劉俊華

(山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原　030006)

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阻燃瀝青及混合料的阻燃性能試驗(yàn)研究

劉俊華

(山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原030006)

[摘要]阻燃瀝青能夠提高隧道內(nèi)瀝青路面的安全性，通過(guò)氧指數(shù)試驗(yàn)、抑煙試驗(yàn)、馬歇爾試件燃燒試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)燃燒試驗(yàn)對(duì)阻燃瀝青及其混合料的阻燃性能進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：添加量為15%的FRMAX(TM)和AMP阻燃瀝青能夠滿足氧指數(shù)大于23%的要求，同時(shí)也能夠滿足隧道用瀝青的技術(shù)指標(biāo)要求。從燃燒排煙量來(lái)看，APFR 抑煙效果較明顯，AMP、FRMAX(TM)次之。由馬歇爾試件燃燒試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)燃燒試驗(yàn)可知，阻燃劑可以有效地減少路面燃燒時(shí)間，降低路面的氣場(chǎng)溫度，增加隧道內(nèi)突發(fā)事故的人員逃生可能性。

[關(guān)鍵詞]道路工程； 阻燃瀝青； 阻燃性能； 燃燒時(shí)間

0前言

瀝青是一種易燃性材料，隧道內(nèi)路面處于一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境中，隧道內(nèi)部封閉潮濕、通風(fēng)條件差，倘若發(fā)生交通事故而引發(fā)火災(zāi)，將使瀝青燃燒后釋放的有害氣體嚴(yán)重影響人的身體健康，甚至危及人員的生命安全[1-3]。隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后的溫度(2～10 min隧道頂板溫度就達(dá)到1 200 ℃左右)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)瀝青的閃點(diǎn)和燃點(diǎn)(300 ℃～400 ℃左右)，一旦瀝青燃燒，就會(huì)助長(zhǎng)火災(zāi)的發(fā)展和蔓延。因此隧道內(nèi)采用瀝青路面，必須要求瀝青路面本身不燃燒或者延遲燃燒，否則，就會(huì)留下巨大的安全隱患[4-6]。因此，很有必要研究阻燃瀝青，并針對(duì)阻燃瀝青路面的阻燃性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1阻燃瀝青性能試驗(yàn)

本試驗(yàn)使用的改性瀝青為SBS I-C，其基本指標(biāo)滿足規(guī)范(JTG F40-2004)[7]聚合物改性瀝青技術(shù)要求。選用的阻燃劑為：重慶智翔鋪道技術(shù)工程有限公司APFR；重慶海木交通技術(shù)有限公司AMP 復(fù)合式阻燃抑煙劑；合肥中科阻燃新材料有限公司瀝青專用無(wú)鹵環(huán)保阻燃劑II型；海川集團(tuán)FRMAXTM阻燃改性劑高效型?？紤]到高速剪切會(huì)使瀝青發(fā)生老化影響改性瀝青性能，并且增加現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)施工難度，所以選擇人工攪拌的方式分多次添加，每次加入少許并保持勻速攪拌，阻燃劑全部添加完成后，勻速攪拌10 min，使阻燃改性瀝青無(wú)氣泡或離析。加入阻燃劑后阻燃瀝青的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，如表1所示。

表1 阻燃改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table1 Technicalindicatorsofretardantmodifiedasphalt阻燃劑添加量/%軟化點(diǎn)/℃延度/mm針入度/(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%的阻燃劑能夠提高瀝青的高溫穩(wěn)定性，可提高瀝青的軟化點(diǎn)1 ℃～3 ℃；降低針入度0.8～1.16 mm。但對(duì)瀝青延度有不利影響，降幅為32.3%～44.7%；。FRMAXTM和AMP對(duì)瀝青延度的不良影響較其他兩種種阻燃劑好，且基本指標(biāo)均能滿足隧道用瀝青的技術(shù)要求。

2阻燃改性瀝青氧指數(shù)測(cè)試

氧指數(shù)(OI)是指在規(guī)定的條件下，材料在氧氮混合氣流中進(jìn)行有焰燃燒所需的最低氧濃度。氧指數(shù)高，說(shuō)明材料燃燒需氧量大，難燃燒；一般認(rèn)為氧指數(shù)大于27 %，屬難燃材料[8，9]。我國(guó)隧道路面要求氧指數(shù)達(dá)到23%[10]。本測(cè)試過(guò)程參照了塑料燃燒性能的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)和正在擬定的瀝青材料燃燒性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T 0815-2010[11]。試驗(yàn)時(shí)將試樣垂直地支撐在一個(gè)透明的燃燒筒內(nèi)，燃燒筒內(nèi)有向上流動(dòng)的氧和氮的混合氣體，點(diǎn)燃試樣的上端，然后觀察燃燒現(xiàn)象，并與規(guī)定的極限值比較燃燒持續(xù)時(shí)間。通過(guò)在不同的氧濃度中試驗(yàn)，可測(cè)得最低氧濃度。四種阻燃瀝青的氧指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同添加量阻燃改性瀝青氧指數(shù)Table2 Theoxygenindexonretardantmodifiedasphaltofdifferentamounts阻燃劑種類添加量/%(瀝青用量比)氧指數(shù)/%SBSI-C019FRMAXTM1523.3AMP1523.1APFR1522.7合肥II型1522.5APFR1222.3AMP1122.7

