胎基材料对沥青燃烧性能测试的影响*

廖雪娇，严　蕾，董瑞琨

(1. 重庆大学 资源及环境科学学院，重庆 400044； 2. 重庆大学 土木工程学院，重庆 400045)



胎基材料对沥青燃烧性能测试的影响*

廖雪娇1，严蕾2，董瑞琨2

(1. 重庆大学 资源及环境科学学院，重庆 400044； 2. 重庆大学 土木工程学院，重庆 400045)

摘要：选用玻璃棉、棉布、聚酯毡3种胎基材料分别制备沥青、阻燃沥青试样，利用极限氧指数测定仪测试其点火时间、燃烧时间以及极限氧指数，分析胎基材料对沥青、阻燃沥青燃烧性能测试结果的影响。实验结果表明，沥青、阻燃沥青试样的LOI值会因胎基材料的不同存在差异。本次研究选用的3种胎基材料中，相较于棉布与聚酯毡，玻璃棉更适合用于制备沥青、阻燃沥青试样。

关键词：沥青；氧指数；胎基材料；燃烧性能

1引言

目前沥青阻燃性能的测试与评价，主要是参照国内外化工行业的极限氧指数(LOI)法进行[1-3]。针对沥青与化工材料的燃烧特性之间的区别，相关专家学者研究了沥青试样初始温度、点火时间、混合气体流速、试样状态调节时间以及添加剂等对沥青燃烧性能测试评价结果的影响[4-8]。沥青作为一种特殊材料，其在低温下凝结为固态或黏稠不易流动状态，而当温度高出其软化点，沥青转变为具有一定流动能力的物态形式[9]。相关文献研究发现沥青及阻燃沥青的着火点高达417～433 ℃，远高于沥青的软化点[10]。若参考塑料等化工材料LOI的测试方法，在不借助外物的前提下，沥青试样在被点燃之前，就会出现熔融、流淌、滴落的现象。为解决这一问题，樊军等提出将沥青装于指定容器内，在室温下测试初始温度为280 ℃沥青试样的LOI[4]。Cong P L，Bonatia Alice等利用对沥青具有一定吸附能力的胎基材料制备沥青试样，使其可在室温条件下，参照塑料等固体化工材料的标准进行LOI的测试[11-13]。相比而言，后者的应用较为广泛。然而，胎基材料制备沥青试样对沥青燃烧性能测试结果影响的研究至今仍处于空白。本文分别采用自身燃烧性能、沥青吸附能力有所区别的3种胎基材料制备沥青、阻燃沥青试样，利用极限氧指数测定仪测试其燃烧性能，分析胎基材料对沥青、阻燃沥青燃烧性能测试结果的影响，为选择出适合沥青燃烧性能测试的胎基材料打下基础。

2实验

2.1实验设备

实验仪器采用LFY-606B数显极限氧指数测定仪，点火器材采用内径2 mm的铜管通以液化石油气[8]。

2.2实验材料

实验中沥青选用中海油基质沥青和SBS改性沥青，阻燃剂选用3种阻燃沥青常用阻燃剂，包括氢氧化铝(ATH)、硼酸锌(ZB)以及三氧化二锑(Sb2O3)。

实验中用于沥青试样制备的胎基材料选用棉布、玻璃棉以及聚酯毡，3种胎基材料的燃烧性能存在差异。其中棉布属于易燃材料，LOI为17.8%，遇明火后迅速被点燃，且火焰蔓延快速。玻璃棉也属于易燃材料，其在空气中遇明火后即刻出现阴燃现象。聚酯毡属于难燃材料，在空气中点火30～40 s后出现短暂燃烧，且伴有燃烧产物的滴落。

2.3沥青试样制备方法

胎基材料制备沥青、阻燃沥青试样的主要步骤为：首先将剪裁好的大尺寸(长×宽×厚=130 mm×60 mm×4 mm)棉布、玻璃棉以及聚酯毡依次浸入到温度为(160±5) ℃的沥青或阻燃沥青中，排尽气泡后再浸泡15～20 s后拿出平放在表面涂有隔离剂的玻璃板上，在室温下放置12 h待沥青试样状态调节稳定[7]。然后将沥青、阻燃沥青试样剪裁成燃烧性能测试用的小尺寸(长×宽×厚=80 mm×6 mm×4 mm)[14]。

3结果与分析

3.1对比胎基材料对沥青的吸附能力

利用电子秤依次称量大尺寸130 mm×60 mm×4 mm的棉布、玻璃棉、聚酯毡及其制备中海油基质沥青与SBS改性沥青试样的质量，计算得到单位质量胎基材料可吸附沥青的质量，即为胎基材料对沥青的吸附能力，实验结果见表1。

