论文发表指导,期刊推荐,国际出版
论文发表指导,期刊推荐,国际出版
学术出版，国际教著，国际期刊，SCI，SSCI，EI，SCOPUS，A&HCI等高端学术咨询
来源：职称驿站所属分类：材料科学论文 发布时间：2012-08-01浏览：32次
摘要：通过对比在改性沥青中掺加不同数量的卤系阻燃剂、无机阻燃剂（包括氢氧化镁和氢氧化铝）后，对沥青物理性能和阻燃性能的影响，得出无机阻燃剂在阻燃等各个方面更优于卤系阻燃剂，而无机阻燃剂通过公路隧道沥青路面具有阻燃性的路用性能研究，使阻燃沥青路面能得到进一步推广与应用。本文在分析目前沥青阻燃性能评价方法的基础上，规范了沥青氧指数测试条件，提出了评价沥青阻燃性能的氧指数测试方法。
关键词：公路隧道,氧指数，路用性能
一、国内公路沥青路面发展现状
我国公路发展相对国外一些发达国家来说相对较晚，但最近几年为了更好的满足人们的需求，迅速的修建高等级公路，不可避免的出现了大量的隧道和隧道群，成为世界上公路隧道最多的国家。
但我国公路隧道火灾的研究，在很多方面还远不如发达国家，直到近年来我国才开始展开对隧道防火安全性问题的研究，取得一定的成果。我国现行隧道的防火技术标准有2003年发布的《地下铁道设计规范》；2005发布的《铁路隧道设计规范》。这些标准对隧道的防火与疏散做了相应的规定，此后也对此有过增补或是修订，但均不够完善。现国内最常用的方法是开发阻燃沥青，以达到沥青混合料的难燃性，来提高沥青路面的防火性能研究进展、成果和存在的问题。
二、研究进度和成果
由于近年来我国高速公路快速发展，隧道群的不断增加，一些安全事故也随之增多。由于隧道本身的环境特殊性，不仅仅在抗滑性能、耐久性、耐油性能方面有特殊的要求，而且对于阻燃性、照明适应性、噪音影响性等方面也提出了比较高的要求。虽然我国用于隧道的使用材料曾经以水泥混凝土路面为主，但由于水泥混凝土路面有诸多的缺陷，比如抗滑性差、行车噪音大、接缝容易破坏、路面积水不易排除等，已逐渐被沥青混凝土路面所取代。
但由于沥青的易燃性，使得沥青混凝土路面在隧道中的应用受到了极大的限制，同时也给遂道的安全问题提出了更高的技术要求。为了减少由于火灾造成的损失，开展对隧道沥青路面的防火性能研究具有重大的现实意义。
目前，沥青的阻燃主要是通过在沥青混合料中加入阻燃剂，并通过一定的改性工艺制备而成阻燃沥青材料。沥青与阻燃剂大多采用机械混合的方式，实质并未与阻燃剂发生化学反应。但是由于阻燃剂加入的含量不同，种类不同会对沥青的性能造成一定的影响，阻燃剂的掺入量越大对沥青的影响也就越大。因此，在选择阻燃剂的情况下要选择阻燃效果好、掺入量低且对沥青性能影响小的阻燃剂。
综合上述情况并结合隧道的特殊地理及使用环境，提高隧道路面阻燃性能的主要研究思想是：（1）尽量提高使用材料中可燃材料的阻燃性能，或者是在保证使用必能的前提条件下尽可能用不可燃材料代替可燃材料；（2）在火灾发生后，最大限度的减少可供燃烧的物质，比如说氧气等，尽可能的限制可供燃烧的有利因素，比如说温度等。
阻燃沥青路面的研究现已取得了一定的成果，主要的技术路线有：一是外加阻燃剂，主要是直接添加阻燃剂的方法达到阻燃的效果，主要包括直接将阻燃剂添加至沥青中。第二类是OGFC汽油逃逸技术方案，利用OGFC的大空隙特性，使泄漏到沥青路面上的汽油能够很快逃逸到路面下，降低汽油参与燃烧的数量。OGFC技术的关键是保证混合料形成坚实的骨架结构并具有足够的空隙率使泄露的油能很快逃逸到路面下面，一般情况空隙率可达到18%-25%，可以排除路面的积水，减少水雾，防止水漂。OGFC技术的机理在于：当隧道内发生燃料泄漏时，液体燃料可以通过空隙迅速渗入排水面层，最终进入两侧的边沟，以减少可供燃烧的燃料，一定程度上可以控制火势。OGFC的另一个优点在于其所含的沥青量相对较少，这就意味着在隧道火灾中可供燃烧的物质量小，一定程度上可以减缓火灾的蔓延，降低可燃物的数量以达到阻燃的目的。第三类是用不可燃的矿物纤维代替工程上广泛使用的可燃聚酯纤维，尽可能的减少混合料中可燃成分的用量。
