隧道路面用复配无机阻燃剂改性沥青性能评价

2021-10-30兰翔

黑龙江交通科技 2021年10期

兰翔

(陕西高速公路工程咨询有限公司，陕西西安 710064)

近年来随着高等级公路建设进入新阶段，大量的长大隧道路面铺装开始采用沥青混凝土路面。然而，隧道空间封闭狭长，交通事故频发，一旦发生火灾，隧道内部烟雾和温度不易排出，能见度急剧下降，同时由于沥青混合料中沥青燃烧产生大量有害气体，严重威胁到人员生命财产安全。目前沥青中阻燃剂应用类型较多，主要分为无机阻燃剂、卤系阻燃剂、磷系阻燃剂和氮系阻燃剂等。无机填充型阻燃剂常用的品种有氢氧化铝、氢氧化镁、陶土、水合硅酸镁、碳酸钙、无机磷、硼酸盐、氧化锑、钼化物等。

为进一步发挥无机阻燃剂的优势，本文以研制一种复配型无机阻燃复合改性剂为目标，依托沥青燃烧性能试验和基本性能试验，优化各种材料的组成比例，为隧道阻燃沥青混合料进一步研究与应用奠定试验基础。

1 试验方法

1.1 沥青制样方法

本研究采用湿法改性来制备复合改性沥青，首先取1～2 kg改性沥青进行脱水；将沥青试样在170 ℃保温1 h；启动高速剪切仪，转速控制在300 r/min；将改性剂加入沥青中，此时转速升至5 000 r/min，剪切5 min后制备成复合改性沥青，即可浇样得到各种性能测试用试样。

1.2 沥青阻燃性能测试

极限氧指数法常用于评价沥青材料的燃烧性能，在规定的试验条件下，刚好能维持材料燃烧时，通入的氧氮混合气中以体积百分数表示的最低氧浓度，以氧气所占的体积百分数计算。目前国际标准化组织和许多国家都采用此方法来评价聚合物材料的燃烧性能，计算公式为

(1)

式中：[O]为临界氧浓度时混合气流中氧气的体积流量，L/min；[N]为临界氧浓度时混合气流中氮气的体积流量，L/min；LOI为极限氧指数，%。

2 试验结果与分析

2.1 阻燃剂单独添加对沥青性能的影响规律

将氢氧化铝(A)、氢氧化镁(B)分别单独掺入SBS改性沥青中，在不同掺量下复合改性沥青氧指数测试结如图1所示。两种阻燃剂掺入后，均能有效提高沥青的阻燃性能，且沥青的氧指数值随着阻燃剂掺量的增加逐步提高。氢氧化铝掺量达到20%时，氧指数值出现LOI变化拐点；氢氧化镁阻燃剂在12.5%掺量时出现LOI变化拐点。

图1 两种阻燃剂不同掺量对沥青LOI的影响

将氢氧化铝(A)、氢氧化镁(B)按一定比例掺入SBS改性沥青中，其三大指标检测结果如表1所示。表中结果表明，随着氢氧化铝和氢氧化镁阻燃剂掺量的增加，阻燃沥青的针入度和延度逐渐降低，软化点无明显变化。

表1 氢氧化铝(A)、氢氧化镁(B)阻燃沥青三大指标检测结果

2.2 阻燃剂复配添加对沥青性能的影响规律

通过上述数据可得出，氢氧化铝和氢氧化镁掺量小于10%时，氢氧化镁阻燃沥青的氧指数值明显大于氢氧化铝阻燃沥青的氧指数值；而当掺量大于10%时，氢氧化铝的效果更佳明显。为了充分发挥两者的阻燃效果，将两者进行复配，使其形成协效阻燃系统。从二者对沥青阻燃和物理性能影响结果可知，二者掺量为20%时其氧指数值均大于隧道路面要求的下限值23。因此考虑将二者复配后按沥青质量的20%掺入SBS改性沥青中测定其极限氧指数和沥青指标性能，从而确定复配比例。由图2试验结果表明，当氢氧化铝和氢氧化镁掺配比例为3∶1时，氧指数比单独使用氢氧化铝时提高了1.1，阻燃效果明显有所提升。

图2 氢氧化铝/氢氧化镁不同复配比对LOI的影响

当掺配比例为1∶1时复配沥青氧指数只有24.8，当掺配比例为2∶1时，氧指数相比单独使用氢氧化铝时略有升高，这是因为氢氧化铝比例较小，随着温度的升高，氢氧化铝发生分解反应产生的氧化物不能有效起到隔热隔氧的作用。当掺配比例为4∶1时，相比于前两种掺配比例其氧指数有所提升，由于此掺配比例下氢氧化铝所占比例较高，在初始燃烧过程中，氢氧化铝分解反应所产生的氧化物附着在沥青表面，很好的抑制了燃烧的进一步进行，当氢氧化铝分解完成温度升高后，氢氧化镁开始参与分解反应，但氢氧化镁的掺量较少，已经不能很好抑制燃烧的进行，因此较3∶1比例时有所下降。

表2试验数据表明，SBS改性沥青针入度和延度都随着不同复配比例阻燃剂的掺入有一定的降低，复配阻燃剂对沥青针入度影响相比于单一阻燃剂的影响差异性不大。关于延度指标，复配阻燃剂对应改性沥青的延度指标降低程度要小于单独阻燃剂对应改性沥青。根据复配无机阻燃体系对SBS改性沥青物理性能(延度、针入度、软化点)及燃烧性能(极限氧指数)的影响综合考虑，确定无机阻燃体系的最佳复配比例为3∶1，其总掺量为沥青质量的20%。