由表2可見(jiàn)，當(dāng)阻燃劑的使用量達(dá)到15%時(shí)，F(xiàn)RMAXTM和AMP可以滿足氧指數(shù)大于23%的要求。其余2種需要繼續(xù)增大摻量才能滿足氧指數(shù)要求，然而隨著阻燃劑摻量的增加，瀝青的延度會(huì)進(jìn)一步降低，將不能滿足規(guī)范的技術(shù)要求。

3阻燃改性瀝青的抑煙性

瀝青在燃燒過(guò)程中析出大量有毒氣體。瀝青燃燒產(chǎn)生的煙氣是燃燒反應(yīng)過(guò)程中由熱分解生成高溫的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)的混合物，它是由極小的炭黑粒子完全燃燒或不完全燃燒的灰分及可燃物的其它燃燒分解產(chǎn)物所組成。煙氣對(duì)人體的危害極大，燃燒產(chǎn)生的有毒氣體所引起的窒息和對(duì)人體器官的刺激及高溫作用，直接危害人身生命安全。為此，本節(jié)設(shè)計(jì)了瀝青燃燒試驗(yàn)，研究各種阻燃劑的抑煙效果，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

(a) SBS I-C改性瀝青(b) 合肥II型阻燃瀝青

(c) APFR阻燃瀝青(d) FRMAXTM阻燃瀝青

(e) AMP阻燃瀝青

由圖1可見(jiàn)：按照燃燒排煙量來(lái)看，抑煙效果按降序依次為：APFR、AMP、FRMAXTM、合肥II型。APFR 抑煙效果較明顯，AMP、FRMAXTM次之，合肥II型的抑煙效果不明顯。本試驗(yàn)所選的阻燃劑均為環(huán)保型阻燃劑，其中均含有大比例的氫氧化物阻燃劑，代表為Mg(OH)2和Al(OH)3。無(wú)機(jī)氫氧化物受熱分解需要吸收一定的熱量，分解后僅產(chǎn)生水和金屬氧化物。在火焰作用下，填充到高聚物里的無(wú)機(jī)氫氧化物會(huì)發(fā)生分解吸收燃燒過(guò)程中放出的部分熱量，從而降低高聚物的溫度，減慢降解速度，這種分解吸熱的化學(xué)冷卻作用時(shí)其阻燃的主要作用機(jī)理[12]。

4馬歇爾試件燃燒試驗(yàn)

眾所周知，瀝青混合料和瀝青的燃燒特性有較大的區(qū)別，瀝青混凝土路面在隧道火災(zāi)過(guò)程是否會(huì)燃燒、什么時(shí)候燃燒以及燃燒影響深度等問(wèn)題，直接關(guān)系到瀝青混凝土路面在隧道中的安全性能，但國(guó)內(nèi)外對(duì)此還缺乏研究[13-15]。為此，本節(jié)對(duì)添加AMP阻燃劑和FRMAXTM阻燃劑的馬歇爾試件進(jìn)行完全燃燒試驗(yàn)，通過(guò)觀察試件的質(zhì)量損失和燃燒時(shí)間來(lái)判斷阻燃瀝青混合料的燃燒性能。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 燃燒時(shí)間與馬歇爾試件質(zhì)量損失率Table3 Theburningtimeandthemasslossrateofmar-shallspecimen混合料種類燃燒前質(zhì)量/g燃燒后質(zhì)量/g質(zhì)量損失率/%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燃燒時(shí)間/min平均質(zhì)量損失率/%平均燃燒時(shí)間/min9101036.009.6758722.696.6746720.205.67 注:HMA為不加阻燃劑的馬歇爾試件,WMA+AMP為添加15%AMP阻燃劑的馬歇爾試件,WMA+FRMAXTM為添加15%FRMAXTM的馬歇爾試件。

由表3可見(jiàn)：

① 由燃燒時(shí)間結(jié)果可得，添加阻燃劑可減少瀝青混凝土的燃燒時(shí)間。添加FRMAXTM阻燃劑的阻燃瀝青路面的燃燒時(shí)間約為一般瀝青路面燃燒時(shí)間的一半。

