可膨脹石墨復配聚磷酸銨協效阻燃瀝青性能研究

關甫洋，牛冬瑜，邱雨生

(1.長安大學公路學院;2.長安大學材料學院)

1 試驗部分

1.1 原材料

試驗所用的基質瀝青為殼牌AH－70#的道路石油瀝青，瀝青的品質直接影響試驗結果，為了保證試驗結果的準確性，對所采用的基質瀝青進行各主要路用技術性能指標測試，檢查其是否滿足瀝青路面施工要求。

聚磷酸銨(APP)阻燃劑是目前應用較為廣泛的磷系阻燃劑，因為其在膨脹型阻燃劑中作為出色的酸源又兼有氣源功能。

1.2 阻燃改性瀝青膠漿的制備

采用的阻燃改性瀝青制備方法為混融法，采用高速剪切設備或膠體磨，在一定的溫度和時間條件下制備阻燃改性瀝青。首先將基質瀝青加熱至160 ℃并保溫，開動剪切儀以3 000 r/min的速度進行攪拌，在10 min 內將所需的復合阻燃劑緩緩的加入到流動的瀝青中，然后以約5 000 r/min 的轉速高速剪切攪拌30 min 制得阻燃改性瀝青。

1.3 阻燃改性瀝青膠漿的常規性能測試

以AH－70#基質瀝青與復合阻燃劑按不同劑量0wt%、9wt%、10wt%、11wt%、12wt%、13wt% 制備阻燃改性瀝青。通過對瀝青膠漿常規指標的測試，對基質瀝青與復合阻燃改性瀝青的試驗結果進行對比分析，研究其阻燃改性效果。

2 結果分析

2.1 高溫性能研究

(1)阻燃改性瀝青軟化點研究。

軟化點試驗表示瀝青達到流動狀態時所對應的溫度。瀝青是一種高分子非晶態熱塑性物質，沒有固定的軟化點，當溫度升高時，瀝青由固態或半固態逐漸軟化，內部分子之間產生滑動，這種狀態稱為粘流態。如下圖1 所示反映了阻燃瀝青軟化點的變化。

圖1 軟化點與復合阻燃劑摻量的關系

圖1 表明，隨著復合阻燃劑摻量的增加，阻燃瀝青軟化點逐漸呈增大的趨勢，復合阻燃劑的加入使得瀝青的高溫性能得到了一定程度的改善。

(2)阻燃改性瀝青粘度研究。

粘度是由于流體內部分子結構之間的引力形成摩擦，從而在外部表現為抵抗流動的能力，是瀝青材料軟硬、稀稠程度的表征，也可以反映瀝青材料內部阻礙其相對流動和抵抗剪切變形的一種特性。在我國，由于夏季常遇高溫，路面溫度可達到40 ～70 ℃，所以測定60 ℃粘度是非常必要的，這個指標反映了瀝青膠漿在夏季路面應用中的抗高溫性能。為了使得改性瀝青的施工性能得到控制，在SHRP 瀝青混合料性能規范中提出了135 ℃粘度不得超過3 Pa·s 的技術要求。

圖2 60 ℃粘度試驗結果

圖3 135 ℃粘度試驗結果

由圖2、圖3 可以看出，隨著復合阻燃劑摻量的增加，60 ℃粘度由212 Pa·s 逐漸增加到974 Pa·s，對于135 ℃粘度，基質瀝青粘度為422 MPa·s，當復合阻燃劑摻量達到13%時，瀝青膠漿粘度為693 MPa·s。由此可得，復合阻燃劑在一定范圍內添加，既可以滿足高溫性能的規定，也可以滿足瀝青混合料施工和易性的要求。

2.2 低溫性能分析

已有研究表明瀝青的低溫延度和開裂性能有一定的因果關系，由于國內瀝青有一定程度的含蠟量，這使得部分瀝青的延度達不到規范要求，在一定程度上影響了瀝青以及瀝青混合料的低溫性能，所以采用相對比較低的溫度來進行瀝青的延度測試是有一定的依據和必要性的。