三、存在的问题
我国对阻燃沥青的研究还不够成熟，主要采用外加阻燃剂的形式，大量采用的阻燃剂主要是有机溴-锑协效体系、有机磷系、硼酸锌等。目前存在的问题：
（1）阻燃剂的毒性大。有机溴类阻燃剂在施工和阻燃过程中会产生溴化氢等有毒物质和二唔英(多溴代二苯并二唔烷及多溴代二苯并二吠喃)等致癌物质，一旦发生火灾，将产生更多的毒物，这使得阻燃存在着非常大的安全隐患
（2）沥青燃烧发烟量大气相阻燃的最大缺点就是通过控制氧化达到阻燃的目的，但会导致不完全的燃烧从而会产生大量的烟
（3）影响沥青及沥青混合料的性能有些阻燃剂与沥青不发生化学反应，而且与沥青的分子结相差很大，一定程度上会造成阻燃剂与沥青相容性差的现象，时间长了还会发生分层离析的情况。阻燃剂对沥青有稀释作用，导致针入度降低，软化点降低，延度与粘度降低，因而降低了沥青的性能
四、沥青路面阻燃剂最佳掺量
1阻燃剂的作用机理
阻燃剂的作用机理较为复杂,大致有4种:(1)抑制氧自由基,阻止高分子链降解;(2)在燃烧的条件下产生强烈脱水性物质,使材料碳化而不燃烧;(3)分解产生不可燃气体,稀释可燃气体,并阻止燃烧;(4)阻燃剂或其分解产物覆盖在合成材料上屏蔽阻燃。
2阻燃剂的阻燃机理
阻燃机理主要分为气相阻燃及凝聚相阻燃，前者主要是减缓火焰中的链式氧化反应，后者则主要是有助于材料的炭化。气相阻燃和凝聚相阻燃长期以来被公认为两种主要的阻燃模式，实际上，在很多情况下，阻燃的实现往往是几种阻燃模式同时作用的结果，而很难将其归于某个单一阻燃机理的功效。而阻燃是一个很复杂的过程，凝聚相阻燃与气相阻燃也是不可完全分开的，凝聚相阻燃剂一方面可通过减少挥发性热降解产物的量改变可燃物质的反应平衡，另一方面可由于材料在高温裂解和热降解形成气体使材料流变性变化而可在燃烧边界形成导热性很低的炭层。因此，凝聚相中的阻燃剂会直接影响气相中的燃烧过程。近代还提出了一些新的阻燃机理，特别是那些基于物理原理的新阻燃机理，例如中断热交换阻燃机理、吸热阻燃机理等。这类机理使人们对阻燃有了更深入的理解。气相阻燃剂既可降低聚合物的气化程度和抑制聚合物降解产物的燃烧，也可由于增加炭层的生成量而降低火焰的释放量和增加辐射热损失。
3阻燃剂的分类
按化学成份,阻燃剂可分为有机阻燃剂和无机阻燃剂两大类。有机阻燃剂又分为磷系和卤系2个系列,卤系包含氯系和溴系2个系列。有机阻燃剂由于具有分解产物毒性大和烟雾大的缺陷,正逐渐被无机阻燃剂所取代。无机阻燃剂的主要品种有氢氧化物（如氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化锆）、氧化锑、红磷、钼酸铵、硼酸锌等,其中以氢氧化铝(ATH)和氢氧化镁(MH)应用最为广泛,它们不但具有阻燃作用,而且还有补强填充作用,有较好的热稳定性、抑烟和阻燃的作用,且有填充安全和对环境无污染及等特点,被称为绿色环保型橡塑助剂,越来越受到青睐。
3阻燃剂的最佳掺量
表2-1三种阻燃剂的氧指数数据
Table2-1Dataofthreeoxygenindexofflameretardants
含量 0 2 4 6 8 10
氧
指 卤系 20 21.5 22.5 23.3 24 24.5
