磷渣微粉用作沥青路面阻燃剂的实验研究

郑卫芳 王柳

摘 要：沥青中加入阻燃剂后会提高沥青的阻燃性能，同时也会影响沥青的路用性能。本文针对阻燃剂对沥青的阻燃性能及混合料路用性能的影响进行试验研究，利用DSC差热分析、扫描电镜、能谱仪和极限氧指数等试验对磷渣微粉进行测定，提出隧道用阻燃沥青必须综合考虑阻燃性能和路用性能进行选择。结果表明，磷矿粉具有低卤、无卤、低烟及低毒的特性，其用量少，效率高;同时磷矿粉呈碱性，比表面积大，并与沥青胶结料的粘附性好，对于隧道路面阻燃沥青的选用具有重要的参考价值。

关键词：磷矿粉;阻燃沥青;阻燃性能;氧指数

中图分类号：U454 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）10-0085-03

Abstract： The addition of flame retardants in aspHalt will improve the flame retardant performance of aspHalt， and also affect the road performance of asphalt. Using DSC differential heat analysis， scanning electron microscope， energy spectrometer and extreme oxygen index， the determination of phosphorous slag micropowder was carried out. It is proposed that flame retardant asphalt used in tunnels must be selected by considering the flame retardant performance and road performance. The results show that Phosphate powder has the characteristics of low halogen， no halogen， low smoke， and low toxicity， and its usage is small and high efficiency. Phosphate powder is alkaline， has a large surface area， and has good adhesion to asphalt adhesive. It has important reference value for the selection of flame retardant asphalt on tunnel pavement.

Keywords： Phosphate powder;fire-retardant aspHalt;flame retardant performance;oxygen index

隨着我国近年来公路建设的迅速发展，特别是高等级公路的跨越式发展，公路隧道的数量和建设规模也越来越大，长且大的隧道不断出现。当前公路隧道多采用沥青混凝土路面结构，而沥青是可燃性材料，高温下会燃烧，一旦引燃，会在短时间内释放出大量的热、烟和毒气，并快速蔓延，长隧道一旦发生火灾，其后果将十分严重[1]。因此，研究阻燃沥青及其阻燃机理，使沥青阻燃性能满足隧道应用的条件。长隧道沥青路面的表面层铺装中，必须加入阻燃剂，以提高沥青路面的阻燃性能。本文应用阻燃剂对沥青的阻燃性能及路用性能进行试验研究。

1 磷矿粉性能指标试验

按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）的要求，对磷矿微粉进行筛分试验、密度试验、亲水系数试验及加热安定试验，试验结果如表1、表2及表3所示。

磷矿粉颗粒具有粒级配分布均匀、与沥青混合料粘附性能好及受热而不产生质变等优点，各项测试指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》的要求，可知磷渣微粉可以替代（或部分替代）原有沥青混合料中的阻燃剂或矿粉，并对沥青混合料起到一定的阻燃作用。

为了明确磷矿粉与沥青的粘附性质，对其进行酸碱性试验。首先采用pH值试纸定性测定其酸碱性，试验结果表明磷矿粉为碱性。然后，采用pH剂定量测定磷矿粉溶液的酸碱度，试验步骤为：①制备蒸馏水，将pH剂插入蒸馏水中10min（注意不能与容器皿接触），待pH剂读数稳定后，读出蒸馏水的pH值;②按矿粉质量∶水质量=1∶9配制磷矿粉溶液，静置2h后用pH剂测定磷矿粉溶液pH值;③在测定磷矿粉溶液pH值的同时，用pH剂测定蒸馏水pH值的变化，以消除空气中CO等物质与蒸馏水发生反应的影响。试验结果见表4。

2 磷矿粉阻燃性能试验

本文检验磷矿粉用作沥青路面阻燃剂的性能，首先进行了扫描电镜SEM试验，分析了磷矿粉的表面细观结构与元素组成。根据其自身特性配置了相应的磷矿粉阻燃剂，并进行了磷矿粉阻燃剂的DSC试验与磷矿粉阻燃沥青的极限氧指数试验。

2.1 扫描电镜SEM试验

选用磷矿粉，将其粘到棉签上，摇动棉签将样品洒到粘有双面碳胶带的样品台上，用吹风机吹掉样品台上多余的样品;采用美国PerkinElmer（铂金艾尔默）公司生产的HitachiS-3400NII型扫描电镜进行试验，观测不同放大倍数的磷矿粉颗粒表面形貌及矿物元素组成，如图1所示。

由图1可知，不同磷矿粉颗粒尺寸相差很大，其表面有大小不匀的气孔。矿粉直径大多在10～200μm，较大的矿粉颗粒直径基本在200～1 000μm[2]。表5为磷矿粉表面观测区域元素组成。

2.2 DSC差热分析试验

首先，选取扁平状拇指盖大小的颗粒少许，用剪刀将其剪碎，或挑选0.3mm粒径以下的颗粒，然后利用万分之一克天平称取其质量，精确至0.1mg。试样称取完毕后，将试样置于试样皿中成型，使用美国PerkinElmer公司生产的Diamod DSC差示扫描量热仪进行试验，温度范围为25～550℃，升温速率为5℃/min;试验时，氮气加入速度为20mL/min。图2为DSC热流曲线图。