圖4 5 ℃延度試驗結果

瀝青膠漿在低溫條件下延度愈好，則瀝青的抗裂性能就愈好。由上圖4 可以看出，摻加9%復合阻燃劑的阻燃瀝青與基質瀝青相比5 ℃延度下降較為明顯，此后由于阻燃劑增加量相對比較少，所以延度下降的趨勢也比較緩慢。說明，隨著復合阻燃劑的摻量在一定范圍內的變化，使得阻燃瀝青膠漿的低溫性能有所降低。

2.3 SHRP 技術性能

粘度指標能測定瀝青流動狀態時的基本性能，但是其只能提供瀝青在高溫流動狀態下的特性。

動態剪切流變儀用來檢驗瀝青的粘彈性，客觀上可以檢驗瀝青的高溫性能，它通過測定瀝青的復數剪切模量G* 和轉角δ 的關系來表征瀝青的溫度特性。G* /Sinδ 是判斷瀝青高溫性能的重要指標。

圖5 G* /Sinδ 值

由圖5 可以看出，復合阻燃劑的摻加使得瀝青膠漿達到了PG76 的水準，而基質瀝青只能達到PG70 的水平，說明了阻燃瀝青膠漿的高溫性能比基質瀝青的有所提高，并且在一定的溫度條件下，隨著復合阻燃劑摻量的變化增加趨勢較為緩慢。

2.4 阻燃性能研究

關于瀝青材料的阻燃性能研究，雖然已經取得了大量成果，但是到底采用何種方法和技術指標來統一評價瀝青的阻燃性還沒有規范可依。在以往的研究中，大部分研究者都參考塑料和紡織行業的標準和試驗方法，主要有LOI 法、水平燃燒法和煙密度法等。其中，極限氧指數法試驗數據重現性好、操作簡單，且區分度較高，能有效地定量的判斷瀝青材料在不同的氧氣濃度條件下與火焰接觸時燃燒的難易程度。其定義為:在規定條件下，試樣在O2和N2混合氣體中，維持平衡燃燒所需要的最低氧氣濃度。LOI 值的計算公式

式中:LOI 為極限氧指數，%;［O2］為臨界氧濃度時，混合氣體中氧氣的體積流量，%;［N2］為臨界氧濃度時，混合氣體中氮氣的體積流量，%。

一般而言，空氣中氧氣的濃度為21%左右，因此認為LOI 值小于21%的材料為易燃材料。表1 列出了日本工業標準JISK7201 關于材料耐燃等級與氧指數LOI 值的關系。

表1 材料耐燃等級與LOI 值的關系

圖6 LOI 值

LOI 測試結果如圖6 所示，基質瀝青LOI 值為23.1%，屬于難燃4 級;當隨著復合阻燃劑摻量的增加，瀝青膠漿的LOI 值逐漸增大;當摻量達到13%時，LOI 值達到28.1%，屬于難燃2 級，這也說明復合阻燃劑能夠明顯提高瀝青膠漿的阻燃性能，對于隧道瀝青路面的應用有很重要的意義。

3 結 論

(1)隨著復合阻燃劑摻量的增加，阻燃瀝青軟化點逐漸呈增大的趨勢，復合阻燃劑的加入使得瀝青的高溫性能得到了一定程度的改善，亦使得瀝青路面的耐久性得到了提高。

(2)隨著復合阻燃劑摻量在一定范圍內的增加，60 ℃粘度和135 ℃粘度，既可以滿足高溫性能的規定，也可以滿足瀝青混合料施工和易性的要求。

(3)復合阻燃劑的摻量在一定范圍內變化，將使得阻燃瀝青膠漿的低溫性能有所降低。

［1］崔小明.阻燃劑聚磷酸銨的改性和應用［J］.國外塑料，2009，(10).

［2］姚洪波.路用阻燃瀝青的性能與阻燃機理研究［D］.長沙理工大學碩士論文，2008，(5):13－18.