胎基材料對瀝青燃燒性能測試的影響*

廖雪嬌，嚴　蕾，董瑞琨

(1. 重慶大學 資源及環境科學學院，重慶 400044； 2. 重慶大學 土木工程學院，重慶 400045)

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胎基材料對瀝青燃燒性能測試的影響*

廖雪嬌1，嚴蕾2，董瑞琨2

(1. 重慶大學 資源及環境科學學院，重慶 400044； 2. 重慶大學 土木工程學院，重慶 400045)

摘要：選用玻璃棉、棉布、聚酯氈3種胎基材料分別制備瀝青、阻燃瀝青試樣，利用極限氧指數測定儀測試其點火時間、燃燒時間以及極限氧指數，分析胎基材料對瀝青、阻燃瀝青燃燒性能測試結果的影響。實驗結果表明，瀝青、阻燃瀝青試樣的LOI值會因胎基材料的不同存在差異。本次研究選用的3種胎基材料中，相較于棉布與聚酯氈，玻璃棉更適合用于制備瀝青、阻燃瀝青試樣。

關鍵詞：瀝青；氧指數；胎基材料；燃燒性能

1引言

目前瀝青阻燃性能的測試與評價，主要是參照國內外化工行業的極限氧指數(LOI)法進行[1-3]。針對瀝青與化工材料的燃燒特性之間的區別，相關專家學者研究了瀝青試樣初始溫度、點火時間、混合氣體流速、試樣狀態調節時間以及添加劑等對瀝青燃燒性能測試評價結果的影響[4-8]。瀝青作為一種特殊材料，其在低溫下凝結為固態或黏稠不易流動狀態，而當溫度高出其軟化點，瀝青轉變為具有一定流動能力的物態形式[9]。相關文獻研究發現瀝青及阻燃瀝青的著火點高達417～433 ℃，遠高于瀝青的軟化點[10]。若參考塑料等化工材料LOI的測試方法，在不借助外物的前提下，瀝青試樣在被點燃之前，就會出現熔融、流淌、滴落的現象。為解決這一問題，樊軍等提出將瀝青裝于指定容器內，在室溫下測試初始溫度為280 ℃瀝青試樣的LOI[4]。Cong P L，Bonatia Alice等利用對瀝青具有一定吸附能力的胎基材料制備瀝青試樣，使其可在室溫條件下，參照塑料等固體化工材料的標準進行LOI的測試[11-13]。相比而言，后者的應用較為廣泛。然而，胎基材料制備瀝青試樣對瀝青燃燒性能測試結果影響的研究至今仍處于空白。本文分別采用自身燃燒性能、瀝青吸附能力有所區別的3種胎基材料制備瀝青、阻燃瀝青試樣，利用極限氧指數測定儀測試其燃燒性能，分析胎基材料對瀝青、阻燃瀝青燃燒性能測試結果的影響，為選擇出適合瀝青燃燒性能測試的胎基材料打下基礎。

2實驗

2.1實驗設備

實驗儀器采用LFY-606B數顯極限氧指數測定儀，點火器材采用內徑2 mm的銅管通以液化石油氣[8]。

2.2實驗材料

實驗中瀝青選用中海油基質瀝青和SBS改性瀝青，阻燃劑選用3種阻燃瀝青常用阻燃劑，包括氫氧化鋁(ATH)、硼酸鋅(ZB)以及三氧化二銻(Sb2O3)。

實驗中用于瀝青試樣制備的胎基材料選用棉布、玻璃棉以及聚酯氈，3種胎基材料的燃燒性能存在差異。其中棉布屬于易燃材料，LOI為17.8%，遇明火后迅速被點燃，且火焰蔓延快速。玻璃棉也屬于易燃材料，其在空氣中遇明火后即刻出現陰燃現象。聚酯氈屬于難燃材料，在空氣中點火30～40 s后出現短暫燃燒，且伴有燃燒產物的滴落。

