阻燃沥青及混合料的阻燃性能试验研究

刘俊华

(山西省交通科学研究院， 山西 太原　030006)



阻燃沥青及混合料的阻燃性能试验研究

刘俊华

(山西省交通科学研究院， 山西 太原030006)

[摘要]阻燃沥青能够提高隧道内沥青路面的安全性，通过氧指数试验、抑烟试验、马歇尔试件燃烧试验、现场燃烧试验对阻燃沥青及其混合料的阻燃性能进行了一系列的试验研究，试验结果表明：添加量为15%的FRMAX(TM)和AMP阻燃沥青能够满足氧指数大于23%的要求，同时也能够满足隧道用沥青的技术指标要求。从燃烧排烟量来看，APFR 抑烟效果较明显，AMP、FRMAX(TM)次之。由马歇尔试件燃烧试验和现场燃烧试验可知，阻燃剂可以有效地减少路面燃烧时间，降低路面的气场温度，增加隧道内突发事故的人员逃生可能性。

[关键词]道路工程； 阻燃沥青； 阻燃性能； 燃烧时间

0前言

沥青是一种易燃性材料，隧道内路面处于一个相对封闭的环境中，隧道内部封闭潮湿、通风条件差，倘若发生交通事故而引发火灾，将使沥青燃烧后释放的有害气体严重影响人的身体健康，甚至危及人员的生命安全[1-3]。隧道内发生火灾后的温度(2～10 min隧道顶板温度就达到1 200 ℃左右)远远超过沥青的闪点和燃点(300 ℃～400 ℃左右)，一旦沥青燃烧，就会助长火灾的发展和蔓延。因此隧道内采用沥青路面，必须要求沥青路面本身不燃烧或者延迟燃烧，否则，就会留下巨大的安全隐患[4-6]。因此，很有必要研究阻燃沥青，并针对阻燃沥青路面的阻燃性能进行系统研究。

1阻燃沥青性能试验

本试验使用的改性沥青为SBS I-C，其基本指标满足规范(JTG F40-2004)[7]聚合物改性沥青技术要求。选用的阻燃剂为：重庆智翔铺道技术工程有限公司APFR；重庆海木交通技术有限公司AMP 复合式阻燃抑烟剂；合肥中科阻燃新材料有限公司沥青专用无卤环保阻燃剂II型；海川集团FRMAXTM阻燃改性剂高效型。考虑到高速剪切会使沥青发生老化影响改性沥青性能，并且增加现场生产施工难度，所以选择人工搅拌的方式分多次添加，每次加入少许并保持匀速搅拌，阻燃剂全部添加完成后，匀速搅拌10 min，使阻燃改性沥青无气泡或离析。加入阻燃剂后阻燃沥青的试验检测结果，如表1所示。

表1 阻燃改性沥青技术指标Table1 Technicalindicatorsofretardantmodifiedasphalt阻燃剂添加量/%软化点/℃延度/mm针入度/(0.1mm)SBSI-C075.942.862.4FRMAXTM1577.028.350.8AMP1577.926.551.4APFR1578.323.154.4合肥II型1578.724.951.8

由表1可知：添加15%的阻燃剂能够提高沥青的高温稳定性，可提高沥青的软化点1 ℃～3 ℃；降低针入度0.8～1.16 mm。但对沥青延度有不利影响，降幅为32.3%～44.7%；。FRMAXTM和AMP对沥青延度的不良影响较其他两种种阻燃剂好，且基本指标均能满足隧道用沥青的技术要求。

2阻燃改性沥青氧指数测试

氧指数(OI)是指在规定的条件下，材料在氧氮混合气流中进行有焰燃烧所需的最低氧浓度。氧指数高，说明材料燃烧需氧量大，难燃烧；一般认为氧指数大于27 %，属难燃材料[8，9]。我国隧道路面要求氧指数达到23%[10]。本测试过程参照了塑料燃烧性能的测定标准和正在拟定的沥青材料燃烧性能测试标准NB/SH/T 0815-2010[11]。试验时将试样垂直地支撑在一个透明的燃烧筒内，燃烧筒内有向上流动的氧和氮的混合气体，点燃试样的上端，然后观察燃烧现象，并与规定的极限值比较燃烧持续时间。通过在不同的氧浓度中试验，可测得最低氧浓度。四种阻燃沥青的氧指数试验结果如表2所示。