表13种胎基材料对沥青吸附能力对比

Table 1 Comparison of asphalt-absorbing capacity among three supporting materials

胎基材料类型中海基质沥青SBS改性沥青胎基材料质量沥青试样质量吸附能力胎基材料质量沥青试样质量吸附能力棉布3.438.710.43.442.211.4玻璃棉1.448.433.61.868.537.0聚酯毡4.538.67.64.541.28.2

从表1可以看出，棉布、玻璃棉以及聚酯毡对中海油基质沥青与SBS改性沥青的吸附能力相差均较大。其中，单位质量棉布、玻璃棉以及聚酯毡可吸附中海油基质沥青的质量依次为10.4，33.6以及7.6；单位质量棉布、玻璃棉以及聚酯毡可吸附SBS改性沥青的质量依次为11.4，37.0以及8.2。对比发现，玻璃棉对两种沥青的吸附能力最好，是棉布与聚酯毡对沥青吸附能力的3倍或4倍多。棉布与聚酯毡对两种沥青的吸附能力则相对比较接近。

3.2胎基材料对沥青燃烧性能测试的影响

点火时间和燃烧时间是判定材料LOI的主要依据[5]。利用极限氧指数测定仪测试棉布、玻璃棉以及聚酯毡制备中海油基质沥青和SBS改性沥青试样在不同氧浓度下点火时间与燃烧时间，测试结果见图1和2。从图1和2可以看出，无论是中海油基质沥青还是SBS改性沥青，不同胎基材料制备沥青试样所需点火时间均随氧浓度的增大而减小，燃烧时间则随氧浓度的增大而增大。

图1不同胎基材料制中海油基质沥青试样的点火时间与燃烧时间

Fig 1 The ignite time and burning time ofbase asphalt sample with different supporting materials

图2不同胎基材料制SBS改性沥青试样的点火时间与燃烧时间

Fig 2 The ignite time and burning time of SBS modified asphalt sample with different supporting materials

然而，对比相同或相近氧浓度下不同胎基材料制沥青试样的燃烧情况发现，棉布与玻璃棉制中海油基质沥青和SBS改性沥青试样的点火时间与燃烧时间均较为接近，而聚酯毡制备的两种沥青试样即使在较高氧浓度下仍需较长的点火时间，且燃烧时间很短。

另外，根据相关规范确定不同胎基材料制备中海油基质沥青和SBS改性沥青试样极限氧指数(LOI)[15]，见图3。

图3　3种胎基材料制沥青试样的氧指数

Fig 3 The LOI of asphalt sample with different supporting materials

在图3中，通过对比3种胎基材料制备沥青试样的LOI发现，棉布与玻璃棉制中海油基质沥青和SBS改性沥青试样的LOI值较为接近，而聚酯毡制中海油基质和SBS改性沥青沥青试样的LOI相比前两者则明显较大，最多高出4.2%。

综合3种胎基材料制备中海油基质沥青和SBS改性沥青试样的测试结果发现，棉布和玻璃棉制备沥青试样的点火时间、燃烧时间及LOI均较为接近，聚酯毡制沥青试样则相差较大。与文献[16-17]对比，棉布与玻璃棉制备中海油基质沥青与SBS改性沥青试样的LOI较为合理，而聚酯毡制两种沥青试样的LOI均明显高出其LOI的合理范畴。因此，为了更合理准确研究胎基材料对阻燃沥青燃烧性能测试结果的影响，仅采用棉布与玻璃棉制备阻燃沥青试样进行LOI测试。

3.3胎基材料对阻燃沥青燃烧性能测试的影响

采用棉布与玻璃棉制备含有不同掺量ATH、ZB以及Sb2O3的阻燃中海油基质沥青和阻燃SBS改性沥青试样，利用氧指数仪测试其燃烧性能，绘制棉布与玻璃棉制备阻燃沥青试样LOI随阻燃剂掺量增加的变化曲线，分析胎基材料对不同阻燃沥青LOI值的影响。

3.3.1中海油基质沥青及其阻燃沥青燃烧性能

对比棉布与玻璃棉制备阻燃中海油基质沥青试样的LOI，分析胎基材料对阻燃中海油基质沥青LOI的影响规律。图4-6为胎基材料不同时，中海油基质沥青LOI随阻燃剂掺量增长的变化曲线。

图4不同胎基材料时，中海油基质沥青LOI随ATH掺量增长的曲线

Fig 4 The LOI curves of base asphalt with ATH dosage for different supporting materials

图5不同胎基材料时，中海油基质沥青LOI随ZB掺量增长的曲线

Fig 5 The LOI curves of base asphalt with ZB dosage for different supporting materials

