新型高效沥青阻燃剂燃烧试验分析

马建兵 李 波 王 强

(1兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州730070；2甘肃路桥建设集团有限公司，甘肃 兰州730030)

随着沥青路面在隧道中越来越广泛的应用，隧道沥青路面的防火安全问题也越来越引起国内外的关注[1，2]。沥青是可燃材料，使得沥青混凝土路面在隧道中的运用存在火灾隐患。研究阻燃沥青混凝土，使沥青混凝土阻燃性能满足隧道应用的条件具有积极的意义。

沥青和其它石油馏分一样属于高分子材料，并具有高分子材料的共性，如可燃性、粘弹性等，这就为沥青的阻燃改性的可能性提供了理论依据，从结构和组成上具备阻燃改性的可能性，并制备出了多种沥青阻燃剂[3，4]。但是，市场上有不同种类的沥青阻燃剂，其中以无机类阻燃剂氢氧化铝、氢氧化镁为主，此类阻燃剂虽然价格低廉，但用量都较大（沥青用量的20%）。大掺量的阻燃剂不但会影响到沥青的各项路用性能，而且总体来看价格并不便宜。甘肃路桥建设集团有限公司和兰州交通大学《隧道温拌阻燃改性沥青路面施工技术研究》课题组通过采用硅烷偶联剂对阻燃剂进行表面改性来改善其与沥青的相容性，制备了低掺量高效的沥青阻燃剂[5，6]。在对沥青阻燃剂阻燃性能评价时，考虑到沥青阻燃剂的使用时间不长，我国现行《公路沥青路面施工技术规范》（F40-2004）中缺少沥青阻燃剂及阻燃沥青的评价方法及标准，工程单位在实际使用中无法对其进行合理的检验和选择。而研究领域对其阻燃性能的评价多参考高分子材料的阻燃性测试的标准方法：氧指数试验法、水平及垂直燃烧测定法、锥形(Cone)量热仪法、熔融流淌时间和耐烧穿时间测定法、烟密度试验法、标准火灾房法、烟气毒性法、ASTME-108法等。其中，对沥青路面阻燃性能的评价多采用氧指数试验法。由于氧指数仪的尚未普及，本研究采用了直接燃烧法对研发的阻燃剂的燃烧特性进行了分析。

1 原材料

1.1 沥青

本次实验主要选用了克拉玛依SBS I-C改性沥青，其基本性能指标检测结果见表1。

表1 基准改性沥青性能检测

1.2 新型高效阻燃剂的制备

将氢氧化铝（Al(OH)3、氢氧化镁（Mg(OH)2、聚磷酸铵（APP）三种原材料按一定比例置于剪切机中，剪切5min左右，即形成本实验的中间体，简称为ZFR。根据相似相容原理，当中间体（ZFR）分散于极性很小的沥青中时，因极性的差别，二者相容性很差，从而对阻燃沥青的贮存稳定性和力学性能带来不良影响。因此需对中间体表面进行改性，通过化学或物理的方法使其表面极性接近于沥青而改善其相容性是十分必要的。

目前，表面改性方法很多，有表面活性剂处理、偶联处理以及有机高分子处理等，但最常见、最有效的处理方法还是偶联处理。本研究主要选取钛酸酯偶联剂对中间体进行表面改性，通过实验来确定改性剂的合理用量。并将通过钛酸酯偶联剂改性之后的阻燃改性剂简称为ZFR-Ti。

2 阻燃沥青燃烧性能检测方案

2.1 阻燃沥青燃烧性评价直观方法的选择

方案一：取适量试验沥青，倒入燃烧皿中，称出沥青与燃烧皿的质量，冷却后倒入少量的汽油，引燃，充分燃烧后测出剩余物质与燃烧皿的质量；

方案二；取适量试验沥青，倒入燃烧皿中，称出沥青与燃烧皿的质量，冷却后放置在电热炉上进行加热，充分燃烧后测出剩余物质与燃烧皿的质量。

2.2 阻燃沥青燃烧性评价直观方法的优化

采用以上两种方案进行阻燃沥青燃烧试验，发现它们存在很多缺点：

方案一：该方案易于引燃，但整个燃烧过程只有少量表面沥青可以被点燃，主要燃烧的物质是汽油，汽油燃烧温度不足以引燃沥青，沥青无法充分燃烧；

方案二：该方案燃烧沥青较为充分，但较难引燃，整个试验过程需要加热很长时间，由于用的是电热炉，长期加热无法保证其安全性，可能对试验人员有危险。

经过对上述两种方案的比较，最后综合二者优点，制定了较为安全合理的实验方案：取适量试验沥青，倒入燃烧皿中，称出沥青与燃烧皿的质量，然后放置在电热炉上进行加热，加热到220℃后加入适量汽油，引燃汽油，充分燃烧后测出剩余物质与燃烧皿的质量。