ATH 20 30 31 32 33 34
数 MH 20 39 40 41 42 43
图2-1氧指数数据
在沥青中加入三种不同的阻燃剂：卤系（十溴二苯醚）、AHT、MH,分别加入不同的掺量，实验结果显示：当加入阻燃剂含量在2%、4%、6%、8%、10%时沥青的氧指数变化情况会发现，阻燃剂的掺入量越大沥青的氧指数越高，阻燃性能越好，相对而言，MH的阻燃性要优于AHT，更优于十溴二苯醚。
4阻燃剂对沥青阻燃性能和物理性能的影响
卤系阻燃剂在改善了沥青的阻燃性质,并且在掺加量较小的情况下,氧指数有明显的提高,但是当阻燃剂的含量达到一定值时,氧指数的增加幅度有所减缓.因此,在考虑经济效益的情况下,卤系阻燃剂的含量不宜过大.
表2-2阻燃剂对沥表物理性能的影响
物理性能 阻燃剂的用量(%)
0 2 4 6 8 10
软化点 45 45．2 45．8 46．9 48．3 48．9
针入度 78 76．5 75．3 72．1 69．8 67．2
延度 >100 >100 >100 >100 90．8 87．9
从表2-2中可以看出，加入ATH之后，沥青的物理性能变化有一定的影响，随着加入阻燃剂数量的增加，沥青的软化点会随之增高，而针入度则会随之变低，但是变化都比较平缓。
氢氧化镁具有提高阻燃作用和消烟能力,且无一次性公害污染、无毒害、无腐蚀、价格低廉,在全部阻燃剂中占有重要的地位。MH对沥青阻燃性能和物理性能的影响
表2-3阻燃剂对沥表物理性能的影响
物理性能 阻燃剂的用量(%)
0 2 4 6 8 10
软化点 45 46．2 47．4 48．9 50．8 52．8
针入度 78 75．8 74．8 70．4 68．9 64．6
延度 >100 >100 >100 >100 >100 96．9
氢氧化镁和氢氧化铝作为主要的绿色无机阻燃剂，它们的作用机理基本相同，即利用氢氧化物在一定的温度分解，释放出的水气降低聚合物的表面温度，稀释燃烧物表面的氧气浓度，同时分解生成的氧化物都是耐火性能比较好的材料，覆盖在聚合物的表面可以起到隔绝氧气、隔绝火源的作用，从而达到阻燃的效果。目前，无机阻燃剂领域，ATH的用量远远大于MH的用量，但作为阻燃剂在性能方面MH的综合性能却优于ATH：
MA的颗粒细度小于ATH，在加工方面对设备的磨损小一些，同时，细度越小，阻燃性能越好。MH的抑烟效果比ATH的抑烟效果好。MH的分解温度比ATH的分解温度高，热容也相对来说高于ATH，同时，MA还有促进聚合物碳化的作用。MH之所以在使用上会受到一定的限制，很大的原因是因为MH对晶体结构要求比较高，生产工艺过程比较复杂且不容易控制，而且成本也比较高，这些造成了MH的使用受到很大的限制。
五、沥青路面阻燃效果的研究
1沥青阻燃性评价
沥青阻燃性能采用氧指数评价。氧指数是指在规定的条件下,试样在氧气和氮气混合气流中维持平衡燃烧所需的最低氧浓度,以氧气所占的体积百分数表示。其中，阻燃剂掺量为沥青质量的百分数。氧指数高表示沥青不易燃烧，氧指数低表示沥青容易燃烧，一般认为氧指数＜22%属于易燃材料，氧指数在22%～27%之间属可燃材料，氧指数＞27%属难燃材料。阻燃剂掺入到沥青中，可以提高沥青的氧指数。
试验仪器采用LFY-606型氧指数仪。燃烧所用气源为工业级气体,O2和N2含量浓度均≥99.5%,符合GB3863和GB3864行业标准要求。氧指数试验结果见图3-1，从中可以得出：基质沥青的氧指数为20%；阻燃沥青无论在常温还是在高温时，阻燃剂掺量在大于或等于7%时，氧指数都能达到33%，可见阻燃剂加入后，该沥青具有一定的阻燃性。
