稠狀半固態物質和游離基，覆蓋于瀝青表面以隔絕氧氣和熱量。游離基捕捉H+和OH－游離基，使其濃度下降，燃燒鏈式反應難以進行;在燃燒中期和后期，抑煙成分分解，煙霧濃度降低;同時，鋁系及鎂系阻燃成分在反應過程中生成水，和反應本身的吸熱過程有效地降低了體系溫度，最終達到了阻燃的目的［7］。

2 常見的阻燃劑

常見的阻燃劑有有機鹵素化合物阻燃劑、磷系阻燃劑、銻系阻燃劑、氮系阻燃劑、磷—氮系阻燃劑、氫氧化鋁、氫氧化鎂、硼酸鋅等。阻燃劑既可以單獨使用，也可以協同作用，達到更好的阻燃效果。氫氧化鋁作為一種廉價的無機阻燃劑，在230℃～350℃時分解揮發出水蒸氣，達到阻燃的目的。試驗發現氫氧化鋁對瀝青同時有很好的抑煙作用，但在添加量較少時，氫氧化鋁的阻燃作用不佳［8］。紀倫等［9］試驗發現摻入礦粉、氫氧化鋁制成的阻燃瀝青(A-T阻燃體系)具有吸熱、覆蓋、稀釋多重阻燃機理，放熱及發煙特性均優于基質瀝青，通過添加方式可以實現瀝青的阻燃，達到材料的自熄指標。而鈦酸酯阻燃劑和阻燃增效劑硼酸鋅二者協同作用，則提高了阻燃瀝青的熱穩性和阻燃性，增加了實際成炭量［10］。隨著國家對隧道瀝青路面阻燃要求的提高，復合阻燃劑和環保型阻燃劑也受到了越來越多學者的青睞。摻入十溴二苯乙烷、硼酸鋅和氫氧化鎂(比例5∶4∶1)混合物的復合阻燃劑與原瀝青相容性好，使阻燃SBS改性瀝青物理性能滿足標準的同時，達到了阻燃的目的［11］。APFR隧道路面專用復合阻燃劑作為一種環保的無鹵素阻燃劑，因其摻量小、阻燃效果好、性價比高等優點，已在國內多條隧道中進行了鋪裝使用，且技術成熟［12］。

3 阻燃瀝青路用性能研究

阻燃瀝青在具有阻燃效果的同時，還應具有良好的路用性能、足夠耐久性和穩定性，不影響瀝青的使用性能和使用壽命。嚴軍等［13］在評價加入8%FRMAX阻燃劑的SBS改性瀝青的主要技術指標時發現，阻燃瀝青的針入度、軟化點、閃點等指標變化不大，只有延度變化明顯，降低9 cm，但變化后延度滿足技術要求。通過車轍試驗、小梁彎曲試驗、水穩定性試驗，胡中華［14］同樣證明，添加環保阻燃劑的阻燃瀝青與SBS改性瀝青路用性能相比變化不大。以三氧化二銻和十溴二苯醚為復合阻燃劑，以氫氧化鎂和氫氧化鋁為抑煙劑，制備的阻燃型SBS改性瀝青，在取得較好的阻燃效果的同時，通過薄膜烘箱加速老化試驗，明確了阻燃型SBS改性瀝青比基質瀝青具有較高的老化活化能、較低的老化速率，抗老化性能好［15］。因阻燃瀝青良好的路用性能和阻燃效果，近年來多條已通車隧道瀝青路面做了阻燃處理，如:重慶渝和高速公路上北磅隧道施工中添加了溴系阻燃劑;安徽沿江高速公路YJ1-LM02合同段隧道瀝青中添加了FRMAXTM阻燃改性劑。經國家防火建筑材料質量監督檢驗中心檢測，檢測結果表明瀝青混合料達到了阻燃要求。

4 阻燃瀝青阻燃性能的測試方法

關于如何測定阻燃瀝青阻燃性能，國內并沒有明確的測定方法，不同的學者根據不同放熱方法進行測定，測定方法主要有以下幾種:

1)極限氧指數法:在規定的試驗條件下，被測樣品在氧、氮混合氣流中維持平穩燃燒時所需的最低氧濃度。彭丹［16］試驗發現加入阻燃劑后瀝青氧指數提高，其中阻燃劑摻量為20%時，為最優摻量，此時氧指數變化曲線趨于水平。許陽貴等［17］選用硼酸鋅、氫氧化鎂和聚磷酸銨，三種阻燃劑進行氧指數試驗，結果發現SBS改性瀝青的氧指數為20.6%，加入阻燃劑之后，各種阻燃改性瀝青的氧指數均在22%以上，且摻量越多，氧指數越大。

2)錐形量熱試驗:將試驗中所有的燃燒產物都收集起來并精確地測出氣體的流速和氧氣的濃度，就可根據氧濃度的變化算出材料燃燒時熱釋放量。嚴偉［18］進行了錐形量熱燃燒試驗，在改性瀝青混合料中加入12%溴—銻復合阻燃劑，發現阻燃瀝青引燃時間明顯增長，總熱釋放量明顯降低。

3)差熱分析方法:某種在一定試驗溫度下不發生任何化學反應和物理變化的穩定物質(參比物)與等量的未知物在相同環境中等速變溫的情況下相比較，溫度出現暫時的增高或降低。降低表現為吸熱反應，增高表現為放熱反應［19］。孫莉安［20］試驗后發現:在差熱分析試驗中阻燃瀝青明顯發生了化學分解吸熱反應，阻燃劑達到推遲燃燒、阻止燃燒的作用。

4)UL94試驗方法是由美國保險商實驗室提出的，現在世界上很多國家用來測試塑料的燃燒性能的方法，主要分為水平和垂直兩種燃燒方法。試驗測試后，根據試驗結果將材料的燃燒性能按照阻燃等級由低到高分為 V-2，V-1，V-0，5-V四級。董芃伯［21］進行了添加12%聚磷酸銨阻燃劑的改性瀝青試樣的UL94垂直燃燒試驗，阻燃等級達到了V-0級，說明聚磷酸銨阻燃劑具有良好的阻燃性能。

5)煙密度法是一種常用的評價抑煙性指標的方法。通常情況下，抑煙往往比阻燃更重要。煙密度法定義為規定暴露面積的試件在規定容積的煙箱內燃燒產生煙霧，測定平行光束在煙霧中穿過單位光路長的透光率變化，再計算比光密度D［22］。

5 不足與展望

雖然國內外許多學者對阻燃瀝青展開了一系列研究，也取得了很多優秀的科研成果。但阻燃瀝青的發展仍然存在以下幾點問題:

1)我國使用的阻燃劑中，鹵系阻燃劑比例過高，無機型阻燃劑用量較少。實際使用比較多且具有良好阻燃效果的阻燃劑十溴二苯醚在阻燃過程中甚至會分解出有毒氣體，且成本較高［23］。大力研發廉價、安全、高效的環保型阻燃劑已經成為必然。2)目前國內外對阻燃瀝青的阻燃性能雖然存在多種測試方法(筆者提到了其中四種測試方法)，但即使采用同種方法，測試結果也相差較大。為了測試結果精確、可比，應提出更完善的阻燃性能評價體系。3)有些研究只是針對瀝青結合料而不是針對瀝青混合料，實際上二者的阻燃性能有著較大的差異，尤其是某些改性劑的加入更有可能改變其阻燃性能［24］。4)一些阻燃劑的有效成分可能在運輸、鋪裝過程中揮發，阻燃效果不明顯。

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