桥梁阻燃拉索护套复合材料性能影响研究

叶子明，李文献，黄日金,王瑜，黄颖

（1柳州工学院 土木建筑工程学院，广西柳州 545616；2柳州市预应力结构工程技术研究中心，广西柳州 545616；3柳州欧维姆机械股份有限公司，广西柳州 545005）

0 引言

我国是世界上桥梁最多的国家，共有13万多座桥梁，其中斜拉索桥分布在全国各地的重要城市中。随着我国交通运行量的增大，桥梁遭受的风险日益增多，火灾作为交通基础设施可能存在的重要风险之一，威胁着桥梁基本结构安全。全世界范围内每年都有多起严重的桥梁火灾事故发生，拉索是斜拉桥的生命线，桥梁拉索结构的耐火抗火研究受到越来越多的关注。

赵杰等[1]通过添加PP、MEL成炭剂和HDPE合成了膨胀型阻燃复合材料，提高了阻燃剂的阻燃效率以及复合材料的冲击性能。汪晓鹏等[2]在HDPE中添加无机阻燃剂聚磷酸铵、氧化锑制成阻燃格栅材料提高了阻燃性能，达到了防火阻燃的效果。陈涛等[3]采用聚焦磷酸哌嗪（PAPP）与氰尿酸三聚氰胺（MCA）融合组成复配阻燃剂（IFR），通过热重分析、极限氧指数、垂直燃烧等，研究高密度聚乙烯（PE-HD）的阻燃性能、热性改良情况。谷宇川等[4]研发了高密度聚乙烯（HDPE）/废胶粉（WRP）复合材料，试验研究复合材料力学性能及阻燃性能，当Mg(OH)2和AL(OH)3比例为1:1时，氧指数达到30.7%，阻燃效果最好。陶圣熹等[5]以环氧树脂（Epoxy）为囊材，以聚磷酸铵（APP）阻燃剂和二乙基次磷酸铝（ADP）为芯材，制备了具有核壳结构的ADP微胶囊和APP微胶囊，当ADP微胶囊和APP微胶囊的总添加量为质量分数20%，复合材料质量比为2∶1时，对聚乙烯的阻燃效果最好。王永红等[6]结合了喷雾干燥工艺，并以聚乙烯（HDPE）为基体，商业短/长玻纤(SG/LG)为功能增强剂，利用沉淀包裹法研制出纳米包覆凹凸棒粉体（MAT）增强阻燃剂，通过熔融挤出技术制备出高性能阻燃复合材料。

阻燃材料主要分为卤素和非卤，有机和无机。有机高阻燃材料主要是以氮系、溴系和红磷化合物为代表组成，Sb2O3、Mg(OH)2、Al(OH)3、硅系等为高阻燃无机材料的代表。这些阻燃材料在耐火电缆行业中广泛应用于高层建筑、地下通道、水电站、体育馆等与消防安全和救生有关的地方。而在桥梁拉索结构中，往往没有考虑拉索的阻燃性能。拉索在桥梁结构中有着悠久的应用历史，常用的索体材料包括钢丝束和钢绞线等，火灾下这些高强钢材的强度下降远大于热轧钢材，同时预应力拉索锚头抗火性能差，填充低熔点合金和树脂等铸体材料的锚具内部是拉索抗火最为薄弱的环节，因此拉索的火灾安全面临着严峻挑战。本文以HDPE（5000S）为原材料，采用卤系与溴系协同阻燃的机理，制备出不同配比的HDPE（5000S）和阻燃母粒的桥梁阻燃拉索护套复合材料，并对复合材料的阻燃性能进行分析研究，选出最优的索体阻燃护套管复合材料，为桥梁拉索提供高阻燃的安全保障。

1 试验部分

1.1 主要原料

高密度聚乙烯（HDPE5000S）、70#氯化石蜡、十溴联苯醚、十溴二苯乙烷，三氧化二锑、季戊四醇酯（1010），硫代丙酸二月桂酯、辅助抗氧剂（DLTPD）、阻燃母粒。

1.2 主要仪器与设备

试验主要采用了下列仪器设备：JTC-751开放式炼胶机，XH-401双滚筒炼塑机，微机控制电子万能试验机，XLB-D平板硫化机，真空干燥箱，实验用高速混合机，LG3000注塑机，液晶式摆锤冲击试验机，UL94水平垂直燃烧测试仪，极限氧指数测试仪。