图3-1沥青氧指数结果
2沥青混合料阻燃性微观分析
本文采用差热分析方法，试验采用A1203柑锅，通空气10m1/min，试验升温速度为10℃/min。沥青混合料差热分析结果见图3-2。试验发现:阻燃沥青混合料明显发生了化学分解吸热反应，在157℃左右时曲线形成吸热峰。由于复合阻燃剂的反应温度为340℃左右，复合阻燃剂的在沥青中受热分解释放出水分，同时吸收大量的热，降低了沥青混合料表面的实际温度，减少了可燃气体的产生。又因为基质沥青的闪点302℃左右，燃点在330℃左右。所以要观察温度大于330℃左右时的吸热峰，在图3-2中，362.8℃产生吸热峰，可见复合阻燃剂在沥青混合料中起到了作用。结合阻燃沥青氧指数和差热分析可知复合阻燃剂有推迟燃烧、阻止燃烧的作用。阻燃作用主要发生在固体降解区，即减少可燃物的产生，但对预燃区和燃烧区的作用很小。因此，可燃物质的完全燃烧不受影响，产生的烟雾小。另外，在沥青混合料最外层的燃烧产物区有冲淡和吸收一部分烟雾作用，故有消烟作用。
图3-2差热分析曲线
六、结束语
对阻燃剂加入之后沥青物理性能及阻燃性能的对比情况看，无机阻燃剂相对于卤系阻燃剂来说，阻燃效果可好一些。但是这些阻燃剂在单独掺入的时候，对沥青的物理性能都会产生一定的影响，这些影响有些是不良的，所以说在沥青中单一的加入阻燃剂虽然会起到抑制燃烧的作用，但是会对沥青的其它性能产生影响。
卤系阻燃剂因为在阻燃的过程中会产生一定量的有毒气体，会威胁到环境、人的身体和生命安全，虽然现仍无法完全的避免使用卤系阻燃剂，但人们也在志力于研究更多更好的环保型阻燃剂来取代他。而MH由于它在阻燃过程中能够有效的抑制烟雾的产生，且价格相对来说更经济，越来越受到人们的重视。
但MH不适合直接添加到沥青中作为阻燃剂来使用，通常要进行一定的改性和细化。人们在不断的考虑用细化的MH取代部分矿粉以满足沥青物理性能和阻燃性能的要求，经过一段时间的验证和实际操作，这种方案是可行的。
参考文献
1.沈金安.国外沥青路面设计方法总汇[M].北京：人民交通出版社，2004.
2.郭进存，廖克俭，戴跃玲.阻燃沥青的研制[J].辽宁石油化工大学学报，2005，（6）：5-8.
3.徐培华，王安玲.公路工程混合料配合比设计与试验技术手册［M］.北京：人民交通出版社，2001
4.沈金安.改性沥青与SMA路面［M］.北京：人民交通出版社，2004
5.沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防［M］.北京：人民交通出版社，2001
6.黄正宇.混凝土配合比速查手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.34-65
7.杨良,郭忠印.OGFC面层在公路隧道防火的作用[J].安全与环境学报，2004,4（4）:83-87.
8.刘新权.隧道路面阻燃、降噪沥青铺装层材料的研究与开发[D].武汉:武汉理工大学，2008.
9.周文君,周箭,杨辉,等.纳米Mg(OH)2与硅树脂对聚丙烯的阻燃协同效应[J].稀有金属材料与工程,2008,37(2):312-315.
《隧道沥青路面阻燃材料的研究》
本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问
文章名称： 隧道沥青路面阻燃材料的研究
下一篇：关于建筑物外墙保温施工技术的分析
扫码关注公众号
微信扫码加好友
职称驿站 www.zhichengyz.com 版权所有 仿冒必究 冀ICP备16002873号-3