从图4-6可以看出，即使是添加相同掺量的同一种阻燃剂，棉布与玻璃棉制备阻燃中海油基质沥青试样的LOI也存在差别。图4中，当中海油基质沥青中未掺入ATH时，棉布制基质沥青试样的LOI比玻璃棉制基质沥青试样高出0.4%，而当中海油基质沥青中依次添加占沥青质量5.0%，10.0%，15.0%及20.0%的ATH时，棉布制ATH阻燃基质沥青试样的LOI相比玻璃棉制阻燃沥青试样均偏大，且两者之间的差值随ATH掺量的增加而增大。当ATH掺量为20.0%时，两者之间的差值为1.6%。图5中，当中海油基质沥青中依次掺入占沥青质量0.0%，5.0%，10%，15.0%以及20.0%的阻燃剂ZB时，棉布与玻璃棉制ZB阻燃基质沥青试样的LOI值依次相差0.4%，0%，-0.4%，-0.5%以及-0.4%，相差不大。

图6不同胎基材料时，中海油基质沥青LOI随Sb2O3掺量增长的曲线

Fig 6 The LOI curves of base asphalt with Sb2O3dosage for different supporting materials

图6中，棉布与玻璃棉制Sb2O3阻燃基质沥青中，当Sb2O3掺量为10.0%时，两种胎基材料制阻燃基质沥青试样的LOI值相差最大，但差值也仅有0.4%。从上述数据分析可以看出，棉布与玻璃棉制阻燃中海油基质沥青试样的LOI值仅在掺入阻燃剂ATH时存在较大差异，而当掺入阻燃剂ZB或Sb2O3时LOI差值则相对较小，不会影响阻燃基质沥青燃烧性能的判定，可忽略不计。

3.3.2SBS改性沥青及其阻燃沥青燃烧性能

对比棉布与玻璃棉制阻燃SBS改性沥青试样的LOI值，分析胎基材料对阻燃SBS改性沥青LOI的影响规律。图7-9为胎基材料不同时，SBS改性沥青LOI随阻燃剂掺量增长的变化曲线。

图7不同胎基材料时，SBS改性沥青LOI随ATH掺量增长的曲线

Fig 7 The LOI curves of SBS modified asphalt with ATH dosage for different supporting materials

从图7-9可以看出，即使是添加相同掺量的同一种阻燃剂，棉布与玻璃棉制阻燃SBS改性沥青试样的LOI存在差别，但两者之间的差值均很小。图7中，当在SBS改性沥青依次添加占SBS改性沥青质量为5.0%，10.0%，15.0%以及20.0%的阻燃剂ATH时，棉布与玻璃棉制ATH阻燃SBS改性沥青试样LOI的差值依次为0.3%，0.1%，0.4%以及0.2%，最大差值仅有0.4%。图8中，棉布与玻璃棉制ZB阻燃SBS改性沥青试样的LOI值，在ZB掺量为20.0%时相差最大，但差值仅有0.2%。

图8不同胎基材料时，SBS改性沥青LOI随ZB掺量增长的曲线

Fig 8 The LOI curves of SBS modified asphalt with ZB dosage for different supporting materials

图9不同胎基材料时，SBS改性沥青随Sb2O3掺量增长的曲线

Fig 9 The LOI curves of SBS modified asphalt with Sb2O3dosage for different supporting materials

图9中，当Sb2O3掺量为15.0%时，棉布与玻璃棉制备Sb2O3阻燃SBS改性沥青试样LOI的差值最大，但也仅相差0.4%。从上述数据分析可以看出，对于分别添加了阻燃剂ATH、ZB或Sb2O3的SBS改性沥青，棉布与玻璃棉对其LOI测试结果的影响均较小，不会影响阻燃SBS改性沥青燃烧性能的判定。

4讨论

通过对比棉布、玻璃棉和聚酯毡3种胎基材料制中海油基质沥青与SBS改性沥青试样燃烧性能的测试结果(点火时间、燃烧时间以及LOI)发现，不同胎基材料制沥青试样燃烧性能的测试结果之间存在差异，其中棉布与玻璃棉制沥青试样的测试结果较为接近，而聚酯毡制沥青试样的测试结果则与前两者相差较大。从3种胎基对沥青材料的吸附能力方面来看，虽单位质量棉布与聚酯毡可吸附的沥青质量较为接近，但两者制备沥青试样的测试结果却相差较大。虽单位质量棉布与玻璃棉可吸附的沥青质量相差较大，但两者制备沥青试样的测试结果却相对比较接近。可见，胎基材料对沥青的吸附能力对沥青燃烧性能的测试结果影响较小。从3种胎基材料的燃烧性能来看，棉布与玻璃棉在空气中遇明火后迅速燃烧，棉布为明火燃烧，玻璃棉为阴燃，均属于易燃材料。而聚酯毡在空气中即使较长时间点火后也仅能维持数秒燃烧，且伴有燃烧产物滴落的现象，属于难燃材料，燃烧性能与前两者相差较大。3种胎基材料燃烧性能彼此之间的规律与胎基材料制备沥青试样燃烧性能测试结果之间的规律基本相同。可见，胎基材料自身的燃烧性能是影响未添加阻燃剂沥青材料燃烧性能测试结果的主要因素。