1.3 试样制备

将HDPE 80℃下热风干燥2h后待用，将HDPE、经偶联处理的阻燃母粒、增韧剂充分混合，机头温度为195℃，经双滚筒炼塑机挤出造粒，挤出机料筒温度为160℃~190℃，制出的试料在90℃下热风干燥3h后，通过注塑机注塑成标准检测试样。

1.4 性能测试

阻燃复合材料性能测试项目主要包括拉伸强度、伸长率、缺口冲击、弯曲强度、弯曲模量、氧指数等，性能测试按照《桥梁缆索用高密度聚乙烯护套料》（CJ/T 297—2016）进行测定，如图1—图3。

图1 单根燃烧图

图2 极限氧指数测定

图3 拉伸试验图

2 结果与讨论

2.1 不同配比阻燃母粒与HDPE对拉索护套复合材料拉伸性能的影响

表1为不同配比HDPE与阻燃母粒表，图4为不同配比HDPE与阻燃母粒对材料拉伸性能影响关系图。结合图4可看出，材料的拉伸强度随着原料中HDPE比例的增加而变大；反之，阻燃母粒配比增加，复合材料的拉伸强度变小。从结果可以看出，3#复合材料拉伸强度是最大的，当加入80%HDPE和20%阻燃母粒制备的复合材料时，材料的拉伸强度达到了18.7MPa，拉伸性能较好。

表1 不同配比HDPE与阻燃母粒表

图4 不同配比HDPE与阻燃母粒对复合材料拉伸性能影响关系图

2.2 不同配比阻燃母粒与HDPE对拉索护套复合材料冲击性能的影响

图5为不同配比阻燃母粒与HDPE对复合材料冲击性能影响关系图。结合图5和表1可以看出，阻燃母粒配比对强度有一定的影响，复合材料的悬臂梁缺口冲击强度随着阻燃母粒配比的增加，冲击强度有一定程度的减小，当阻燃母粒配比增加到30%时，缺口冲击强度减小幅度明显。对比1#、2#、3#复合材料的冲击强度，复合材料的配比为80%HDPE和20%阻燃母粒时，冲击强度达到18.2 kJ/m2，材料的冲击强度达到了较好的状态。

图5 不同配比阻燃母粒与HDPE对复合材料冲击性能影响关系图

2.3 不同配比阻燃母粒与HDPE对拉索护套复合材料弯曲性能的影响

图6为不同配比阻燃母粒与HDPE对材料弯曲性能影响关系图。从图6可看出，在拉索护套复合材料体系中加入阻燃母粒与HDPE后，随着原料中HDPE添加量的占比加大，复合材料弯曲性能呈现波动性变化，但其变化幅度不大。因此，虽然阻燃母粒添加量不断加大，但对拉索护套材料的弯曲性能没有很明显的提高作用。

图6 不同配比阻燃母粒与HDPE对复合材料弯曲性能影响关系图

2.4 不同配比阻燃母粒与HDPE对拉索护套复合材料氧指数的影响

图7为不同配比阻燃母粒与HDPE对复合材料氧指数影响的关系图。结合表1和图7可看出，从1#到3#，阻燃复合材料的氧指数基本呈线性增加，当复合材料的配比为70% HDPE和30%阻燃母粒时，阻燃复合材料的氧指数为22%；当复合材料的配比为20%阻燃母粒和80%HDPE时，拉索护套复合材料的阻燃效果最好，氧指数为26%，此时复合材料垂直阻燃达到了V-0级。

图7 不同配比阻燃母粒与HDPE对复合材料氧指数影响关系图

3 结论

通过制备出不同配比的HDPE（5000S）和阻燃母粒的桥梁阻燃拉索护套复合材料，对桥梁阻燃拉索护套复合材料性能进行研究，并选取护套材料成束燃烧试验结果氧指数值作为相关参数进行对比。当复合材料的配比为80%HDPE和20%阻燃母粒时，拉伸强度达到了18.7MPa，冲击强度为18.2 kJ/m2，弯曲强度为19.2MPa，氧指数为26%，桥梁阻燃拉索护套复合材料的技术性能和阻燃效果都实现了较好的提升，垂直阻燃达到V-0级，为桥梁拉索提供了高阻燃的安全保障。