② 添加阻燃劑可以減少16%的路面燃燒質(zhì)量損失。

③ 從燃燒試驗(yàn)結(jié)果得出FRMAXTM阻燃劑的阻燃效果要優(yōu)于AMP阻燃劑。

根據(jù)馬歇爾試件燃燒試驗(yàn)的火焰情況看，阻燃瀝青混合料的火焰要比SBS改性瀝青的?。桓鶕?jù)圖2從試件燃燒后的形狀觀察，可以認(rèn)為瀝青混合料試件在達(dá)到一定溫度后會(huì)發(fā)生軟化而失去結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但阻燃瀝青馬歇爾試件燃燒后試件完整性比改性瀝青馬歇爾試件略好一些。

HMA燃燒后WMA+AMP燃燒后WMA+FRMAXTM燃燒后

5現(xiàn)場(chǎng)燃燒試驗(yàn)

試驗(yàn)段路面分為不添加外加劑的SMA-10和添加10%AMP阻燃抑煙劑的SMA-10兩種。在施工過(guò)程中，由于AMP復(fù)合式阻燃劑為白色粉末，細(xì)度與礦粉相當(dāng)?？紤]到阻燃劑的加入會(huì)影響到混合料本身的級(jí)配以及阻燃劑對(duì)瀝青的吸附作用，試驗(yàn)段采用等量替代礦粉的方式進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)觀察阻燃抑煙試驗(yàn)段混合料油光發(fā)亮，鋪筑過(guò)程中無(wú)離析等異?，F(xiàn)象。

在試驗(yàn)段路面選定長(zhǎng)半徑為30 cm的圓形區(qū)域，將2.5 L汽油均勻撒布在劃定區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。記錄燃燒時(shí)間，測(cè)量燃燒上方氣體溫度?？紤]到汽油的流淌性，試驗(yàn)前在圓形區(qū)域周圍用細(xì)沙包圍，并確保盡量密實(shí)。汽油用容量為1 L的量筒稱量。撒布及燃燒過(guò)程如圖3所示。

試驗(yàn)采用Fluke-Ti50FT在距離燃點(diǎn)3 m處采集路面燃燒過(guò)程中的空氣溫度，共采集3組數(shù)據(jù)：兩組為添加10%AMP阻燃劑的阻燃路面和一組未添加阻燃劑的路面燃燒試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)：阻燃路面燃燒時(shí)間比未添加阻燃劑的路面燃燒時(shí)間少150 s 左右。說(shuō)明AMP可以有效地減少路面燃燒時(shí)間，增加隧道內(nèi)突發(fā)事故的人員逃生可能性，有效增加現(xiàn)場(chǎng)施救的可行性。

撒布汽油撒布均勻

點(diǎn)燃瞬間燃燒4 min

燃燒8 min燃燒10 min

圖4　燃燒時(shí)間和氣場(chǎng)溫度對(duì)比圖Figure 4　The comparison of burning time and gas field 　temperature

從燃燒過(guò)程氣場(chǎng)溫度考慮，當(dāng)燃燒達(dá)到120 s后，相較無(wú)阻燃路面，阻燃路面的氣場(chǎng)溫度明顯下降，此時(shí)阻燃劑阻燃效果明顯，吸收了燃燒過(guò)程中的部分熱量。同一時(shí)間點(diǎn)，阻燃路面的溫度場(chǎng)均低于無(wú)阻燃路面約30 ℃。說(shuō)明在路面燃燒過(guò)程中，阻燃劑一直在發(fā)揮著吸收熱量的作用。

6結(jié)論

① 添加15%的阻燃劑可以提高瀝青的軟化點(diǎn)，降低瀝青針入度，同時(shí)會(huì)縮短瀝青延度。FRMAXTM和AMP兩種阻燃劑對(duì)瀝青延度的不良影響較小，且基本指標(biāo)均能滿足隧道用瀝青的技術(shù)要求。

② 阻燃劑的使用量達(dá)到15%時(shí)，F(xiàn)RMAXTM和AMP可以滿足氧指數(shù)大于23%的要求。

③ 從燃燒排煙量來(lái)看，APFR 抑煙效果較明顯，AMP、FRMAXTM次之，合肥II型的抑煙效果不明顯。

④ 由馬歇爾試件燃燒試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)燃燒試驗(yàn)可知，阻燃劑可以有效地減少路面燃燒時(shí)間，降低路面的氣場(chǎng)溫度，增加隧道內(nèi)突發(fā)事故的人員逃生可能性。

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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，F(xiàn)RMAX(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

[中圖分類號(hào)]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)01-0207-04

[作者簡(jiǎn)介]劉俊華(1978-)，男，山西五臺(tái)人，高級(jí)工程師，主要從事道路工程相關(guān)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)檢測(cè)工作。

[收稿日期]2014-08-26