表2 不同添加量阻燃改性沥青氧指数Table2 Theoxygenindexonretardantmodifiedasphaltofdifferentamounts阻燃剂种类添加量/%(沥青用量比)氧指数/%SBSI-C019FRMAXTM1523.3AMP1523.1APFR1522.7合肥II型1522.5APFR1222.3AMP1122.7

由表2可见，当阻燃剂的使用量达到15%时，FRMAXTM和AMP可以满足氧指数大于23%的要求。其余2种需要继续增大掺量才能满足氧指数要求，然而随着阻燃剂掺量的增加，沥青的延度会进一步降低，将不能满足规范的技术要求。

3阻燃改性沥青的抑烟性

沥青在燃烧过程中析出大量有毒气体。沥青燃烧产生的烟气是燃烧反应过程中由热分解生成高温的气态、液态和固态物质的混合物，它是由极小的炭黑粒子完全燃烧或不完全燃烧的灰分及可燃物的其它燃烧分解产物所组成。烟气对人体的危害极大，燃烧产生的有毒气体所引起的窒息和对人体器官的刺激及高温作用，直接危害人身生命安全。为此，本节设计了沥青燃烧试验，研究各种阻燃剂的抑烟效果，试验结果如图1所示。

(a) SBS I-C改性沥青(b) 合肥II型阻燃沥青

(c) APFR阻燃沥青(d) FRMAXTM阻燃沥青

(e) AMP阻燃沥青

由图1可见：按照燃烧排烟量来看，抑烟效果按降序依次为：APFR、AMP、FRMAXTM、合肥II型。APFR 抑烟效果较明显，AMP、FRMAXTM次之，合肥II型的抑烟效果不明显。本试验所选的阻燃剂均为环保型阻燃剂，其中均含有大比例的氢氧化物阻燃剂，代表为Mg(OH)2和Al(OH)3。无机氢氧化物受热分解需要吸收一定的热量，分解后仅产生水和金属氧化物。在火焰作用下，填充到高聚物里的无机氢氧化物会发生分解吸收燃烧过程中放出的部分热量，从而降低高聚物的温度，减慢降解速度，这种分解吸热的化学冷却作用时其阻燃的主要作用机理[12]。

4马歇尔试件燃烧试验

众所周知，沥青混合料和沥青的燃烧特性有较大的区别，沥青混凝土路面在隧道火灾过程是否会燃烧、什么时候燃烧以及燃烧影响深度等问题，直接关系到沥青混凝土路面在隧道中的安全性能，但国内外对此还缺乏研究[13-15]。为此，本节对添加AMP阻燃剂和FRMAXTM阻燃剂的马歇尔试件进行完全燃烧试验，通过观察试件的质量损失和燃烧时间来判断阻燃沥青混合料的燃烧性能。试验结果如表3所示。

表3 燃烧时间与马歇尔试件质量损失率Table3 Theburningtimeandthemasslossrateofmar-shallspecimen混合料种类燃烧前质量/g燃烧后质量/g质量损失率/%HMA1215.02795.8434.751208.23777.9235.621209.80754.6137.63WMA+AMP1221.261031.9215.531216.03867.8228.631215.01924.3423.92WMA+FRMAXTM1214.701060.7112.681206.85981.1618.701208.34855.1229.23燃烧时间/min平均质量损失率/%平均燃烧时间/min9101036.009.6758722.696.6746720.205.67 注:HMA为不加阻燃剂的马歇尔试件,WMA+AMP为添加15%AMP阻燃剂的马歇尔试件,WMA+FRMAXTM为添加15%FRMAXTM的马歇尔试件。

由表3可见：

① 由燃烧时间结果可得，添加阻燃剂可减少沥青混凝土的燃烧时间。添加FRMAXTM阻燃剂的阻燃沥青路面的燃烧时间约为一般沥青路面燃烧时间的一半。

② 添加阻燃剂可以减少16%的路面燃烧质量损失。

③ 从燃烧试验结果得出FRMAXTM阻燃剂的阻燃效果要优于AMP阻燃剂。

根据马歇尔试件燃烧试验的火焰情况看，阻燃沥青混合料的火焰要比SBS改性沥青的小；根据图2从试件燃烧后的形状观察，可以认为沥青混合料试件在达到一定温度后会发生软化而失去结构强度，但阻燃沥青马歇尔试件燃烧后试件完整性比改性沥青马歇尔试件略好一些。

