貧氧條件下阻燃瀝青熱重行為研究

李 捷，吳 鵬

（1?開封市建設(shè)工程質(zhì)量檢測站，河南開封 475000；2?河南開大工程管理有限公司，河南開封 475000）

貧氧條件下阻燃瀝青熱重行為研究

李 捷1，吳 鵬2

（1?開封市建設(shè)工程質(zhì)量檢測站，河南開封 475000；2?河南開大工程管理有限公司，河南開封 475000）

為了研究貧氧條件下阻燃瀝青燃燒時的熱重行為，通過試驗(yàn)繪制了阻燃瀝青在不同氧氣濃度和升溫速率下的熱解反應(yīng)特征曲線，研究兩者對阻燃瀝青熱重行為的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示：有氧條件下，阻燃瀝青燃燒時存在2個失重階段，分別發(fā)生在350℃～600℃之間和600℃之后；阻燃瀝青燃燒率隨升溫速率的增大大幅提高；隨著升溫速率的增大，TG曲線和DSC曲線逐漸向右偏移，出現(xiàn)明顯的燃燒滯后現(xiàn)象。

道路工程；阻燃瀝青；氧氣濃度；升溫速率

0 引 言

瀝青路面由于良好的舒適性、抗滑性和降噪性能，在長大隧道中的應(yīng)用越來越廣泛［1?3］，但同時瀝青材料的火災(zāi)安全性也在考驗(yàn)著道路工作者。氧氣作為物質(zhì)燃燒的三大要素之一，其在燃燒氣氛中的含量直接影響著瀝青材料的燃燒特性［4?6］。由于隧道瀝青路面處于一個管束狀封閉結(jié)構(gòu)中［7?9］，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，隨著瀝青材料的燃燒，隧道內(nèi)部氧氣含量急速降低，同時瀝青燃燒熱解產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體與浮力引發(fā)的氣流相混合，產(chǎn)生較大的濃度梯度，阻礙了外界氧氣的補(bǔ)給。隨著燃燒的繼續(xù)進(jìn)行，隧道內(nèi)部溫度急劇升高，加之氧氣濃度的改變，瀝青的著火溫度、燃燒速率以及燃燒時釋放的熱量均發(fā)生改變［10?12］。阻燃瀝青材料雖然從組成方面很好地改善了瀝青的燃燒特性，然而外界因素的改變也直接影響著瀝青的燃燒特性。在隧道火災(zāi)發(fā)生或形成的過程中，貧氧燃燒是瀝青材料面對的主要狀態(tài)［13］。因此，研究貧氧條件下瀝青材料的熱解燃燒特性，對分析阻燃瀝青材料燃燒時的物理化學(xué)狀態(tài)具有重要意義。基于此，本文通過試驗(yàn)研究不同氧氣濃度和升溫速率下阻燃瀝青燃燒的熱重行為，為進(jìn)一步優(yōu)化阻燃材料組成和預(yù)防隧道火災(zāi)的發(fā)生提供參考。

1 試 驗(yàn)

1．1 原材料

瀝青選用AS70＃基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。阻燃劑選用濟(jì)南泰星精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)的氫氧化鋁粉末，目數(shù)為320目。

1．2 阻燃瀝青制備

將基質(zhì)瀝青加熱至165℃后，加入20%的氫氧化鋁粉末，以3 000 r·min－1的轉(zhuǎn)速攪拌30 min即可制得阻燃瀝青。

1．3 試驗(yàn)方法

采用美國TA公司生產(chǎn)的SDT?O600熱分析儀分析貧氧條件下阻燃瀝青的熱重行為。

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 氧氣濃度對阻燃瀝青熱重行為的影響

氧氣濃度分別選用0、10%、14%、18%和21%，以10℃·min－1的速率將阻燃瀝青試樣從室溫加熱至900℃，并繪制阻燃瀝青的熱解反應(yīng)特征曲線，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～3所示。

