煤矿巷道沥青路面阻燃技术研究现状

2014-04-06王文亮

山西建筑 2014年24期

王文亮

(宁夏煤矿设计研究院有限责任公司，宁夏银川 750021)

煤矿辅助运输巷道路面的结构形式主要分为水泥混凝土路面、沥青路面和复合型路面三种。相比较而言，水泥混凝土路面铺装需要进行接缝处理、表面平整性相对较差、易产生扬尘、路面噪声大、抗滑性差，易发生交通事故。水泥路面一旦损坏，养护维修困难［1，2］。复合型路面形式，系指在水泥混凝土路面上加铺沥青层复合而成的整体性结构［3］。由于两种材料模量的差异较大，呈现明显的变形不协调性，加之复合型路面容易产生反射裂缝、脱层及坑槽等病害，耐久性较差，因此并未广泛使用［4］。沥青路面因其良好的抗滑性、平整性、吸音性且养护容易更适应隧道内部的特殊气候与环境。因此，目前巷道路面铺装趋于使用沥青路面结构。但问题也随之而来，沥青具有可燃性，燃烧后会释放出大量烟雾和有毒气体［5］。一旦火灾发生，受巷道内部封闭性的限制，烟雾和有毒气体不能较快扩散，轻者引起道路交通中断、巷道设施和内部结构的破坏，重者会造成严重的人员伤亡和经济损失。世界上很多国家都曾发生过严重的隧道火灾事故。因此，为保证隧道内行车安全，开展沥青路面的阻燃抑烟性能研究，是十分有必要的。

1 阻燃剂阻燃机理

沥青的燃烧是一个放热和分解的物理过程，进行沥青阻燃抑烟研究，就是研究如何提高沥青熔点和分解温度，减少有毒气体产生［6］。对此，目前最为简单有效的阻燃办法，就是将阻燃剂掺入沥青中制成阻燃沥青。而阻燃剂的阻燃机理大致分为吸热、抑制链反应、物理覆盖和不燃气体自熄四种。实际使用中，多种阻燃机理大多同时作用。以APFR复合阻燃剂为例:燃烧初期，阻燃剂中氮磷系成分发生分解，生成的粘稠状半固态物质和游离基，覆盖于沥青表面以隔绝氧气和热量。游离基捕捉H+和OH－游离基，使其浓度下降，燃烧链式反应难以进行;在燃烧中期和后期，抑烟成分分解，烟雾浓度降低;同时，铝系及镁系阻燃成分在反应过程中生成水，和反应本身的吸热过程有效地降低了体系温度，最终达到了阻燃的目的［7］。

2 常见的阻燃剂

常见的阻燃剂有有机卤素化合物阻燃剂、磷系阻燃剂、锑系阻燃剂、氮系阻燃剂、磷—氮系阻燃剂、氢氧化铝、氢氧化镁、硼酸锌等。阻燃剂既可以单独使用，也可以协同作用，达到更好的阻燃效果。氢氧化铝作为一种廉价的无机阻燃剂，在230℃～350℃时分解挥发出水蒸气，达到阻燃的目的。试验发现氢氧化铝对沥青同时有很好的抑烟作用，但在添加量较少时，氢氧化铝的阻燃作用不佳［8］。纪伦等［9］试验发现掺入矿粉、氢氧化铝制成的阻燃沥青(A-T阻燃体系)具有吸热、覆盖、稀释多重阻燃机理，放热及发烟特性均优于基质沥青，通过添加方式可以实现沥青的阻燃，达到材料的自熄指标。而钛酸酯阻燃剂和阻燃增效剂硼酸锌二者协同作用，则提高了阻燃沥青的热稳性和阻燃性，增加了实际成炭量［10］。随着国家对隧道沥青路面阻燃要求的提高，复合阻燃剂和环保型阻燃剂也受到了越来越多学者的青睐。掺入十溴二苯乙烷、硼酸锌和氢氧化镁(比例5∶4∶1)混合物的复合阻燃剂与原沥青相容性好，使阻燃SBS改性沥青物理性能满足标准的同时，达到了阻燃的目的［11］。APFR隧道路面专用复合阻燃剂作为一种环保的无卤素阻燃剂，因其掺量小、阻燃效果好、性价比高等优点，已在国内多条隧道中进行了铺装使用，且技术成熟［12］。

3 阻燃沥青路用性能研究

阻燃沥青在具有阻燃效果的同时，还应具有良好的路用性能、足够耐久性和稳定性，不影响沥青的使用性能和使用寿命。严军等［13］在评价加入8%FRMAX阻燃剂的SBS改性沥青的主要技术指标时发现，阻燃沥青的针入度、软化点、闪点等指标变化不大，只有延度变化明显，降低9 cm，但变化后延度满足技术要求。通过车辙试验、小梁弯曲试验、水稳定性试验，胡中华［14］同样证明，添加环保阻燃剂的阻燃沥青与SBS改性沥青路用性能相比变化不大。以三氧化二锑和十溴二苯醚为复合阻燃剂，以氢氧化镁和氢氧化铝为抑烟剂，制备的阻燃型SBS改性沥青，在取得较好的阻燃效果的同时，通过薄膜烘箱加速老化试验，明确了阻燃型SBS改性沥青比基质沥青具有较高的老化活化能、较低的老化速率，抗老化性能好［15］。因阻燃沥青良好的路用性能和阻燃效果，近年来多条已通车隧道沥青路面做了阻燃处理，如:重庆渝和高速公路上北磅隧道施工中添加了溴系阻燃剂;安徽沿江高速公路YJ1-LM02合同段隧道沥青中添加了FRMAXTM阻燃改性剂。经国家防火建筑材料质量监督检验中心检测，检测结果表明沥青混合料达到了阻燃要求。

