新型高效瀝青阻燃劑燃燒試驗分析

馬建兵 李 波 王 強

(1蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州730070；2甘肅路橋建設集團有限公司，甘肅 蘭州730030)

隨著瀝青路面在隧道中越來越廣泛的應用，隧道瀝青路面的防火安全問題也越來越引起國內外的關注[1，2]。瀝青是可燃材料，使得瀝青混凝土路面在隧道中的運用存在火災隱患。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，從結構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，市場上有不同種類的瀝青阻燃劑，其中以無機類阻燃劑氫氧化鋁、氫氧化鎂為主，此類阻燃劑雖然價格低廉，但用量都較大（瀝青用量的20%）。大摻量的阻燃劑不但會影響到瀝青的各項路用性能，而且總體來看價格并不便宜。甘肅路橋建設集團有限公司和蘭州交通大學《隧道溫拌阻燃改性瀝青路面施工技術研究》課題組通過采用硅烷偶聯劑對阻燃劑進行表面改性來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]。在對瀝青阻燃劑阻燃性能評價時，考慮到瀝青阻燃劑的使用時間不長，我國現行《公路瀝青路面施工技術規范》（F40-2004）中缺少瀝青阻燃劑及阻燃瀝青的評價方法及標準，工程單位在實際使用中無法對其進行合理的檢驗和選擇。而研究領域對其阻燃性能的評價多參考高分子材料的阻燃性測試的標準方法：氧指數試驗法、水平及垂直燃燒測定法、錐形(Cone)量熱儀法、熔融流淌時間和耐燒穿時間測定法、煙密度試驗法、標準火災房法、煙氣毒性法、ASTME-108法等。其中，對瀝青路面阻燃性能的評價多采用氧指數試驗法。由于氧指數儀的尚未普及，本研究采用了直接燃燒法對研發的阻燃劑的燃燒特性進行了分析。

1 原材料

1.1 瀝青

本次實驗主要選用了克拉瑪依SBS I-C改性瀝青，其基本性能指標檢測結果見表1。

表1 基準改性瀝青性能檢測

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中，剪切5min左右，即形成本實驗的中間體，簡稱為ZFR。根據相似相容原理，當中間體（ZFR）分散于極性很小的瀝青中時，因極性的差別，二者相容性很差，從而對阻燃瀝青的貯存穩定性和力學性能帶來不良影響。因此需對中間體表面進行改性，通過化學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、偶聯處理以及有機高分子處理等，但最常見、最有效的處理方法還是偶聯處理。本研究主要選取鈦酸酯偶聯劑對中間體進行表面改性，通過實驗來確定改性劑的合理用量。并將通過鈦酸酯偶聯劑改性之后的阻燃改性劑簡稱為ZFR-Ti。

2 阻燃瀝青燃燒性能檢測方案

2.1 阻燃瀝青燃燒性評價直觀方法的選擇

方案一：取適量試驗瀝青，倒入燃燒皿中，稱出瀝青與燃燒皿的質量，冷卻后倒入少量的汽油，引燃，充分燃燒后測出剩余物質與燃燒皿的質量；

方案二；取適量試驗瀝青，倒入燃燒皿中，稱出瀝青與燃燒皿的質量，冷卻后放置在電熱爐上進行加熱，充分燃燒后測出剩余物質與燃燒皿的質量。

2.2 阻燃瀝青燃燒性評價直觀方法的優化

采用以上兩種方案進行阻燃瀝青燃燒試驗，發現它們存在很多缺點：

方案一：該方案易于引燃，但整個燃燒過程只有少量表面瀝青可以被點燃，主要燃燒的物質是汽油，汽油燃燒溫度不足以引燃瀝青，瀝青無法充分燃燒；

方案二：該方案燃燒瀝青較為充分，但較難引燃，整個試驗過程需要加熱很長時間，由于用的是電熱爐，長期加熱無法保證其安全性，可能對試驗人員有危險。

經過對上述兩種方案的比較，最后綜合二者優點，制定了較為安全合理的實驗方案：取適量試驗瀝青，倒入燃燒皿中，稱出瀝青與燃燒皿的質量，然后放置在電熱爐上進行加熱，加熱到220℃后加入適量汽油，引燃汽油，充分燃燒后測出剩余物質與燃燒皿的質量。

3 阻燃瀝青燃燒試驗表觀分析

嚴格按照上述方案ZFR-Ti阻燃瀝青、ZFR阻燃瀝青和克煉SBS I-C改性瀝青進行燃燒試驗，觀察其燃燒過程中的表觀狀況。

3.1 ZFR-Ti阻燃瀝青燃燒

加入少量汽油，加熱ZFR-Ti到約220℃時，即可燃燒，觀察其燃燒，火焰開始較小，中期火焰較高并發出了大量的黑煙，燃燒時間總計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，傾倒時發現底面部分瀝青未燃燒，能夠流淌出來（如圖1）。火焰燃燒時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。剛開始燃燒時邊緣火焰較旺，后來整體火勢差不多。燃燒后傾倒，底部無殘余瀝青。燃燒后也會產生一層膜，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℃時即可以引燃燃燒。燃燒時間較長，為6分45秒。燃燒時火焰較大，從邊緣到中央各部分火勢均差不多，無較大區別。燃燒過程伴有黑煙，燃燒較為完全，燃燒后產生較厚的薄膜，底部基本無剩余瀝青（圖3）。

圖3 克煉SBS I-C改性瀝青燃燒后

4 試驗結果分析

ZFR-Ti阻燃瀝青、ZFR阻燃瀝青和克煉SBS I-C改性瀝青進行燃燒試驗前后的質量變化見表1。

表1 基準瀝青及阻燃瀝青燃燒試驗前后的質量變化

從表1試驗結果可以看出，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比ZFR阻燃劑好。

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

（2）從引燃溫度上來看，ZFR-Ti阻燃瀝青的引燃溫度較高，說明阻燃劑的添加降低了瀝青整體的燃點，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上來看，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的瀝青，說明ZFR-Ti阻燃瀝青起到了一定的阻燃效應，使部分瀝青無法燃燒；

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

5 結語

（1）在分析了部分文獻中阻燃劑燃燒法優缺點的基礎上，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的瀝青，能夠在一定程度上抑制阻燃瀝青在燃燒時中間部分的燃燒。

（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，縮短燃燒時間對隧道救援有很重要的意義。

（4）由于實驗中為了安全起見，使用的瀝青的量較少，所以無法較為直觀的表現出阻燃劑的抑煙作用。

[1]陳輝強，陳仕周. 瀝青阻燃改性技術研究. 公路交通技術，2003（2）:19-20

[2]黃志義，吳珂. 長大隧道瀝青混凝土路面的防火安全性能[J]. 浙江大學學報（工學版），2007,41(8):1427-1428

[3]郭進存，廖克儉，戴躍. 阻燃瀝青的研制[J].遼寧石油化工大學學報，2005,25（2）：5-8

[4]陳輝強，郝培文. 阻燃改性瀝青的研發及其混合料性能評價[J]. 武漢理工大學學報，2008（12）：58-62

[5]姜敏，李波，王強. 新型高效瀝青阻燃劑的制備[J].中國建材科技，2011（4）

[6]岳永和，李波，王強.新型高效阻燃劑對瀝青混合料體積指標的影響[J].中國建材科技，2011（4）

[7]楊群, 李望瑞. 瀝青阻燃性能的評價方法與性能研究[J]. 建筑材料學報, 2008, 11(4)

[8]彭建康，樊德，蘇勝斌，董瑞琨. 瀝青及瀝青混凝土阻燃性能測試與評價[J]. 材料導報,2009(11)