圖1 不同氧氣濃度下阻燃瀝青失重曲線

圖2 不同氧氣濃度下阻燃瀝青的微商熱重曲線

圖3 不同氧氣濃度下阻燃瀝青的釋熱曲線

從圖1可以看出，當(dāng)氧氣濃度大于0時，隨著溫度的升高，阻燃瀝青存在2個失重階段：第1個失重階段主要發(fā)生在350℃～600℃之間，此階段隨著溫度的升高，阻燃瀝青中的芳香分、飽和分等輕質(zhì)組分逐漸析出，阻燃瀝青殘余質(zhì)量逐漸下降；第2個失重階段主要發(fā)生在600℃之后，此階段由于溫度的急劇升高，瀝青中的膠質(zhì)和芳香分發(fā)生熱聚反應(yīng)生成重組組分，且重組組分和瀝青質(zhì)持續(xù)燃燒，再次造成阻燃瀝青殘余質(zhì)量的急劇降低。相同條件下，隨著氧氣濃度的降低，阻燃瀝青第1階段的失重比例逐漸增加，例如當(dāng)氧氣濃度由21%降低至10%和0時，瀝青第1階段的失重比例分別從59?2%增大至72?5%和82?1%；當(dāng)氧氣濃度較低時，大量的輕質(zhì)組分直接發(fā)生熱解析出，并未發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)生成較為穩(wěn)定的瀝青質(zhì)類物質(zhì)；當(dāng)氧氣濃度接近0時，瀝青第2階段的失重基本消失，僅存在第1階段的失重。隨著氧氣濃度的降低，瀝青第1階段的熱重曲線向右偏移，初始燃燒溫度升高，如氧氣濃度為21%（空氣氧含量）時，瀝青發(fā)生第1階段失重的反應(yīng)溫度約為320℃～540℃，而氧氣濃度降為0時，瀝青發(fā)生第1階段失重的反應(yīng)溫度升高至380℃～600℃，表明在低氧氣濃度下，阻燃瀝青發(fā)生非氧化熱解反應(yīng)的起始溫度低于氧化熱解溫度。

從圖2可以看出，隨著氧氣濃度的降低，阻燃瀝青第1階段最大失重速率逐漸增大。氧氣濃度為0時的最大失重速率為－13．5%·min－1，而氧氣濃度增大至10%和21%時，最大失重速率分別為－12．5% ·min－1和－9%·min－1。其原因主要為：氧氣濃度越低，瀝青分子發(fā)生熱氧交聯(lián)的可能越小，分子中更多的鏈段發(fā)生斷裂，小分子析出加劇，失重速率增大。第2階段燃燒的最大失重速率隨氧氣濃度的變化規(guī)律與第1節(jié)階段相反，這是因?yàn)樵诟哐鯕鉂舛认拢嗟姆枷阕寤衔锇l(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，生成更多較為穩(wěn)定的瀝青質(zhì)類物質(zhì)。

從圖3可以看出，有氧條件下，阻燃瀝青燃燒時將釋放出大量的熱，但阻燃瀝青在燃燒的第1階段釋放的熱量較少。這是因?yàn)榇穗A段的燃燒主要以瀝青中輕質(zhì)組分的熱分解為主。燃燒的第2階段，阻燃瀝青釋放的熱量顯著增多并出現(xiàn)最大釋熱峰值，這是因?yàn)榇穗A段瀝青中的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等重組分發(fā)生燃燒，使熱釋放量急劇增大。

2．2 升溫速率對阻燃瀝青熱重行為的影響

將阻燃瀝青試樣在氧氣濃度為0、10%和21%時，分別以10、30、50℃·min－1的速率將其由室溫升溫至900℃，研究升溫速率對阻燃瀝青燃燒過程中熱重行為的影響，結(jié)果如圖4～6所示。

從圖4可以看出，各氧氣濃度下，隨著升溫速率的增大，失重曲線逐漸右移，阻燃瀝青燃燒的初始溫度逐漸升高。其原因主要是：瀝青內(nèi)部溫度和環(huán)境的升溫速率不一致，升溫速率越高，瀝青內(nèi)部溫度滯后環(huán)境溫度的程度越嚴(yán)重，瀝青內(nèi)部物質(zhì)的熱分解程度越低，從而影響了阻燃瀝青的燃燒初始溫度。相同條件下，隨著升溫速率的增大瀝青燃燒第1階段的失重比例逐漸增大，這是因?yàn)樯郎厮俾试酱螅瑸r青結(jié)構(gòu)受到的熱沖擊越嚴(yán)重，造成瀝青分子內(nèi)更多聚合鍵的斷裂，產(chǎn)生大量自由基碎片并析出烴類化合物，重質(zhì)組分損失越多，因此失重比例增大。