2.3瀝青試樣制備方法

胎基材料制備瀝青、阻燃瀝青試樣的主要步驟為：首先將剪裁好的大尺寸(長×寬×厚=130 mm×60 mm×4 mm)棉布、玻璃棉以及聚酯氈依次浸入到溫度為(160±5) ℃的瀝青或阻燃瀝青中，排盡氣泡后再浸泡15～20 s后拿出平放在表面涂有隔離劑的玻璃板上，在室溫下放置12 h待瀝青試樣狀態調節穩定[7]。然后將瀝青、阻燃瀝青試樣剪裁成燃燒性能測試用的小尺寸(長×寬×厚=80 mm×6 mm×4 mm)[14]。

3結果與分析

3.1對比胎基材料對瀝青的吸附能力

利用電子秤依次稱量大尺寸130 mm×60 mm×4 mm的棉布、玻璃棉、聚酯氈及其制備中海油基質瀝青與SBS改性瀝青試樣的質量，計算得到單位質量胎基材料可吸附瀝青的質量，即為胎基材料對瀝青的吸附能力，實驗結果見表1。

表13種胎基材料對瀝青吸附能力對比

Table 1 Comparison of asphalt-absorbing capacity among three supporting materials

胎基材料類型中海基質瀝青SBS改性瀝青胎基材料質量瀝青試樣質量吸附能力胎基材料質量瀝青試樣質量吸附能力棉布3.438.710.43.442.211.4玻璃棉1.448.433.61.868.537.0聚酯氈4.538.67.64.541.28.2

從表1可以看出，棉布、玻璃棉以及聚酯氈對中海油基質瀝青與SBS改性瀝青的吸附能力相差均較大。其中，單位質量棉布、玻璃棉以及聚酯氈可吸附中海油基質瀝青的質量依次為10.4，33.6以及7.6；單位質量棉布、玻璃棉以及聚酯氈可吸附SBS改性瀝青的質量依次為11.4，37.0以及8.2。對比發現，玻璃棉對兩種瀝青的吸附能力最好，是棉布與聚酯氈對瀝青吸附能力的3倍或4倍多。棉布與聚酯氈對兩種瀝青的吸附能力則相對比較接近。

3.2胎基材料對瀝青燃燒性能測試的影響

點火時間和燃燒時間是判定材料LOI的主要依據[5]。利用極限氧指數測定儀測試棉布、玻璃棉以及聚酯氈制備中海油基質瀝青和SBS改性瀝青試樣在不同氧濃度下點火時間與燃燒時間，測試結果見圖1和2。從圖1和2可以看出，無論是中海油基質瀝青還是SBS改性瀝青，不同胎基材料制備瀝青試樣所需點火時間均隨氧濃度的增大而減小，燃燒時間則隨氧濃度的增大而增大。

圖1不同胎基材料制中海油基質瀝青試樣的點火時間與燃燒時間

Fig 1 The ignite time and burning time ofbase asphalt sample with different supporting materials

圖2不同胎基材料制SBS改性瀝青試樣的點火時間與燃燒時間

Fig 2 The ignite time and burning time of SBS modified asphalt sample with different supporting materials

然而，對比相同或相近氧濃度下不同胎基材料制瀝青試樣的燃燒情況發現，棉布與玻璃棉制中海油基質瀝青和SBS改性瀝青試樣的點火時間與燃燒時間均較為接近，而聚酯氈制備的兩種瀝青試樣即使在較高氧濃度下仍需較長的點火時間，且燃燒時間很短。

另外，根據相關規范確定不同胎基材料制備中海油基質瀝青和SBS改性瀝青試樣極限氧指數(LOI)[15]，見圖3。

圖3　3種胎基材料制瀝青試樣的氧指數

Fig 3 The LOI of asphalt sample with different supporting materials

在圖3中，通過對比3種胎基材料制備瀝青試樣的LOI發現，棉布與玻璃棉制中海油基質瀝青和SBS改性瀝青試樣的LOI值較為接近，而聚酯氈制中海油基質和SBS改性瀝青瀝青試樣的LOI相比前兩者則明顯較大，最多高出4.2%。