4 阻燃沥青阻燃性能的测试方法

关于如何测定阻燃沥青阻燃性能，国内并没有明确的测定方法，不同的学者根据不同放热方法进行测定，测定方法主要有以下几种:

1)极限氧指数法:在规定的试验条件下，被测样品在氧、氮混合气流中维持平稳燃烧时所需的最低氧浓度。彭丹［16］试验发现加入阻燃剂后沥青氧指数提高，其中阻燃剂掺量为20%时，为最优掺量，此时氧指数变化曲线趋于水平。许阳贵等［17］选用硼酸锌、氢氧化镁和聚磷酸铵，三种阻燃剂进行氧指数试验，结果发现SBS改性沥青的氧指数为20.6%，加入阻燃剂之后，各种阻燃改性沥青的氧指数均在22%以上，且掺量越多，氧指数越大。

2)锥形量热试验:将试验中所有的燃烧产物都收集起来并精确地测出气体的流速和氧气的浓度，就可根据氧浓度的变化算出材料燃烧时热释放量。严伟［18］进行了锥形量热燃烧试验，在改性沥青混合料中加入12%溴—锑复合阻燃剂，发现阻燃沥青引燃时间明显增长，总热释放量明显降低。

3)差热分析方法:某种在一定试验温度下不发生任何化学反应和物理变化的稳定物质(参比物)与等量的未知物在相同环境中等速变温的情况下相比较，温度出现暂时的增高或降低。降低表现为吸热反应，增高表现为放热反应［19］。孙莉安［20］试验后发现:在差热分析试验中阻燃沥青明显发生了化学分解吸热反应，阻燃剂达到推迟燃烧、阻止燃烧的作用。

4)UL94试验方法是由美国保险商实验室提出的，现在世界上很多国家用来测试塑料的燃烧性能的方法，主要分为水平和垂直两种燃烧方法。试验测试后，根据试验结果将材料的燃烧性能按照阻燃等级由低到高分为 V-2，V-1，V-0，5-V四级。董芃伯［21］进行了添加12%聚磷酸铵阻燃剂的改性沥青试样的UL94垂直燃烧试验，阻燃等级达到了V-0级，说明聚磷酸铵阻燃剂具有良好的阻燃性能。

5)烟密度法是一种常用的评价抑烟性指标的方法。通常情况下，抑烟往往比阻燃更重要。烟密度法定义为规定暴露面积的试件在规定容积的烟箱内燃烧产生烟雾，测定平行光束在烟雾中穿过单位光路长的透光率变化，再计算比光密度D［22］。

5 不足与展望

虽然国内外许多学者对阻燃沥青展开了一系列研究，也取得了很多优秀的科研成果。但阻燃沥青的发展仍然存在以下几点问题:

1)我国使用的阻燃剂中，卤系阻燃剂比例过高，无机型阻燃剂用量较少。实际使用比较多且具有良好阻燃效果的阻燃剂十溴二苯醚在阻燃过程中甚至会分解出有毒气体，且成本较高［23］。大力研发廉价、安全、高效的环保型阻燃剂已经成为必然。2)目前国内外对阻燃沥青的阻燃性能虽然存在多种测试方法(笔者提到了其中四种测试方法)，但即使采用同种方法，测试结果也相差较大。为了测试结果精确、可比，应提出更完善的阻燃性能评价体系。3)有些研究只是针对沥青结合料而不是针对沥青混合料，实际上二者的阻燃性能有着较大的差异，尤其是某些改性剂的加入更有可能改变其阻燃性能［24］。4)一些阻燃剂的有效成分可能在运输、铺装过程中挥发，阻燃效果不明显。

［1］余剑英，程松波，吴冬生，等.ATH阻燃改性沥青SMA路用性能研究［J］.公路，2008(1):184-187.

［2］何壮彬，谢军.基于隧道内部环境的路面性能研究［J］.西部交通科技，2010(Z1):72-76，81.

［3］胡长顺.复合式路面设计原理与施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2000:155.

［4］李雪峰.隧道沥青路面面层材料研究［D］.重庆:重庆交通大学，2008.

［5］杨群，郭忠印，蔺习雄.隧道路面阻燃多孔沥青混凝土性能研究［J］.同济大学学报(自然科学版)，2005(3):316-320.

［6］张睿卓，宁华宇.隧道阻燃沥青及其混合料的发展现状［J］.石油沥青，2011(6):69-72.

［7］刘薇，张方方，张捷，等.隧道阻燃沥青及混合料阻燃性能评价［J］.中外公路，2010(5):237-240.

［8］苏胜斌.沥青燃烧性能测试方法与填料阻燃机理研究［D］.重庆:重庆大学，2010:1-87.

［9］纪伦，谭忆秋，张磊，等.公路隧道路面用沥青的阻燃技术研究［J］.公路交通科技，2010(3):23-27，33.

［10］陈辉强，唐伯明，郝培文.BFR-Ti和ZB协同阻燃隧道路面沥青的阻燃性能及机理［J］.重庆大学学报，2013(3):53-58.

［11］敖清文.贵州省高速公路隧道阻燃改性沥青路面应用研究［J］.公路工程，2010(4):175-178.

［12］张毅，梁乃兴，李凌，等.温拌阻燃沥青混合料在隧道路面中的应用技术研究［J］.公路交通技术，2009(4):111-114.