從圖5可以看出，不同氧氣濃度下，阻燃瀝青燃燒的DTG曲線隨升溫速率的增大逐漸右移。同時，

圖4 不同升溫速率下阻燃瀝青熱解燃燒失重曲線

DTG曲線的峰值隨升溫速率的增大急劇增大，例如當(dāng)氧氣濃度為21%，升溫速率由10℃·min－1增大至30℃·min－1和50℃·min－1時，DTG曲線峰值由7．5%·min－1增大至25?1%·min－1和55?2% ·min－1，分別增大了2．35倍和6．36倍，表明隨著升溫速率的增大，阻燃瀝青的燃燒速度逐漸提高。分析原因?yàn)椋荷郎厮俾试酱螅瑸r青中輕質(zhì)組分的熱解速度越快，燃燒區(qū)域氧氣濃度越低，產(chǎn)生的局部貧氧區(qū)越多，因此參與非氧化熱解的瀝青數(shù)量越多；而條件相同時，瀝青非氧化熱解的失重速度明顯快于氧化熱解，因此瀝青燃燒的DTG峰值隨升溫速率的增大而增大。

圖5 不同升溫速率下阻燃瀝青熱解燃燒的微商熱重曲線

圖6 為升溫速率不同時阻燃瀝青熱解燃燒的DSC曲線，DSC曲線反映了瀝青瀝青燃燒過程中的熱釋放特性。當(dāng)升溫速率相同時，隨著氧氣濃度的增大，阻燃瀝青燃燒的DSC值逐漸增大；這是因?yàn)殡S著氧氣濃度的增大，瀝青燃燒時的非氧化熱解減少，放熱的氧化熱解逐漸增多，燃燒過程中的吸熱速率顯著減小，而釋熱速率顯著增大，因此DSC值逐漸增大。當(dāng)氧氣濃度相同時，不同升溫速率下DSC曲線的放熱量差異不大，且隨著升溫速率的增大，DSC曲線逐漸向右偏移，表現(xiàn)出燃燒的滯后性。

圖6 不同升溫速率下阻燃瀝青熱解燃燒的DSC曲線

3 結(jié) 語

（1）阻燃瀝青發(fā)生有氧燃燒時存在2個失重階段，第1個失重階段發(fā)生在350℃～600℃之間，而第2個失重階段發(fā)生在600℃之后；無氧條件下阻燃瀝青第2階段的失重基本消失，僅存在第1階段的失重。

（2）相同條件下，隨著氧氣濃度的降低，阻燃瀝青燃燒時第1階段的失重比例逐漸增大，并出現(xiàn)失重滯后現(xiàn)象，第2階段的失重比例隨氧氣濃度的降低而減小。

（3）當(dāng)氧氣濃度相同時，隨著升溫速率的增大，阻燃瀝青燃燒速率大幅提高，且瀝青燃燒的失重曲線和放熱曲線逐漸向右偏移；阻燃瀝青燃燒時第1個失重階段的失重比例隨升溫速率的增大逐漸增加。

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［責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華］

Study on Thermogravimetric Behavior of Flame Retardant Asphalt Under Oxygen?depleted Condition

LI Jie1，WU Peng2
（1．Construction Engineering Quality Inspection Station of Kaifeng City，Kaifeng 475000，Henan，China；2．Henan KAIDA Engineering Management Co．，Ltd．，Kaifeng 475000，Henan，China）

In order to study the thermogravimetric behavior of flame?retardant asphalt in the combustion process under oxygen?depleted condition，the pyrolysis reaction curves of flame?retardant asphalt at different oxygen concentration and heating rate were plotted to study the effect of both on the thermogravimetric behavior．The results show that there are two weight loss stages during the combustion of flame retardant asphalt，which occur when the temperature is between 350℃and 600℃and higher than 600℃；the burning rate of flame retardant asphalt increases greatly with the increase of heating rate；when the heating rate becomes higher，the TG curve and the DSC curve gradually shift to the right，and the obvious combustion hysteresis appears．

road engineering；flame?retardant asphalt；oxygen concentration；heating rate

U414．03

B

1000?033X（2017）08?0085?04

2016?12?21

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（132102310038）

李 捷（1969?），男，河南溫縣人，高級工程師，研究方向?yàn)榻ㄖ牧稀?/p>