对比棉布与玻璃棉制备阻燃中海油基质沥青和阻燃SBS改性沥青的LOI值发现，本研究选用的六种阻燃沥青中，仅ATH阻燃基质沥青试样的LOI因胎基材料不同而存在较大差异。特别是阻燃剂ATH的掺量为20%时，棉布制ATH阻燃基质沥青试样的LOI相比玻璃棉制ATH阻燃基质沥青试样高出1.6%，相差较大，明显高于其它阻燃沥青试样。究其原因主要是：(1) 道路沥青的软化点是指在一定外力存在下，沥青受热从固体或黏稠不易流动的物态转变为具有一定流动能力物态时的温度[9]。实验中选用中海油基质沥青与SBS改性沥青的软化点分别为49.5与81.5 ℃，在高温条件下，SBS改性沥青相较中海油基质沥青黏稠。在沥青试样接受点火的过程中，中海油基质沥青试样相比SBS改性沥青更容易产生熔融、流淌现象，增加其在燃烧过程中的热量损失。而棉布对沥青的吸附能力不足玻璃棉的1/3，吸附能力较差，更加剧了基质沥青试样在燃烧过程中的热量损失，从而导致棉布制阻燃基质沥青试样的LOI相比玻璃棉制偏大；(2) 在测试阻燃基质沥青燃烧性能的过程中发现，仅ATH阻燃基质沥青在燃烧时出现了严重的流淌现象。当ATH的掺量为5%时，试样燃烧时沥青的流淌长度有2 cm，而当ATH的掺量达到20%时，沥青流淌长度则增至5～6 cm。可见，ATH阻燃剂的掺入提高了基质沥青在高温下的流动性，特别是对于采用沥青吸附能力较差的棉布制备沥青试样，燃烧时更容易出现流淌现象，热量损失增大，导致ATH阻燃基质沥青试样的LOI值明显偏高。因此，为了使氧指数法能够更准确、合理地测试阻燃沥青的燃烧性能，避免阻燃剂的加入提高沥青在高温下的流动能力，应选用具有较强吸附能力的胎基材料玻璃棉制备沥青试样。

5结论

(1)胎基材料对沥青的吸附能力与胎基材料自身的燃烧性能都会影响沥青燃烧性能的测试结果，且后者的影响程度相对较大。

(2)相对于棉布、聚酯毡，玻璃棉自身的燃烧性能对沥青、阻燃沥青燃烧性能测试结果影响较小，且玻璃棉对沥青具有良好的吸附能力，可减少沥青受热燃烧过程中因滴落、流淌引起的热量流失，更能合理准确测试沥青材料的燃烧性能。

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The influence of the supporting materials on the test results of asphalt combustibility performance

LIAO Xuejiao1，YAN Lei2，DONG Ruikun2

Abstract:Three types of supporting materials, such as glass wool, cotton and polyester felt, were selected to produce the samples of asphalt and flame retardant asphalt. Ignition time, burning time and the limit oxygen index (LOI) were tested by digital oxygen index instrument. The influence of the supporting materials on the combustibility performance of asphalt and flame retardant asphalt were discussed. The experiment results indicated that the LOI of asphalt and flame retardant asphalt samples were different due to the differences of supporting materials. Glass wool was best suited for producing the samples of asphalt and flame retardant asphalt among glass wool, cotton and polyester felt.

Key words:asphalt; limit oxygen index; supporting material; combustibility

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.01.049

文献标识码：A

中图分类号：U414；U416.217；TU535

作者简介：廖雪娇(1986-)，女，重庆人，在读博士，师承唐建新教授，主要从事岩石力学与安全工程方面的研究工作。

基金项目：国家国际科技合作专项资助项目(2013DFR50550)；重庆市交通委员会科技计划重点资助项目(渝交科字[2008]31号)

文章编号：1001-9731(2016)01-01229-05

收到初稿日期：2015-09-30 收到修改稿日期：2015-12-20 通讯作者：董瑞琨，E-mail: drkcqu@163.com