2.3 极限氧指数测定

将待测样品制备100mm×100mm×4mm（长×宽×高）的试样若干，在试样的任意一端50mm处划线。按国家标准《塑料燃烧性能试验方法氧指数法》（GB/T 2406—1993）规定进行测试，实验结果如表6所示。

由表6可知，纯70#基质沥青与SBS改性沥青的极限氧指数均小于21，即两者在空气中具有高可燃性;加入磷矿粉后，两者的极限氧指数提高为26与23，均大于21，说明磷矿粉70#基质阻燃沥青与SBS改性阻燃沥青在空气中不易燃烧，有较好的阻燃效果[3]。分析阻燃机理可以预见，磷矿粉作为沥青混合料的填料将对沥青混合料起到较好的阻燃作用，从而取得良好的社会经济效益。

3 阻燃沥青及沥青混合料路用性能试验

采用中海油泰州牌70#沥青作为胶结料，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052—2000）的要求，对所制备的70#基质沥青和70#基质阻燃沥青的各项理化性质进行测定，可知70#基质沥青添加阻燃剂（掺入量为5%）后软化点呈上升的趋势且大于等于46℃;25℃时针入度也在要求范围内;针入度指数小于+2，属于溶凝胶型沥青，在最适合路用性能的范围内（-1～+1），延度减小，但满足技术规范要求。RTFOT试验后，70#基质沥青技术规范要求质量损失不大于±0.8。残留针入度比不小于61%，残留延度不小于150mm。故阻燃沥青的RTFOT试验结果均满足技术规范要求。

集料为玄武岩，沥青混合料类型为：AC-13C型沥青混合料使用70#基质沥青;通过马歇尔试验确定AC-13C型沥青混合料的最佳油石比;用磷矿粉代替两者混合料中的矿粉进行马歇尔试验，确定磷矿粉沥青混合料的最佳油石比，最佳油石比增大。这可能是磷矿粉表面气孔较少、纹理粗糙的缘故[4]。

3.1 冻融劈裂试验

试件成型后，将普通矿粉和磷矿粉AC-13C沥青混合料各自分为2组进行饱水，一组在25℃水中浸泡2h后测试。另一组泡水过程如下：①25℃时浸水20min;②0.09Mpa浸水抽真空15min;③-18℃冰箱中置入16h;④60℃水浴中恒温24h;⑤25℃水中浸2h。每组进行4次平行试验，将其均值作为冻融劈裂试验结果，见表7。

由表7可知，冻融前，普通矿粉和磷矿粉AC-13C沥青混合料的劈裂强度值相近，分别为0.94MPa和0.93MPa;冻融后，磷矿粉AC-13C沥青混合料的劈裂强度为0.89MPa，比普通矿粉沥青混合料的强度值大了0.1MPa，其冻融劈裂强度比高达95.69%。劈裂强度在使用磷矿粉代替普通石灰岩矿粉后增加，冻融劈裂强度比提高明显，远大于规范要求，进一步说明了磷矿粉能起到部分抗剥落剂的作用。采用磷矿粉做填料，能大幅提高沥青混合料的抗水损害性能。

3.2 车辙试验

车辙试验是碾压成型一块尺寸为300mm×300mm×50mm的沥青混合料试件。在60℃条件下，以一个轮压为0.7MPa的实心橡胶轮在其上行走，测量试件在变形进入稳定期时，每增加1mm变形需要行走的次数，即称为“动稳定度”（DS），以次/mm表示。用普通矿粉和磷矿粉AC-13C型成型车辙板，各自进行4次平行试验，将其均值作为车辙试验结果，试验结果见表8。

由试验结果可知，用磷矿粉代替矿粉后，AC-13C型沥青混合料的动稳定度达到了3 854次/mm，较之普通矿粉做填料的沥青混合料提高了36%，并远超过规范要求[5]。这表明采用磷矿粉做填料，能大幅改善沥青混合料的抗车辙性能。

4 结论

①掺入一定量的阻燃剂，可有效改善沥青或改性沥青的燃烧性能。

②通过深入研究阻燃沥青的阻燃性，探讨了阻燃剂对沥青性能的影响;对沥青阻燃机理进行了分析研究。

③加入阻燃剂后，沥青及沥青混合料的技术性能仍能满足使用性能的要求，既满足了阻燃性能的要求，也满足了路用性能的要求。

参考文献：

[1]中华人民共和国交通部.公路工程集料试验规程：JTG E42—2005[S].北京：人民交通出版社，2005.

[2]中华人民共和国交通部.公路沥青路面施工技术规范：JTG F40—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]中華人民共和国交通部.公路工程沥青及沥青混合料试验规程：JTJ 052—2000[S].北京：人民交通出版社，2000.

[4]张厚记.沥青路面的矿物组分阻燃机理与技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2007.

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