HMA燃烧后WMA+AMP燃烧后WMA+FRMAXTM燃烧后

5现场燃烧试验

试验段路面分为不添加外加剂的SMA-10和添加10%AMP阻燃抑烟剂的SMA-10两种。在施工过程中，由于AMP复合式阻燃剂为白色粉末，细度与矿粉相当。考虑到阻燃剂的加入会影响到混合料本身的级配以及阻燃剂对沥青的吸附作用，试验段采用等量替代矿粉的方式进行，现场观察阻燃抑烟试验段混合料油光发亮，铺筑过程中无离析等异常现象。

在试验段路面选定长半径为30 cm的圆形区域，将2.5 L汽油均匀撒布在划定区域内，进行燃烧试验。记录燃烧时间，测量燃烧上方气体温度。考虑到汽油的流淌性，试验前在圆形区域周围用细沙包围，并确保尽量密实。汽油用容量为1 L的量筒称量。撒布及燃烧过程如图3所示。

试验采用Fluke-Ti50FT在距离燃点3 m处采集路面燃烧过程中的空气温度，共采集3组数据：两组为添加10%AMP阻燃剂的阻燃路面和一组未添加阻燃剂的路面燃烧试验数据，如图4所示。

由图4可见：阻燃路面燃烧时间比未添加阻燃剂的路面燃烧时间少150 s 左右。说明AMP可以有效地减少路面燃烧时间，增加隧道内突发事故的人员逃生可能性，有效增加现场施救的可行性。

撒布汽油撒布均匀

点燃瞬间燃烧4 min

燃烧8 min燃烧10 min

图4　燃烧时间和气场温度对比图Figure 4　The comparison of burning time and gas field 　temperature

从燃烧过程气场温度考虑，当燃烧达到120 s后，相较无阻燃路面，阻燃路面的气场温度明显下降，此时阻燃剂阻燃效果明显，吸收了燃烧过程中的部分热量。同一时间点，阻燃路面的温度场均低于无阻燃路面约30 ℃。说明在路面燃烧过程中，阻燃剂一直在发挥着吸收热量的作用。

6结论

① 添加15%的阻燃剂可以提高沥青的软化点，降低沥青针入度，同时会缩短沥青延度。FRMAXTM和AMP两种阻燃剂对沥青延度的不良影响较小，且基本指标均能满足隧道用沥青的技术要求。

② 阻燃剂的使用量达到15%时，FRMAXTM和AMP可以满足氧指数大于23%的要求。

③ 从燃烧排烟量来看，APFR 抑烟效果较明显，AMP、FRMAXTM次之，合肥II型的抑烟效果不明显。

④ 由马歇尔试件燃烧试验和现场燃烧试验可知，阻燃剂可以有效地减少路面燃烧时间，降低路面的气场温度，增加隧道内突发事故的人员逃生可能性。

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The Experimental Study on Retardant Properties of Flame Asphalt and Mix

LIU Junhua

(Shanxi Traffic Science Research Courtyard， Taiyuan， Shanxi 030006， China)

[Abstract]Retardant asphalt can improve the safety of asphalt pavement in the tunnel，In this paper，the oxygen index test，smoke suppression test，Marshall combustion test，site burning test is used a series of experimental research of asphal and tretardant mixture.The results showed that 15% FRMAX(TM)dosage and AMP retardant asphalt to meet the oxygen index greater than 23% of the requirements，but also to meet the technical requirements of the tunnel with asphalt.In the view of the amount of smoke from the burning，APFR smoke suppression effect is more obvious，and AMP，FRMAX(TM) are second.the combustion of Marshall specimens and the field combustion tests are confirmed that the flame retardant may be effective in reducing the surface burning time，decrease the temperature of the gas，and increase the personnel evacuation possibilities in an unexpected accident in the tunne.

[Key words]road works； retardant asphalt； flame retardant； burning time

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0207-04

[作者简介]刘俊华(1978-)，男，山西五台人，高级工程师，主要从事道路工程相关的设计、试验检测工作。

[收稿日期]2014-08-26