硅藻土-多聚磷酸铵协同改性阻燃沥青性能影响分析

史鹏鸿

（山西平阳路桥有限公司，山西 临汾 041000）

隧道作为公路交通特殊节点，其安全性一直是工程技术人员关注的重点，由于隧道密闭性的特点，其防火减灾工作一直是研究的热点。当前，在隧道内铺筑沥青路面对沥青都有阻燃的要求，通过添加阻燃剂能显著提高沥青的阻燃性，可延缓火势并为救援工作争取宝贵的时间[1]。目前，常用的阻燃剂多为复合协同类型，即磷-氮、磷-卤、磷-氢氧化物等类型阻燃剂共同使用，达到阻燃的目的[2]。硅藻土是一类具有多孔结构的非金属无机填料，具有比表面积大、吸附性强的特点，其多孔隙结构可在高温下吸附轻物质，减少沥青燃烧时可燃物与空气的接触[3]。多聚磷酸铵（APP）是一种含氮、磷的新型环保阻燃剂，是当前沥青阻燃剂的主要物质之一。研究中发现将APP和硅藻土（DE）进行协同使用可有效提高APP的阻燃效果，其碳层厚度更大，可有效隔绝空气，起到阻燃的作用[4]。本文通过将APP和DE进行复配添加到SBS改性沥青中，测定其阻燃效果并对改性沥青的性能进行测定。

1 试验原材料

1.1 硅藻土

选用石家庄长利矿产品有限公司生产的600目硅藻土，产品性能如表1。

表1 硅藻土性能指标

1.2 APP

APP含磷量大、含氮量高，燃烧时磷氮体系产生协同阻燃效应，阻燃性好。本试验选用合肥皖燃新材料科技有限公司生产的APP，聚合度n＞1000，含磷量30%～32%，含氮量14%～16%。

1.3 SBS改性沥青

为充分论证阻燃剂对沥青的阻燃效果分析，模拟上面层沥青应用效果，试验采用规范推荐的SBS改性沥青。SBS为巴陵石化生产，沥青选用中海70号基质沥青。制备得到SBS改性沥青性能见表2。

表2 改性沥青基本性能

1.4 DE-APP的添加形式

称取 3份 10 g、15 g、20 g DE分别放入 100 g的 APP中，即制成 3种重量比 0.1、0.15、0.2的DE-APP复配阻燃剂，三者分别命名为DE-APP10型复配阻燃剂、DE-APP15型复配阻燃剂，DE-APP20型复配阻燃剂。在SBS改性沥青中分别加入以上3种复配阻燃剂，添加比例为10%、12%、14%、16%、18%、20%。

2 阻燃性能分析

2.1 极限氧指数分析

对以上阻燃改性沥青分别进行氧指数试验，研究不同掺配形式和掺配比例阻燃剂的阻燃效果，试验结果如图1所示。

图1 不同阻燃剂掺量改性沥青的极限氧指数

由图1可知，DE-APP复配阻燃剂较APP阻燃剂单独使用其氧指数有提升，复配DE-APP 20型阻燃剂氧指数提升最明显。3种复配方式的沥青氧指数都已经达到NB/SH/T 0821-2010阻燃等级Ⅰ型阻燃SBS改性沥青的要求。沥青阻燃剂掺量超过18%以后，复配DE-APP15型阻燃剂和复配DE-APP20型阻燃剂氧指数LOI＞25%，满足以上规范要求的阻燃等级Ⅱ型阻燃SBS改性沥青的要求。

对于3种复配的DE-APP阻燃剂，均具有不错的阻燃能力，其改性沥青的氧指数均随着阻燃剂掺量的增加而不断提高。对比3种复配的形式，复配DE-APP15型阻燃剂的氧指数变化呈现出增速拐点，即在阻燃剂掺量16%时增长幅度最大，超过16%以后其增长趋势变缓。

对比复配DE-APP15型和复配DE-APP20型两种不同形式的阻燃剂，阻燃剂掺量10%时沥青氧指数分别为22.7和24.2。后期掺量大于18%时氧指数基本一致，说明阻燃剂掺量不多时，DE数量的多少对改性沥青的阻燃性能影响较大，当APP阻燃剂掺加量大于18%时，复配DE-APP阻燃剂中的DE含量作用减小。阻燃剂APP对复配阻燃起到主要影响，DE添加量超过15%后效果随复配阻燃剂总体掺量的增多效果逐渐降低。

2.2 烟密度分析

对以上阻燃改性沥青分别进行烟密度试验，研究不同掺配形式和掺配比例阻燃剂的抑烟效果，试验结果如图2所示。

由图2可知，单独添加APP阻燃剂的抑烟效果不及复配DE-APP阻燃剂的抑烟效果，通过复配得到的DE-APP15型阻燃剂，在阻燃剂掺量大于12%的情况下沥青烟密度74.3%，达到《建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法》GB/T8627—1999关于烟密度小于75%的技术要求。

图2 改性沥青的烟密度

沥青烟密度随着复配DE-APP阻燃剂用量的增加而逐渐减少，说明DE-APP的阻燃抑烟效果较明显，且随着APP用量的增加而呈下降趋势，该过程中APP起到主要作用。DE的抑烟效果不及APP，但随着DE含量的增多，复配DE-APP20型阻燃剂的性能好于复配DE-APP15型阻燃剂的性能，无机粉末DE因其比表面积大、多孔隙结构可吸附更多的烟尘，同样掺量下的高含量复配DE-APP20型阻燃剂蘑菇头膨胀率无明显差别，图3为燃烧后气体膨胀阻燃形成的蘑菇头。

图3 沥青燃烧后效果

3 沥青基本性能分析

借助改性沥青的氧指数和烟密度试验，采用复配DE-APP15型阻燃剂即可起到明显的阻燃效果。采用该试验结果进行沥青的三大指标试验，测定复配DE-APP15型阻燃剂对沥青性能的影响。根据试验结果作图4。

图4 阻燃剂改性沥青性能指标

通过图4的针入度曲线看出，改性沥青针入度随着阻燃剂掺量的增加而逐渐降低，阻燃剂掺量20%的改性沥青较阻燃剂掺量10%的改性沥青其性能相差11.4%。阻燃剂的掺入，造成沥青整体变硬，动力黏度随之升高。和针入度变化类似，改性沥青的延度随着阻燃剂掺量的增加而逐渐降低，在初期降低幅度变化趋势较大，当添加量超过16%以后，降低趋势减小，说明随着DE-APP15型阻燃剂掺量的增加，改性沥青延度变化趋势变缓慢。与之对应的，改性沥青因DE-APP15型阻燃剂掺量的增加软化点呈现升高的趋势，掺量从10%到20%的变化范围内，其软化点提高了8.9℃。对比几组数据，为了保证改性沥青的性能满足规范JTG F40—2004中关于改性沥青的要求，DE-APP阻燃剂掺量宜控制在14%～16%之间。

4 结语

通过考察复配DE-APP阻燃剂加入后，对SBS改性沥青氧指数、烟密度和沥青性能的影响。发现在添加复配DE-APP阻燃剂后，改性沥青的氧指数均随着阻燃剂掺量的增加而不断提高，阻燃剂APP对复配阻燃起到主要影响，阻燃剂中DE添加量超过15%后阻燃效果随复配阻燃剂总体掺量的增多效果逐渐降低。单独添加APP阻燃剂的抑烟效果不及复配DE-APP阻燃剂的抑烟效果。为保证改性沥青性能满足规范要求，复配DE-APP15型阻燃剂在沥青中掺量宜控制在14%～16%之间。