綜合3種胎基材料制備中海油基質瀝青和SBS改性瀝青試樣的測試結果發現，棉布和玻璃棉制備瀝青試樣的點火時間、燃燒時間及LOI均較為接近，聚酯氈制瀝青試樣則相差較大。與文獻[16-17]對比，棉布與玻璃棉制備中海油基質瀝青與SBS改性瀝青試樣的LOI較為合理，而聚酯氈制兩種瀝青試樣的LOI均明顯高出其LOI的合理范疇。因此，為了更合理準確研究胎基材料對阻燃瀝青燃燒性能測試結果的影響，僅采用棉布與玻璃棉制備阻燃瀝青試樣進行LOI測試。

3.3胎基材料對阻燃瀝青燃燒性能測試的影響

采用棉布與玻璃棉制備含有不同摻量ATH、ZB以及Sb2O3的阻燃中海油基質瀝青和阻燃SBS改性瀝青試樣，利用氧指數儀測試其燃燒性能，繪制棉布與玻璃棉制備阻燃瀝青試樣LOI隨阻燃劑摻量增加的變化曲線，分析胎基材料對不同阻燃瀝青LOI值的影響。

3.3.1中海油基質瀝青及其阻燃瀝青燃燒性能

對比棉布與玻璃棉制備阻燃中海油基質瀝青試樣的LOI，分析胎基材料對阻燃中海油基質瀝青LOI的影響規律。圖4-6為胎基材料不同時，中海油基質瀝青LOI隨阻燃劑摻量增長的變化曲線。

圖4不同胎基材料時，中海油基質瀝青LOI隨ATH摻量增長的曲線

Fig 4 The LOI curves of base asphalt with ATH dosage for different supporting materials

圖5不同胎基材料時，中海油基質瀝青LOI隨ZB摻量增長的曲線

Fig 5 The LOI curves of base asphalt with ZB dosage for different supporting materials

從圖4-6可以看出，即使是添加相同摻量的同一種阻燃劑，棉布與玻璃棉制備阻燃中海油基質瀝青試樣的LOI也存在差別。圖4中，當中海油基質瀝青中未摻入ATH時，棉布制基質瀝青試樣的LOI比玻璃棉制基質瀝青試樣高出0.4%，而當中海油基質瀝青中依次添加占瀝青質量5.0%，10.0%，15.0%及20.0%的ATH時，棉布制ATH阻燃基質瀝青試樣的LOI相比玻璃棉制阻燃瀝青試樣均偏大，且兩者之間的差值隨ATH摻量的增加而增大。當ATH摻量為20.0%時，兩者之間的差值為1.6%。圖5中，當中海油基質瀝青中依次摻入占瀝青質量0.0%，5.0%，10%，15.0%以及20.0%的阻燃劑ZB時，棉布與玻璃棉制ZB阻燃基質瀝青試樣的LOI值依次相差0.4%，0%，-0.4%，-0.5%以及-0.4%，相差不大。

圖6不同胎基材料時，中海油基質瀝青LOI隨Sb2O3摻量增長的曲線

Fig 6 The LOI curves of base asphalt with Sb2O3dosage for different supporting materials

圖6中，棉布與玻璃棉制Sb2O3阻燃基質瀝青中，當Sb2O3摻量為10.0%時，兩種胎基材料制阻燃基質瀝青試樣的LOI值相差最大，但差值也僅有0.4%。從上述數據分析可以看出，棉布與玻璃棉制阻燃中海油基質瀝青試樣的LOI值僅在摻入阻燃劑ATH時存在較大差異，而當摻入阻燃劑ZB或Sb2O3時LOI差值則相對較小，不會影響阻燃基質瀝青燃燒性能的判定，可忽略不計。

