公路隧道改性阻燃沥青测试方法及相关性能研究

高 景 伟

(陕西交建机械化养护有限公司，陕西 西安 710000)

公路隧道改性阻燃沥青测试方法及相关性能研究

高 景 伟

(陕西交建机械化养护有限公司，陕西 西安 710000)

基于在纺织品当中采用氧指数方法，提出一种主要的沥青氧指数测试方法，指出在以后的研究中，沥青阻燃剂的评价方法和标准应该被进一步细化精炼和调整，从测试结果来看，可以发现阻燃剂的添加对沥青路面性能是有益的，对于Mg(OH)2阻燃剂而言，掺量达到8%可以达到沥青性能综合最优的效果。

高速公路隧道，沥青路面，沥青阻燃剂，Mg(OH)2阻燃剂

0 引言

在山区地带，公路隧道技术得到大量应用，例如日本和一些欧洲国家。在日本，从1952年到2000年大约50年，公路隧道的数量从1 500座增加到超过8 000座增长接近5倍，并且公路隧道的英里数从500 km增加到2 275 km增长达到4倍。1998年在德国，根据Haack’s的统计数据，公路隧道的数量根据联邦政府的在建隧道数据统计超过157座。

在中国，随着修建技术的改善和成本的减少，公路隧道在高速公路建设中得到了广泛应用，公路隧道采用沥青路面已成为一种新的趋势。

通常，隧道火灾发生的可能性要小于外部公路。但是，加之隧道是一个特殊的半封闭空间，内部通风条件很差，倘若发生交通事故而引发火灾，沥青混凝土路面燃烧后释放出大量的热和有害气体就会严重影响人的身体健康，甚至危及生命，隧道越长，伤亡损失就越严重。

自从1957年，当世界公路协会首次建立的时候，它就设立公路隧道组织去考虑隧道交通的安全性。在第18次世界公路大会时，讨论重点是关于隧道的安全性、安全设备、消防设施和建筑安全标识。在1992年，世界公路协会设立了危险物运输协会，其目的在于隧道危险物运输情况调查。

为了阻止公路隧道的一些灾难发生，如浓烟、大火等，国际组织提出了许多设计建议值作为公路隧道的设计标准，例如通风设施的设置、进出口的设置包括数量和位置。

随着公路隧道沥青路面的应用逐渐增加，阻燃沥青路面的研究需要给予更多的关注和研究。下文将对沥青阻燃剂做一些初步的研究包括阻燃沥青的评价指标、设备和测试方法，阻燃剂对沥青路用性能的影响效果，如软化点、延度等。

1 阻燃沥青的研究

沥青燃烧评价方法:

评价沥青安全性的指标通常使用闪点和燃点。闪点常用来评价沥青的存储安全性，燃点常作为施工安全性的评价指标。

在实际操作过程中，采用闪点和燃点作为指标评价沥青燃烧性能有一些限制因素。原因如下：

1)闪点和燃点不能用来评价沥青的持续燃烧性能，因为沥青的燃烧时间在测试过程中是非常短的。2)对于不同种类的沥青，包括改性沥青，轻质油的成分是不同的，当达到一定的临界温度时就会导致弱结合键的断裂和轻质油挥发。在此时，对于不同沥青的闪点、燃点的差异是毫无意义的，因此，它们不能够用来比较不同阻燃沥青的性能和效果。

为了改善沥青路面的操作安全性，路面的阻燃性能必须加以改善。在国内和国外，阻燃沥青的性能一直处于研究阶段，并且也得到了一些抑烟阻燃产品。但是，对阻燃沥青的性能评价方法仍然缺乏统一性，虽然一些研究者使用极限氧指数方法评价阻燃沥青性能，但是仍然缺少清晰明确的标准，导致结果缺乏可对比性。现在迫切需要研究一种标准方法用于评价沥青的燃烧性能来指导阻燃沥青的生产和发展。

氧指数作为评价阻燃材料的性能参数，广泛应用于纺织品工业和化工业中，并且已经形成了用标准方法(GB/T 16581-1996，GB 10707-1989，GB/T 5454-1997)测试的国际标准。氧指数能够用来评价材料的持续燃烧性能，因此，它可以用来评价阻燃沥青性能。但是，氧指数测试方法和标准应用在沥青产品中有一定的困难。沥青在室温下燃烧是很困难的，并且受到气流和流速的影响。根据以上原因，必须研究一种可行的沥青氧指数评价测试方法和步骤。

