可膨胀石墨复配聚磷酸铵协效阻燃沥青性能研究

关甫洋，牛冬瑜，邱雨生

(1.长安大学公路学院;2.长安大学材料学院)

1 试验部分

1.1 原材料

试验所用的基质沥青为壳牌AH－70#的道路石油沥青，沥青的品质直接影响试验结果，为了保证试验结果的准确性，对所采用的基质沥青进行各主要路用技术性能指标测试，检查其是否满足沥青路面施工要求。

聚磷酸铵(APP)阻燃剂是目前应用较为广泛的磷系阻燃剂，因为其在膨胀型阻燃剂中作为出色的酸源又兼有气源功能。

1.2 阻燃改性沥青胶浆的制备

采用的阻燃改性沥青制备方法为混融法，采用高速剪切设备或胶体磨，在一定的温度和时间条件下制备阻燃改性沥青。首先将基质沥青加热至160 ℃并保温，开动剪切仪以3 000 r/min的速度进行搅拌，在10 min 内将所需的复合阻燃剂缓缓的加入到流动的沥青中，然后以约5 000 r/min 的转速高速剪切搅拌30 min 制得阻燃改性沥青。

1.3 阻燃改性沥青胶浆的常规性能测试

以AH－70#基质沥青与复合阻燃剂按不同剂量0wt%、9wt%、10wt%、11wt%、12wt%、13wt% 制备阻燃改性沥青。通过对沥青胶浆常规指标的测试，对基质沥青与复合阻燃改性沥青的试验结果进行对比分析，研究其阻燃改性效果。

2 结果分析

2.1 高温性能研究

(1)阻燃改性沥青软化点研究。

软化点试验表示沥青达到流动状态时所对应的温度。沥青是一种高分子非晶态热塑性物质，没有固定的软化点，当温度升高时，沥青由固态或半固态逐渐软化，内部分子之间产生滑动，这种状态称为粘流态。如下图1 所示反映了阻燃沥青软化点的变化。

图1 软化点与复合阻燃剂掺量的关系

图1 表明，随着复合阻燃剂掺量的增加，阻燃沥青软化点逐渐呈增大的趋势，复合阻燃剂的加入使得沥青的高温性能得到了一定程度的改善。

(2)阻燃改性沥青粘度研究。

粘度是由于流体内部分子结构之间的引力形成摩擦，从而在外部表现为抵抗流动的能力，是沥青材料软硬、稀稠程度的表征，也可以反映沥青材料内部阻碍其相对流动和抵抗剪切变形的一种特性。在我国，由于夏季常遇高温，路面温度可达到40 ～70 ℃，所以测定60 ℃粘度是非常必要的，这个指标反映了沥青胶浆在夏季路面应用中的抗高温性能。为了使得改性沥青的施工性能得到控制，在SHRP 沥青混合料性能规范中提出了135 ℃粘度不得超过3 Pa·s 的技术要求。

图2 60 ℃粘度试验结果

图3 135 ℃粘度试验结果

由图2、图3 可以看出，随着复合阻燃剂掺量的增加，60 ℃粘度由212 Pa·s 逐渐增加到974 Pa·s，对于135 ℃粘度，基质沥青粘度为422 MPa·s，当复合阻燃剂掺量达到13%时，沥青胶浆粘度为693 MPa·s。由此可得，复合阻燃剂在一定范围内添加，既可以满足高温性能的规定，也可以满足沥青混合料施工和易性的要求。

2.2 低温性能分析

已有研究表明沥青的低温延度和开裂性能有一定的因果关系，由于国内沥青有一定程度的含蜡量，这使得部分沥青的延度达不到规范要求，在一定程度上影响了沥青以及沥青混合料的低温性能，所以采用相对比较低的温度来进行沥青的延度测试是有一定的依据和必要性的。

图4 5 ℃延度试验结果

沥青胶浆在低温条件下延度愈好，则沥青的抗裂性能就愈好。由上图4 可以看出，掺加9%复合阻燃剂的阻燃沥青与基质沥青相比5 ℃延度下降较为明显，此后由于阻燃剂增加量相对比较少，所以延度下降的趋势也比较缓慢。说明，随着复合阻燃剂的掺量在一定范围内的变化，使得阻燃沥青胶浆的低温性能有所降低。

2.3 SHRP 技术性能

粘度指标能测定沥青流动状态时的基本性能，但是其只能提供沥青在高温流动状态下的特性。

动态剪切流变仪用来检验沥青的粘弹性，客观上可以检验沥青的高温性能，它通过测定沥青的复数剪切模量G* 和转角δ 的关系来表征沥青的温度特性。G* /Sinδ 是判断沥青高温性能的重要指标。

图5 G* /Sinδ 值

由图5 可以看出，复合阻燃剂的掺加使得沥青胶浆达到了PG76 的水准，而基质沥青只能达到PG70 的水平，说明了阻燃沥青胶浆的高温性能比基质沥青的有所提高，并且在一定的温度条件下，随着复合阻燃剂掺量的变化增加趋势较为缓慢。

2.4 阻燃性能研究

关于沥青材料的阻燃性能研究，虽然已经取得了大量成果，但是到底采用何种方法和技术指标来统一评价沥青的阻燃性还没有规范可依。在以往的研究中，大部分研究者都参考塑料和纺织行业的标准和试验方法，主要有LOI 法、水平燃烧法和烟密度法等。其中，极限氧指数法试验数据重现性好、操作简单，且区分度较高，能有效地定量的判断沥青材料在不同的氧气浓度条件下与火焰接触时燃烧的难易程度。其定义为:在规定条件下，试样在O2和N2混合气体中，维持平衡燃烧所需要的最低氧气浓度。LOI 值的计算公式

式中:LOI 为极限氧指数，%;［O2］为临界氧浓度时，混合气体中氧气的体积流量，%;［N2］为临界氧浓度时，混合气体中氮气的体积流量，%。

一般而言，空气中氧气的浓度为21%左右，因此认为LOI 值小于21%的材料为易燃材料。表1 列出了日本工业标准JISK7201 关于材料耐燃等级与氧指数LOI 值的关系。

表1 材料耐燃等级与LOI 值的关系

图6 LOI 值

LOI 测试结果如图6 所示，基质沥青LOI 值为23.1%，属于难燃4 级;当随着复合阻燃剂掺量的增加，沥青胶浆的LOI 值逐渐增大;当掺量达到13%时，LOI 值达到28.1%，属于难燃2 级，这也说明复合阻燃剂能够明显提高沥青胶浆的阻燃性能，对于隧道沥青路面的应用有很重要的意义。

3 结 论

(1)随着复合阻燃剂掺量的增加，阻燃沥青软化点逐渐呈增大的趋势，复合阻燃剂的加入使得沥青的高温性能得到了一定程度的改善，亦使得沥青路面的耐久性得到了提高。

(2)随着复合阻燃剂掺量在一定范围内的增加，60 ℃粘度和135 ℃粘度，既可以满足高温性能的规定，也可以满足沥青混合料施工和易性的要求。

(3)复合阻燃剂的掺量在一定范围内变化，将使得阻燃沥青胶浆的低温性能有所降低。

［1］崔小明.阻燃剂聚磷酸铵的改性和应用［J］.国外塑料，2009，(10).

［2］姚洪波.路用阻燃沥青的性能与阻燃机理研究［D］.长沙理工大学硕士论文，2008，(5):13－18.