3.3.2SBS改性瀝青及其阻燃瀝青燃燒性能

對比棉布與玻璃棉制阻燃SBS改性瀝青試樣的LOI值，分析胎基材料對阻燃SBS改性瀝青LOI的影響規律。圖7-9為胎基材料不同時，SBS改性瀝青LOI隨阻燃劑摻量增長的變化曲線。

圖7不同胎基材料時，SBS改性瀝青LOI隨ATH摻量增長的曲線

Fig 7 The LOI curves of SBS modified asphalt with ATH dosage for different supporting materials

從圖7-9可以看出，即使是添加相同摻量的同一種阻燃劑，棉布與玻璃棉制阻燃SBS改性瀝青試樣的LOI存在差別，但兩者之間的差值均很小。圖7中，當在SBS改性瀝青依次添加占SBS改性瀝青質量為5.0%，10.0%，15.0%以及20.0%的阻燃劑ATH時，棉布與玻璃棉制ATH阻燃SBS改性瀝青試樣LOI的差值依次為0.3%，0.1%，0.4%以及0.2%，最大差值僅有0.4%。圖8中，棉布與玻璃棉制ZB阻燃SBS改性瀝青試樣的LOI值，在ZB摻量為20.0%時相差最大，但差值僅有0.2%。

圖8不同胎基材料時，SBS改性瀝青LOI隨ZB摻量增長的曲線

Fig 8 The LOI curves of SBS modified asphalt with ZB dosage for different supporting materials

圖9不同胎基材料時，SBS改性瀝青隨Sb2O3摻量增長的曲線

Fig 9 The LOI curves of SBS modified asphalt with Sb2O3dosage for different supporting materials

圖9中，當Sb2O3摻量為15.0%時，棉布與玻璃棉制備Sb2O3阻燃SBS改性瀝青試樣LOI的差值最大，但也僅相差0.4%。從上述數據分析可以看出，對于分別添加了阻燃劑ATH、ZB或Sb2O3的SBS改性瀝青，棉布與玻璃棉對其LOI測試結果的影響均較小，不會影響阻燃SBS改性瀝青燃燒性能的判定。

4討論

通過對比棉布、玻璃棉和聚酯氈3種胎基材料制中海油基質瀝青與SBS改性瀝青試樣燃燒性能的測試結果(點火時間、燃燒時間以及LOI)發現，不同胎基材料制瀝青試樣燃燒性能的測試結果之間存在差異，其中棉布與玻璃棉制瀝青試樣的測試結果較為接近，而聚酯氈制瀝青試樣的測試結果則與前兩者相差較大。從3種胎基對瀝青材料的吸附能力方面來看，雖單位質量棉布與聚酯氈可吸附的瀝青質量較為接近，但兩者制備瀝青試樣的測試結果卻相差較大。雖單位質量棉布與玻璃棉可吸附的瀝青質量相差較大，但兩者制備瀝青試樣的測試結果卻相對比較接近。可見，胎基材料對瀝青的吸附能力對瀝青燃燒性能的測試結果影響較小。從3種胎基材料的燃燒性能來看，棉布與玻璃棉在空氣中遇明火后迅速燃燒，棉布為明火燃燒，玻璃棉為陰燃，均屬于易燃材料。而聚酯氈在空氣中即使較長時間點火后也僅能維持數秒燃燒，且伴有燃燒產物滴落的現象，屬于難燃材料，燃燒性能與前兩者相差較大。3種胎基材料燃燒性能彼此之間的規律與胎基材料制備瀝青試樣燃燒性能測試結果之間的規律基本相同。可見，胎基材料自身的燃燒性能是影響未添加阻燃劑瀝青材料燃燒性能測試結果的主要因素。

