阻燃剂对SBS改性沥青烟气的抑制效果研究

摘要 为探究不同类型的阻燃剂对沥青烟气的抑制效果，文章选取了凹凸棒土、DBDPE和水镁石纤维制备阻燃改性沥青，并测试了不同掺配比例下阻燃改性沥青的针入度、延度、软化点、氧指数，以及沥青在加热过程中的烟气释放情况。结果表明，凹凸棒土与水镁石纤维因其孔隙丰富、表面粗糙对沥青烟气有较好的减排效果，而DBDPE因其表面光滑对沥青烟气的减排效果较弱。

关键词 道路工程；改性沥青；沥青烟气

中图分类号 U414 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）22-0123-03

0 引言

沥青是广泛应用于建筑和道路工程中的重要材料，其在路面建设、屋顶防水及其他基础设施中的应用，极大地提升了工程的质量和耐久性[1]。然而，沥青作为一种有机材料，其易燃且在高温环境下容易产生大量烟雾，这不仅对工程安全构成威胁，同时对环境和人体健康造成不利影响[2]。因此，如何提升沥青材料的安全性，降低沥青烟气的排放已成为一个重要的研究课题。

目前，常用的沥青抑烟剂大多为黏土矿物、活性炭、沸石等多孔材料，利用孔隙吸附沥青轻质组分或沥青烟[3]。SBS也可在沥青中形成网状结构，能够减少沥青烟气的排放[4]。此外，王朝辉等[5]研究表明，电气石粉可通过静电作用吸附沥青烟气，减少沥青烟气的排放。有学者指出阻燃剂也可作为沥青抑烟剂，但不同类型的阻燃剂对沥青烟气的抑制效果尚不明确[6]。

该文选取了黏土矿物、卤系阻燃剂、协效阻燃剂等三种类型的阻燃剂，分别为凹凸棒土、十溴二苯乙烷（Decabromodiphenyl-ethane，DBDPE）和水镁石纤维。通过分析不同配比下沥青材料的针入度、延度、软化点、延度氧指数及烟气释放情况，研究三种阻燃剂对沥青性能的影响，通过阻燃剂微观形貌分析阻燃剂的抑烟机理，以期揭示不同阻燃抑烟剂对沥青性能的影响，从而为沥青阻燃剂与抑烟剂的设计和应用提供一种新的思路。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

SBS改性沥青来自兰州炼油厂，其性能指标如表1所示：

凹凸棒土是一种具有高比表面积和良好吸附性能的黏土矿物，实验中使用的凹凸棒土购自常州市鼎邦矿产品科技有限公司。DBDPE是一种能够显著降低材料在高温下燃烧速率的添加剂。在该文中，选择的DBDPE来源于山东海王化工股份有限公司。水镁石纤维是一种由固废材料制成的纤维，具备良好的阻燃性和热稳定性，实验中所使用的水镁石纤维产自陕西黑木林。三种典型阻燃剂的宏观形貌如图1所示。

1.2 实验方法

1.2.1 改性沥青制备

将沥青加热至170℃后分次向沥青中加入阻燃剂，并使用玻璃棒手动搅拌；随后将沥青转移至170℃的油浴锅中，将剪切机转速调至3 500 r/min，剪切30 min；最后将剪切机转速调至500 r/min，剪切至沥青表面无气泡，从而制成阻燃改性沥青。其中，凹凸棒土掺量为2.5%、5%、7.5%、10%；DBDPE掺量为3%、6%、9%、12%；水镁石纤维掺量为2%、4%、6%、8%。

1.2.2 测试方法

沥青的针入度、软化点与延度测试按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2021）要求进行，沥青的氧指数测试按照《沥青燃烧性能测定 氧指数法》（NB/SH/T 0815—2010）要求进行，而沥青的烟气释放量则按照徐永丽等[7]提供的方法进行测试。

2 结果与讨论

对不同改性沥青的针入度、软化点与延度进行测试，其结果如图2所示。

由图2可知，三种阻燃剂的加入均会降低沥青的针入度与延度，提高软化点，这是因为阻燃剂的掺入虽然提高了沥青的稠度与黏度，但也加大了沥青的低温断裂风险。随着阻燃剂掺量的提高，沥青针入度逐渐降低，水镁石纤维的掺入对沥青针入度的降低幅度最大，这可能是水镁石以纤维状分散于沥青中，其分散均匀性较差，而水镁石纤维因体积较大阻碍了针入度试针的下沉，使沥青的针入度有较大幅度的降低。

