隧道路面用復配無機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進入新階段，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，一旦發生火災，隧道內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生大量有害氣體，嚴重威脅到人員生命財產安全。目前瀝青中阻燃劑應用類型較多，主要分為無機阻燃劑、鹵系阻燃劑、磷系阻燃劑和氮系阻燃劑等。無機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、無機磷、硼酸鹽、氧化銻、鉬化物等。

為進一步發揮無機阻燃劑的優勢，本文以研制一種復配型無機阻燃復合改性劑為目標，依托瀝青燃燒性能試驗和基本性能試驗，優化各種材料的組成比例，為隧道阻燃瀝青混合料進一步研究與應用奠定試驗基礎。

1 試驗方法

1.1 瀝青制樣方法

本研究采用濕法改性來制備復合改性瀝青，首先取1～2 kg改性瀝青進行脫水；將瀝青試樣在170 ℃保溫1 h；啟動高速剪切儀，轉速控制在300 r/min；將改性劑加入瀝青中，此時轉速升至5 000 r/min，剪切5 min后制備成復合改性瀝青，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

極限氧指數法常用于評價瀝青材料的燃燒性能，在規定的試驗條件下，剛好能維持材料燃燒時，通入的氧氮混合氣中以體積百分數表示的最低氧濃度，以氧氣所占的體積百分數計算。目前國際標準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氣的體積流量，L/min；LOI為極限氧指數，%。

2 試驗結果與分析

2.1 阻燃劑單獨添加對瀝青性能的影響規律

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

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，其三大指標檢測結果如表1所示。表中結果表明，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)阻燃瀝青三大指標檢測結果

2.2 阻燃劑復配添加對瀝青性能的影響規律

通過上述數據可得出，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值明顯大于氫氧化鋁阻燃瀝青的氧指數值；而當摻量大于10%時，氫氧化鋁的效果更佳明顯。為了充分發揮兩者的阻燃效果，將兩者進行復配，使其形成協效阻燃系統。從二者對瀝青阻燃和物理性能影響結果可知，二者摻量為20%時其氧指數值均大于隧道路面要求的下限值23。因此考慮將二者復配后按瀝青質量的20%摻入SBS改性瀝青中測定其極限氧指數和瀝青指標性能，從而確定復配比例。由圖2試驗結果表明，當氫氧化鋁和氫氧化鎂摻配比例為3∶1時，氧指數比單獨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/氫氧化鎂不同復配比對LOI的影響

當摻配比例為1∶1時復配瀝青氧指數只有24.8，當摻配比例為2∶1時，氧指數相比單獨使用氫氧化鋁時略有升高，這是因為氫氧化鋁比例較小，隨著溫度的升高，氫氧化鋁發生分解反應產生的氧化物不能有效起到隔熱隔氧的作用。當摻配比例為4∶1時，相比于前兩種摻配比例其氧指數有所提升，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，氫氧化鋁分解反應所產生的氧化物附著在瀝青表面，很好的抑制了燃燒的進一步進行，當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，但氫氧化鎂的摻量較少，已經不能很好抑制燃燒的進行，因此較3∶1比例時有所下降。

表2試驗數據表明，SBS改性瀝青針入度和延度都隨著不同復配比例阻燃劑的摻入有一定的降低，復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。關于延度指標，復配阻燃劑對應改性瀝青的延度指標降低程度要小于單獨阻燃劑對應改性瀝青。根據復配無機阻燃體系對SBS改性瀝青物理性能(延度、針入度、軟化點)及燃燒性能(極限氧指數)的影響綜合考慮，確定無機阻燃體系的最佳復配比例為3∶1，其總摻量為瀝青質量的20%。

表2 氫氧化鋁/氫氧化鎂阻燃瀝青三大指標檢測結果

3 結 論

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

(3)氫氧化鋁和氫氧化鎂復配阻燃劑具有協同阻燃效果，當兩者摻配比例為3∶1且總摻量為瀝青質量的20%時，阻燃效果提升最為明顯。