橋梁阻燃拉索護套復合材料性能影響研究

葉子明，李文獻，黃日金,王瑜，黃穎

（1柳州工學院 土木建筑工程學院，廣西柳州 545616；2柳州市預應力結(jié)構(gòu)工程技術研究中心，廣西柳州 545616；3柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西柳州 545005）

0 引言

我國是世界上橋梁最多的國家，共有13萬多座橋梁，其中斜拉索橋分布在全國各地的重要城市中。隨著我國交通運行量的增大，橋梁遭受的風險日益增多，火災作為交通基礎設施可能存在的重要風險之一，威脅著橋梁基本結(jié)構(gòu)安全。全世界范圍內(nèi)每年都有多起嚴重的橋梁火災事故發(fā)生，拉索是斜拉橋的生命線，橋梁拉索結(jié)構(gòu)的耐火抗火研究受到越來越多的關注。

趙杰等[1]通過添加PP、MEL成炭劑和HDPE合成了膨脹型阻燃復合材料，提高了阻燃劑的阻燃效率以及復合材料的沖擊性能。汪曉鵬等[2]在HDPE中添加無機阻燃劑聚磷酸銨、氧化銻制成阻燃格柵材料提高了阻燃性能，達到了防火阻燃的效果。陳濤等[3]采用聚焦磷酸哌嗪（PAPP）與氰尿酸三聚氰胺（MCA）融合組成復配阻燃劑（IFR），通過熱重分析、極限氧指數(shù)、垂直燃燒等，研究高密度聚乙烯（PE-HD）的阻燃性能、熱性改良情況。谷宇川等[4]研發(fā)了高密度聚乙烯（HDPE）/廢膠粉（WRP）復合材料，試驗研究復合材料力學性能及阻燃性能，當Mg(OH)2和AL(OH)3比例為1:1時，氧指數(shù)達到30.7%，阻燃效果最好。陶圣熹等[5]以環(huán)氧樹脂（Epoxy）為囊材，以聚磷酸銨（APP）阻燃劑和二乙基次磷酸鋁（ADP）為芯材，制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的ADP微膠囊和APP微膠囊，當ADP微膠囊和APP微膠囊的總添加量為質(zhì)量分數(shù)20%，復合材料質(zhì)量比為2∶1時，對聚乙烯的阻燃效果最好。王永紅等[6]結(jié)合了噴霧干燥工藝，并以聚乙烯（HDPE）為基體，商業(yè)短/長玻纖(SG/LG)為功能增強劑，利用沉淀包裹法研制出納米包覆凹凸棒粉體（MAT）增強阻燃劑，通過熔融擠出技術制備出高性能阻燃復合材料。

阻燃材料主要分為鹵素和非鹵，有機和無機。有機高阻燃材料主要是以氮系、溴系和紅磷化合物為代表組成，Sb2O3、Mg(OH)2、Al(OH)3、硅系等為高阻燃無機材料的代表。這些阻燃材料在耐火電纜行業(yè)中廣泛應用于高層建筑、地下通道、水電站、體育館等與消防安全和救生有關的地方。而在橋梁拉索結(jié)構(gòu)中，往往沒有考慮拉索的阻燃性能。拉索在橋梁結(jié)構(gòu)中有著悠久的應用歷史，常用的索體材料包括鋼絲束和鋼絞線等，火災下這些高強鋼材的強度下降遠大于熱軋鋼材，同時預應力拉索錨頭抗火性能差，填充低熔點合金和樹脂等鑄體材料的錨具內(nèi)部是拉索抗火最為薄弱的環(huán)節(jié)，因此拉索的火災安全面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。本文以HDPE（5000S）為原材料，采用鹵系與溴系協(xié)同阻燃的機理，制備出不同配比的HDPE（5000S）和阻燃母粒的橋梁阻燃拉索護套復合材料，并對復合材料的阻燃性能進行分析研究，選出最優(yōu)的索體阻燃護套管復合材料，為橋梁拉索提供高阻燃的安全保障。

1 試驗部分

1.1 主要原料

高密度聚乙烯（HDPE5000S）、70#氯化石蠟、十溴聯(lián)苯醚、十溴二苯乙烷，三氧化二銻、季戊四醇酯（1010），硫代丙酸二月桂酯、輔助抗氧劑（DLTPD）、阻燃母粒。

1.2 主要儀器與設備

試驗主要采用了下列儀器設備：JTC-751開放式煉膠機，XH-401雙滾筒煉塑機，微機控制電子萬能試驗機，XLB-D平板硫化機，真空干燥箱，實驗用高速混合機，LG3000注塑機，液晶式擺錘沖擊試驗機，UL94水平垂直燃燒測試儀，極限氧指數(shù)測試儀。