3 阻燃沥青燃烧试验表观分析

严格按照上述方案ZFR-Ti阻燃沥青、ZFR阻燃沥青和克炼SBS I-C改性沥青进行燃烧试验，观察其燃烧过程中的表观状况。

3.1 ZFR-Ti阻燃沥青燃烧

加入少量汽油，加热ZFR-Ti到约220℃时，即可燃烧，观察其燃烧，火焰开始较小，中期火焰较高并发出了大量的黑烟，燃烧时间总计5分12秒。火焰熄灭后，观察剩余物，其表面形成了一层壳状物，约2mm左右的膜，倾倒时发现底面部分沥青未燃烧，能够流淌出来（如图1）。火焰燃烧时边缘火焰高于中间部分。

图1 ZFR-Ti阻燃沥青燃烧的表观

3.2 ZFR阻燃沥青燃烧

引燃后火焰为较小，后逐渐变大。火焰高度前期较低，后期较高。刚开始燃烧时边缘火焰较旺，后来整体火势差不多。燃烧后倾倒，底部无残余沥青。燃烧后也会产生一层膜，膜厚度约为2mm左右。中部、下部呈气泡状（图2），底层有相当厚的灰烬。

图2 ZFR阻燃沥青燃烧的表观

3.3 克炼SBS I-C改性沥青燃烧

大约在200℃时即可以引燃燃烧。燃烧时间较长，为6分45秒。燃烧时火焰较大，从边缘到中央各部分火势均差不多，无较大区别。燃烧过程伴有黑烟，燃烧较为完全，燃烧后产生较厚的薄膜，底部基本无剩余沥青（图3）。

图3 克炼SBS I-C改性沥青燃烧后

4 试验结果分析

ZFR-Ti阻燃沥青、ZFR阻燃沥青和克炼SBS I-C改性沥青进行燃烧试验前后的质量变化见表1。

表1 基准沥青及阻燃沥青燃烧试验前后的质量变化

从表1试验结果可以看出，阻燃沥青具有一定的阻燃效果，其中由ZFR-Ti阻燃剂制成的ZFR-Ti阻燃沥青的阻燃效应比ZFR阻燃剂好。

（1）从时间上来看，相同质量的原料，ZFR-Ti阻燃沥青燃烧时间最短，说明添加阻燃剂后的沥青可以较有效的抑制沥青的燃烧，缩短燃烧时间对隧道救援有很重要的意义；

（2）从引燃温度上来看，ZFR-Ti阻燃沥青的引燃温度较高，说明阻燃剂的添加降低了沥青整体的燃点，间接提高了沥青材料的安全性；

（3）从烧失量和燃烧后剩余沥青的状态上来看，ZFR-Ti阻燃沥青的烧失量最小，且明显燃烧后残余较大量流质的沥青，说明ZFR-Ti阻燃沥青起到了一定的阻燃效应，使部分沥青无法燃烧；

（4）从燃烧时火焰火势的分布情况来看，ZFR-Ti阻燃沥青在燃烧时中间部分的燃烧受到了部分抑制，降低了火势，在隧道中使用可降低逃生时的难度。

5 结语

（1）在分析了部分文献中阻燃剂燃烧法优缺点的基础上，提出的沥青直接燃烧法可以在一定程度上反映制备的新型高效沥青阻燃剂的燃烧特性。

（2）制备的ZFR-Ti阻燃沥青燃烧时间最短，引燃温度较高，烧失量最小，且明显燃烧后残余较大量流质的沥青，能够在一定程度上抑制阻燃沥青在燃烧时中间部分的燃烧。

（3）添加制备的ZFR-Ti阻燃剂后的沥青可以较有效的抑制沥青的燃烧，缩短燃烧时间对隧道救援有很重要的意义。

（4）由于实验中为了安全起见，使用的沥青的量较少，所以无法较为直观的表现出阻燃剂的抑烟作用。

[1]陈辉强，陈仕周. 沥青阻燃改性技术研究. 公路交通技术，2003（2）:19-20

[2]黄志义，吴珂. 长大隧道沥青混凝土路面的防火安全性能[J]. 浙江大学学报（工学版），2007,41(8):1427-1428

[3]郭进存，廖克俭，戴跃. 阻燃沥青的研制[J].辽宁石油化工大学学报，2005,25（2）：5-8

[4]陈辉强，郝培文. 阻燃改性沥青的研发及其混合料性能评价[J]. 武汉理工大学学报，2008（12）：58-62

[5]姜敏，李波，王强. 新型高效沥青阻燃剂的制备[J].中国建材科技，2011（4）

[6]岳永和，李波，王强.新型高效阻燃剂对沥青混合料体积指标的影响[J].中国建材科技，2011（4）

[7]杨群, 李望瑞. 沥青阻燃性能的评价方法与性能研究[J]. 建筑材料学报, 2008, 11(4)

[8]彭建康，樊德，苏胜斌，董瑞琨. 沥青及沥青混凝土阻燃性能测试与评价[J]. 材料导报,2009(11)