此外，对不同阻燃剂掺量下的沥青氧指数进行测试，以表征沥青的阻燃性能，实验结果如图3所示。由图3可知，DBDPE的掺入可显著提高沥青的氧指数，凹凸棒土对沥青的氧指数有一定的提升效果，而水镁石纤维对沥青氧指数的提升则较小。该文所用的DBDPE是一种高效的有机阻燃剂，可阻断沥青燃烧的链式反应，对沥青的阻燃性能有较大的提升作用。凹凸棒土是一种常用的无机阻燃剂，其内部含有一定量的游离水与结合水，可在沥青受热过程中吸收热量，此外在沥青燃烧过程中形成的碳层可进一步抑制沥青的热解。水镁石纤维是一种尾矿渣，对沥青的阻燃效果较弱，秦先涛等[8]认为水镁石纤维对沥青只有“稀释”作用，但其是一种协效阻燃剂，可提升沥青阻燃剂的阻燃效率。

三种阻燃改性沥青的烟气释放量实验结果如图4所示。由图4可知，三种阻燃剂对沥青烟气均有一定的抑制效果，凹凸棒土对沥青烟气的抑制效果最佳，而DBDPE的抑制效果最差。此外，随着凹凸棒土掺量的增加，沥青烟气释放量逐渐降低，凹凸棒土掺量为7.5%时对沥青烟气的抑制率达到了45.3%。水镁石纤维掺量为8%时对沥青烟气的抑制率达到了33.6%。DBDPE对沥青烟气的抑制率均低于17%，其抑烟效果并不显著。随着DBDPE掺量的增加，沥青烟气释放减少量较低，这可能是DBDPE提高了沥青黏度，加大了沥青烟气的溢出难度，因此其对沥青烟气的抑制效果较差。

为探究阻燃剂对沥青烟气的抑制机理，使用电子显微镜拍摄了三种阻燃剂的微观形貌，其结果如图5所示。由图5可知，凹凸棒土表面粗糙，比表面积大，存在大量的孔隙结构，且具有微孔、介孔与大孔多级孔隙结构，这些孔隙一方面可有效吸附沥青中的轻质组分，另一方面其表面存在大量纳米级别的孔隙，可吸收沥青烟气中的有害组分。水镁石纤维是一种无机纤维，其在微观视角下结构蓬松，存在大量的纤细结构，可起到“吸油”作用，固定沥青中的轻质组分，增强了沥青的热稳定性。DBDPE表面相对光滑，比表面积较小，其表面只能吸附少量沥青，对沥青烟气的抑制效果较弱，且DBDPE只能在沥青燃烧过程中切断链式反应，无法吸收热量。此外，DBDPE与水镁石纤维的孔隙结构较差，DBDPE表面缺少微孔不利于小分子沥青烟气的吸附，水镁石纤维呈纤维状缺乏封闭孔隙。水镁石纤维与DBDPE主要形成表面吸附，其吸附作用弱于凹凸棒土的孔隙吸附。

3 结论

（1）三种阻燃剂的掺入均可提高沥青的高温稳定性，但对沥青的低温性能均有不同程度的负面影响。

（2）DBDPE对沥青的阻燃效率最高，凹凸棒土对沥青有一定的阻燃效果，而单掺水镁石纤维对沥青阻燃效果不显著。

（3）凹凸棒土表面粗糙，比表面积大，对沥青烟气抑制效果最佳；水镁石纤维可吸附沥青，能够有效降低沥青烟气的排放；DBDPE表面相对光滑，对沥青烟气的抑制效果不显著。

参考文献

[1]赖淏，翟健梁，毛楠，等.干湿循环作用下SBS改性沥青及其混合料老化行为分析[J].公路，2023（5）：307-313.

[2]LIU H， ZHANG Z， WANG Z， et al. Preparation and properties of flame-retardant asphalt containing polyurethane and eco-friendly flame retardants [J]. Construction and Building Materials， 2023（375）： 130996.

[3]张新强，唐伯明，曹雪娟，等.道路沥青材料VOCs释放特性与抑制措施研究进展[J].材料导报，2023（6）：227-235.

[4]孙吉书，李文霞，王鹏飞，等.环境友好型复合抑烟沥青的制备及性能分析[J].环境工程，2022（1）：169-174+230.

[5]王朝辉，王梦浩，陈谦，等.长效自减排改性沥青材料制备及其功效评价[J].中国公路学报，2023（12）：183-196.

[6]赖淏，蔡相连，高伟，等.阻燃抑烟沥青混合料研究进展[J].应用化工，2023（4）：1237-1242.

[7]徐永丽，杨松翰，周吉森，等.基于重量法的沥青烟释放量影响因素研究[J].森林工程，2022（2）：119-124+132.

[8]秦先涛，陈拴发，祝斯月，等.沥青路面矿物纤维复合阻燃材料及其热重行为研究[J].公路交通科技，2013（12）：7-14.