1.3 試樣制備

將HDPE 80℃下熱風干燥2h后待用，將HDPE、經(jīng)偶聯(lián)處理的阻燃母粒、增韌劑充分混合，機頭溫度為195℃，經(jīng)雙滾筒煉塑機擠出造粒，擠出機料筒溫度為160℃~190℃，制出的試料在90℃下熱風干燥3h后，通過注塑機注塑成標準檢測試樣。

1.4 性能測試

阻燃復合材料性能測試項目主要包括拉伸強度、伸長率、缺口沖擊、彎曲強度、彎曲模量、氧指數(shù)等，性能測試按照《橋梁纜索用高密度聚乙烯護套料》（CJ/T 297—2016）進行測定，如圖1—圖3。

圖1 單根燃燒圖

圖2 極限氧指數(shù)測定

圖3 拉伸試驗圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配比阻燃母粒與HDPE對拉索護套復合材料拉伸性能的影響

表1為不同配比HDPE與阻燃母粒表，圖4為不同配比HDPE與阻燃母粒對材料拉伸性能影響關系圖。結(jié)合圖4可看出，材料的拉伸強度隨著原料中HDPE比例的增加而變大；反之，阻燃母粒配比增加，復合材料的拉伸強度變小。從結(jié)果可以看出，3#復合材料拉伸強度是最大的，當加入80%HDPE和20%阻燃母粒制備的復合材料時，材料的拉伸強度達到了18.7MPa，拉伸性能較好。

表1 不同配比HDPE與阻燃母粒表

圖4 不同配比HDPE與阻燃母粒對復合材料拉伸性能影響關系圖

2.2 不同配比阻燃母粒與HDPE對拉索護套復合材料沖擊性能的影響

圖5為不同配比阻燃母粒與HDPE對復合材料沖擊性能影響關系圖。結(jié)合圖5和表1可以看出，阻燃母粒配比對強度有一定的影響，復合材料的懸臂梁缺口沖擊強度隨著阻燃母粒配比的增加，沖擊強度有一定程度的減小，當阻燃母粒配比增加到30%時，缺口沖擊強度減小幅度明顯。對比1#、2#、3#復合材料的沖擊強度，復合材料的配比為80%HDPE和20%阻燃母粒時，沖擊強度達到18.2 kJ/m2，材料的沖擊強度達到了較好的狀態(tài)。

圖5 不同配比阻燃母粒與HDPE對復合材料沖擊性能影響關系圖

2.3 不同配比阻燃母粒與HDPE對拉索護套復合材料彎曲性能的影響

圖6為不同配比阻燃母粒與HDPE對材料彎曲性能影響關系圖。從圖6可看出，在拉索護套復合材料體系中加入阻燃母粒與HDPE后，隨著原料中HDPE添加量的占比加大，復合材料彎曲性能呈現(xiàn)波動性變化，但其變化幅度不大。因此，雖然阻燃母粒添加量不斷加大，但對拉索護套材料的彎曲性能沒有很明顯的提高作用。

圖6 不同配比阻燃母粒與HDPE對復合材料彎曲性能影響關系圖

2.4 不同配比阻燃母粒與HDPE對拉索護套復合材料氧指數(shù)的影響

圖7為不同配比阻燃母粒與HDPE對復合材料氧指數(shù)影響的關系圖。結(jié)合表1和圖7可看出，從1#到3#，阻燃復合材料的氧指數(shù)基本呈線性增加，當復合材料的配比為70% HDPE和30%阻燃母粒時，阻燃復合材料的氧指數(shù)為22%；當復合材料的配比為20%阻燃母粒和80%HDPE時，拉索護套復合材料的阻燃效果最好，氧指數(shù)為26%，此時復合材料垂直阻燃達到了V-0級。

圖7 不同配比阻燃母粒與HDPE對復合材料氧指數(shù)影響關系圖

3 結(jié)論

通過制備出不同配比的HDPE（5000S）和阻燃母粒的橋梁阻燃拉索護套復合材料，對橋梁阻燃拉索護套復合材料性能進行研究，并選取護套材料成束燃燒試驗結(jié)果氧指數(shù)值作為相關參數(shù)進行對比。當復合材料的配比為80%HDPE和20%阻燃母粒時，拉伸強度達到了18.7MPa，沖擊強度為18.2 kJ/m2，彎曲強度為19.2MPa，氧指數(shù)為26%，橋梁阻燃拉索護套復合材料的技術性能和阻燃效果都實現(xiàn)了較好的提升，垂直阻燃達到V-0級，為橋梁拉索提供了高阻燃的安全保障。