2 氧指数测试方法研究

2.1 设备和测试方法

参照使用纺织化工业规范标准和仪器——氧指数仪，仪器气流精度为：O2为0.2 L/min，N2为0.5 L/min。燃烧气体来自于工业气体，O2浓度≥99.5%，N2浓度≥99.5%。压力控制要求在高压缸内不少于15 MPa和气体压力为0.1 MPa～0.5 MPa。秒表计时器精度为±0.25 s，点火设备是一个直径(2±1)mm的管子连接到液化石油气。

测试设备如图1所示。沥青样品放在容器内的支柱上，之后调节气体浓度使之充满整个容器后点燃沥青试样。

最小氧气浓度称之为极限氧指数(LOI)，所提供样品在O2和N2混合气体下保持燃烧平衡。使用这个公式表示为:

其中，[O2]为氧气体积流量，L/min;[N2]为氮气体积流量,L/min。

2.2 因素分析

由于沥青的性质与一般纺织品有很大区别，LOI测试方法应该调整解决一些固有的特性如燃烧性能。问题的关键是要找到影响沥青持续燃烧试验的主要因素。在本文中，主要考虑到了两个主要因素，一个是在燃烧之前样品的加热温度，另一个是维持燃烧时的混合气体流动速率。

2.2.1 燃烧之前样品的加热温度

在正常的温度条件下，沥青试样是不能被点燃的，甚至在氧气浓度接近60%～80%的情况下，因此沥青必须加热到一定的温度下才能被点燃。沥青的比热与温度有紧密的关系，在0 ℃，沥青的比热是1.672×10-3J/(g·℃)～1.797×10-3J/(g·℃)。当温度上升1 ℃，沥青的比热将会增加1.672×10-3J/(g·℃)～2.058×10-3J/(g·℃)。在不同的温度条件下，由于沥青不同的比热沥青燃烧可以产生和传递不同的热量，从而导致不同的持续燃烧能力。测试所得到的LOI值也将会发生相应的变化。在其他条件相同的情况下，在燃烧之前沥青加热温度越高，沥青持续燃烧的时间可能会更长。选择基质沥青和改性沥青，设置其他测试条件包括样品重量、氧气浓度和总的气体流速。之后，在燃烧之前将沥青样品加热到不同的温度，样品的重量为30 g，氧气浓度为19.35%，气体流速为9.3 L/min。样品持续燃烧时间与加热温度的测试结果如图2所示。

从图2 可以看到，加热温度与持续燃烧时间有良好的相关性，在燃烧之前加热温度越高，燃烧持续时间就越长。当加热温度达到280 ℃时，对于基质沥青或改性沥青的燃烧持续时间没有较大的变化。换而言之，沥青加热温度达到280 ℃时，能够为沥青提供稳定的持续燃烧条件。

2.2.2 混合气体流动速率

在这个过程中,燃烧产生的烟雾或气流对热量转移有很大的影响。较大的气流可能会导致热传播逆流，从而造成持续燃烧时间的减少。与此同时，这种热传播的加速将会使得试样内部热量不足以维持继续燃烧所需热量。在燃烧测试之前，试样重量为30 g、加热温度为280 ℃。在氧气浓度相同、混合气体流速不同的条件下测试持续燃烧时间，测试结果如表1所示。

表1 不同混合气体流速下的燃烧时间

从试验结果看，当氧气浓度都是19.35%、气体流动速率相差3.1 L/min时，燃烧时间相差87.5 s；当氧气浓度为18.8%和18.6%(基本接近)、气体流动速率相差3.1 L/min时，燃烧时间相差44 s。可以得出，气体流动速率对燃烧时间有很大影响，同样决定影响着氧指数的大小。气流速率越大，燃烧时间越短。因此，在测试的过程中需要将混合气体的流速控制在一定的范围内，这就需要设备具有较高的精度控制性能。

3 测试过程分析

3.1 初步的测试条件

根据以上分析，初步的测试条件设定如下：1)试样重量为30 g；2)燃烧之前加热温度为280 ℃；3)混合气体流速在10 L/min～11.4 L/min，变化不应超过10%；4)持续燃烧时间为60 s时的氧指数是极限氧指数。

3.2 阻燃剂的选择

在研究中发现，选择无机物Mg(OH)2作为阻燃剂，其具有抑烟和吸热的特性。产品化学成分如表2所示。

表2 Mg(OH)2化学成分表

3.3 阻燃沥青的准备

阻燃沥青的制备按以下三步进行：首先，将基质沥青在110 ℃加热30 min;其次，加入SBS在175 ℃剪切15 min；最后，加入阻燃剂剪切10 min。

4 测试结果分析

4.1 氧指数、闪点和燃点之间的对比

分别选取一种基质沥青、改性沥青和加有5% Mg(OH)2的阻燃沥青，测试氧指数、闪点和燃点如图3所示。在图3中，A0代表基质沥青；A1代表加有Mg(OH)2的基质沥青；M0代表改性沥青；M1代表加有Mg(OH)2的改性沥青。