對比棉布與玻璃棉制備阻燃中海油基質瀝青和阻燃SBS改性瀝青的LOI值發現，本研究選用的六種阻燃瀝青中，僅ATH阻燃基質瀝青試樣的LOI因胎基材料不同而存在較大差異。特別是阻燃劑ATH的摻量為20%時，棉布制ATH阻燃基質瀝青試樣的LOI相比玻璃棉制ATH阻燃基質瀝青試樣高出1.6%，相差較大，明顯高于其它阻燃瀝青試樣。究其原因主要是：(1) 道路瀝青的軟化點是指在一定外力存在下，瀝青受熱從固體或黏稠不易流動的物態轉變為具有一定流動能力物態時的溫度[9]。實驗中選用中海油基質瀝青與SBS改性瀝青的軟化點分別為49.5與81.5 ℃，在高溫條件下，SBS改性瀝青相較中海油基質瀝青黏稠。在瀝青試樣接受點火的過程中，中海油基質瀝青試樣相比SBS改性瀝青更容易產生熔融、流淌現象，增加其在燃燒過程中的熱量損失。而棉布對瀝青的吸附能力不足玻璃棉的1/3，吸附能力較差，更加劇了基質瀝青試樣在燃燒過程中的熱量損失，從而導致棉布制阻燃基質瀝青試樣的LOI相比玻璃棉制偏大；(2) 在測試阻燃基質瀝青燃燒性能的過程中發現，僅ATH阻燃基質瀝青在燃燒時出現了嚴重的流淌現象。當ATH的摻量為5%時，試樣燃燒時瀝青的流淌長度有2 cm，而當ATH的摻量達到20%時，瀝青流淌長度則增至5～6 cm。可見，ATH阻燃劑的摻入提高了基質瀝青在高溫下的流動性，特別是對于采用瀝青吸附能力較差的棉布制備瀝青試樣，燃燒時更容易出現流淌現象，熱量損失增大，導致ATH阻燃基質瀝青試樣的LOI值明顯偏高。因此，為了使氧指數法能夠更準確、合理地測試阻燃瀝青的燃燒性能，避免阻燃劑的加入提高瀝青在高溫下的流動能力，應選用具有較強吸附能力的胎基材料玻璃棉制備瀝青試樣。

5結論

(1)胎基材料對瀝青的吸附能力與胎基材料自身的燃燒性能都會影響瀝青燃燒性能的測試結果，且后者的影響程度相對較大。

(2)相對于棉布、聚酯氈，玻璃棉自身的燃燒性能對瀝青、阻燃瀝青燃燒性能測試結果影響較小，且玻璃棉對瀝青具有良好的吸附能力，可減少瀝青受熱燃燒過程中因滴落、流淌引起的熱量流失，更能合理準確測試瀝青材料的燃燒性能。

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The influence of the supporting materials on the test results of asphalt combustibility performance

LIAO Xuejiao1，YAN Lei2，DONG Ruikun2

Abstract:Three types of supporting materials, such as glass wool, cotton and polyester felt, were selected to produce the samples of asphalt and flame retardant asphalt. Ignition time, burning time and the limit oxygen index (LOI) were tested by digital oxygen index instrument. The influence of the supporting materials on the combustibility performance of asphalt and flame retardant asphalt were discussed. The experiment results indicated that the LOI of asphalt and flame retardant asphalt samples were different due to the differences of supporting materials. Glass wool was best suited for producing the samples of asphalt and flame retardant asphalt among glass wool, cotton and polyester felt.

Key words:asphalt; limit oxygen index; supporting material; combustibility

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.01.049

文獻標識碼：A

中圖分類號：U414；U416.217；TU535

作者簡介：廖雪嬌(1986-)，女，重慶人，在讀博士，師承唐建新教授，主要從事巖石力學與安全工程方面的研究工作。

基金項目：國家國際科技合作專項資助項目(2013DFR50550)；重慶市交通委員會科技計劃重點資助項目(渝交科字[2008]31號)

文章編號：1001-9731(2016)01-01229-05

收到初稿日期：2015-09-30 收到修改稿日期：2015-12-20 通訊作者：董瑞琨，E-mail: drkcqu@163.com