从图3可以得出，对于基质沥青和改性沥青，添加Mg(OH)2与否对其闪点、燃点的影响差异不是很明显。对于基质沥青，当加入Mg(OH)2时闪点和燃点都减小，同时，在基质沥青和改性沥青中加入Mg(OH)2氧指数都会增加。表明，LOI指标是可以用来评价沥青的持续燃烧特性的，并且也可以用来评价不同阻燃剂的阻燃特性。

4.2 改性阻燃沥青性能

选择壳牌SBS改性沥青，分别加入四份Mg(OH)2阻燃剂，质量分数为0%,5%，8%，10%。测试氧指数、针入度、软化点、5 ℃延度和135 ℃粘度。目的是分析Mg(OH)2对沥青性能的影响效果，测试结果见图4～图7，表3。

4.2.1 阻燃剂对沥青针入度的影响

如图4 所示，随着阻燃剂量的增加，沥青的针入度将会减小并且呈线性关系。随着阻燃剂的加入使得沥青的稠度变大，以致于沥青针入度变小。

4.2.2 阻燃剂对沥青软化点的影响

如图5所示，阻燃剂的加入对沥青软化点的影响不明显，沥青材料是一种非晶态聚合物材料并没有确定的凝固点和液化点。

4.2.3 阻燃剂对低温延度的影响

如图6所示，阻燃剂的加入能够有效增加沥青的低温延度，随着阻燃剂含量的不断增加，在含量8%之前，延度的增长速率很明显；而含量超过8%以后，延度的增加并不明显，随着含量的继续增加延度基本不再发生变化。这是因为阻燃改性剂的增加，使其与沥青发生交联反应形成网状空间结构，从而增加了沥青的低温延度，随着含量的继续增加，这种作用已不再有助于延度的增加。

4.2.4 阻燃剂对高温粘度的影响

如图7所示，随着阻燃剂含量的增加，沥青的高温粘度也相应增加，当含量达到8%时，粘度的增加发生较为明显的转折。这

表明，阻燃剂的添加可以提高沥青的高温性能。

4.2.5 阻燃剂对沥青氧指数的影响

使用氧指数测试方法，测试结果如表3所示。可以看出，随着阻燃剂添加量的增加，沥青氧指数迅速增大，但是，当阻燃剂含量增大到一定程度时，氧指数增加速率将会减少。从测试结果可以看出，当阻燃剂添加量超过8%时，氧指数增加不是很明显。对于不同的沥青，合理的阻燃剂添加量是不同的，需要通过氧指数试验和其他性能测试来确定不同沥青阻燃剂添加量的合理用量，而不是用量越多越好。

表3 LOI测试结果

5 结语

从以上分析可以得出如下三个结论：

1)采用闪点和燃点指标，不能够区分不同种类沥青所掺加不同掺量的阻燃剂的燃烧性能。氧指数方法可以评价沥青的持续燃烧性能。

2)在未来的研究和应用中，阻燃沥青评价方法和标准应该被进一步细化和调整。

3)阻燃剂的添加对沥青路面性能有一定的益处，综合阻燃剂对沥青高温、低温和氧指数的性能影响分析，对于Mg(OH)2阻燃剂而言，添加量8%可以达到最佳综合性能。

[1] GB/T 16581-1996，绝缘液体燃烧性能试验方法 氧指数法[S].

[2] GB 10707-1989，橡胶燃烧性能测定 氧指数法[S].

[3] GB/T 5454-1997，纺织品燃烧性能试验 氧指数法[S].

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[8] Schmitz J.V.Testing of Polymers[J].Interscience Publishers,1965(2)：349.

Study on modified fire retardant asphalt test method and related performance on highway tunnel

GAO Jing-wei

(ShannxiTransportationConstructionMechanizedMaintenanceCorporation,Xi’an710000,China)

Based on the oxygen index method is used in the textile, put forward a kind of main method of asphalt oxygen index test. In future research and application, evaluation method and standard of asphalt flame retardant should be further refined refining and adjustment. Can be found from the test results, the addition of flame retardant is benefit for the asphalt pavement performance, for the Mg(OH)2flame retardant, dosage of 8% can achieve the result of comprehensive optimum asphalt performance.

highway tunnel, asphalt pavement, asphalt flame retardant， Mg(OH)2retardant

1009-6825(2014)13-0131-03

2014-02-27

高景伟(1967- )，男，高级工程师

U459.2

A