(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

隧道瀝青砼路面阻燃劑種類及阻燃機(jī)理研究綜述

馬青

(重慶交通大學(xué)重慶400074)

公路隧道內(nèi)采用瀝青砼路面結(jié)構(gòu)形式具有噪聲低、抗滑性好、易養(yǎng)護(hù)和平整性等優(yōu)點(diǎn)。但是瀝青是一種易燃材料，因而一旦發(fā)生火災(zāi)，再加上隧道特殊位置和空間局限性的影響，必然會(huì)使燃燒更劇烈，瀝青在汽油的助燃下會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體和黑煙，后果將不堪設(shè)想。因此提出針對(duì)隧道路面瀝青混合料阻燃劑種類和阻燃特性及機(jī)理的研究綜述，具有重要意義。

隧道；瀝青砼路面；阻燃劑；阻燃機(jī)理；綜述

引言

近年來(lái)，我國(guó)新建公路隧道大多采用瀝青砼路面，而由于隧道空間封閉、狹窄，瀝青易燃的特點(diǎn)，火災(zāi)頻發(fā)。阻燃瀝青路面阻燃首先以瀝青中加入有機(jī)溴化阻燃劑等技術(shù)路線，其次是采取通過(guò)OGFC結(jié)構(gòu)技術(shù)的燃料，實(shí)現(xiàn)毛孔粗大退路阻燃瀝青。使用阻燃瀝青礦物纖維成瀝青混合料的方法，涂覆有硼砂，鈉硅酸鹽作為含有阻燃劑瀝青膨脹顆粒的主要成分的礦物顆粒表面后早期的研究，都是阻燃瀝青更多的發(fā)展研究方向。

一、阻燃劑

(一)瀝青阻燃劑研究進(jìn)展。在20世紀(jì)50年代，針對(duì)瀝青防水材料的防火安全要求，比如在瀝青中摻入難燃礦物纖維，以減少瀝青中可燃物的比重，使瀝青受熱流淌起到一定的阻礙作用，但阻燃效果較差。20世紀(jì)60年代末，母鹿釋放阻燃瀝青硅酸鈉，硼砂作為含膨脹的主要成分發(fā)泡粒子。這在防火阻燃瀝青，膨脹顆粒以形成多孔物質(zhì)會(huì)發(fā)生熱膨脹，并且因此可以吸收瀝青，以防止火焰?zhèn)鞑ヒ蜃拥牧鲃?dòng)所造成的熔融瀝青。

2001年，重慶交通科研設(shè)計(jì)院陳輝強(qiáng)、陳仕周等將SBS改性瀝青使用有機(jī)鹵系阻燃劑和復(fù)合系統(tǒng)，成功應(yīng)用于重慶西山坪北碚隧道瀝青路面工程，并在日本、德國(guó)等有關(guān)國(guó)外隧道中的改性瀝青路面的有關(guān)規(guī)定，首次提出對(duì)阻燃瀝青工程技術(shù)隧道方面的要求，但制備的阻燃SBS改性瀝青極限氧指數(shù)不高，僅為23%。

(二)常見(jiàn)瀝青阻燃劑的種類

(1)填料型阻燃劑。填料型阻燃劑是添加型阻燃助劑的一種，經(jīng)常使用的類型有氫氧化鋁(ATH)、氫氧化鎂(MH)、陶土、碳酸鈣等。阻燃機(jī)理是能夠使可燃物的濃度降低，延長(zhǎng)燃燒，促進(jìn)成碳作用。

(2)化學(xué)阻燃劑。常用的化學(xué)阻燃劑主要有以下幾類:銻系、磷系、鹵素系、氮系、硼系和硅系等。單獨(dú)使用或幾種阻燃劑復(fù)合使用都可以，形成協(xié)效阻燃體系。銻基阻燃劑輔助阻燃劑，含鹵素阻燃劑與混合使用，以發(fā)揮其阻燃作用。通常是硅，錫化合物作為防煙劑等阻燃劑是復(fù)合的使用，但錫化合物的煙霧和阻燃性能為比硅化合物顯著更好。鹵阻燃劑包括氯和溴兩大類。更一般地，使用溴化阻燃劑，其原因是溴化腐蝕性和有毒性在熱分解后比較小并且阻燃效果與氯化物而言也會(huì)有提高。磷系阻燃劑是室溫下為液體的更多，煙量大，高溫可能釋放出有毒氣體，所以其應(yīng)用受到很大限制。溴化阻燃劑效率高，相對(duì)小的添加量，而不是在襯底和電性質(zhì)的物理和機(jī)械性能的嚴(yán)重惡化。溴化阻燃劑是目前使用的是世界上最大的有機(jī)阻燃劑之一。有十溴二苯醚，四溴雙酚三氧化二銻石蠟等。

(3)膨脹型阻燃劑。膨脹型阻燃劑(IFR)是以磷、氮為主要成分的無(wú)鹵阻燃劑。膨脹型阻燃劑主要是由碳化，碳化的催化劑，廣闊的三部分組成。多磷酸銨(APP)中的碳化的催化劑是常用的。當(dāng)膨脹劑受熱時(shí)會(huì)放出惰性氣體的化合物，主要由胺類和酞胺類這兩種物質(zhì)構(gòu)成。

(4)納米阻燃劑。納米型阻燃劑是由1nm～100nm的顆粒，多層膜或纖維的超微粒凝聚而形成。量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)的納米顆粒本身具有一定的作用，以提高界面改變無(wú)機(jī)和聚合物基體的相容性，從而提高阻燃性。阻燃型中納米復(fù)合材料可以解決含鹵素阻燃劑而引起的“二次災(zāi)害”，還能夠因納米效應(yīng)而使材料具有更優(yōu)異的力學(xué)性能、熱性能及電性能等。

二、瀝青的阻燃機(jī)理

聚合物的燃燒過(guò)程受其本身性質(zhì)的影響，通風(fēng)、引燃源等外界因素也會(huì)對(duì)此起到一定的制約作用。聚合物的燃燒是循環(huán)往復(fù)的過(guò)程：聚合物吸熱分解釋放出易燃物質(zhì)，易燃物質(zhì)和氧發(fā)生燃燒反應(yīng)并釋放熱量，熱量促進(jìn)原聚合物繼續(xù)分解，因此產(chǎn)生循環(huán)。阻燃體系的作用機(jī)理有以下3種。

(一)氣相阻燃機(jī)理。氣相阻燃的機(jī)理是根據(jù)阻燃劑受熱時(shí)產(chǎn)生的氣體這一現(xiàn)象來(lái)抑制燃燒反應(yīng)。氣相阻燃的主要類型有3種：阻燃劑受熱分解產(chǎn)生細(xì)微煙粒子和氣體化合物，因此抑制了活性基的接觸；阻燃劑受熱放出大量惰性氣體，以此來(lái)降低可燃物與氧氣的接觸面積，而降低燃燒速度；阻燃劑受熱產(chǎn)生高密度蒸汽，使可燃?xì)怏w與氧氣隔離，從而中斷燃燒。

(二)凝聚相阻燃機(jī)理。凝聚相阻燃是通過(guò)降低固態(tài)物質(zhì)溫度的方式，抑制或防止易燃物質(zhì)聚合物表面燃燒反應(yīng)的分解。凝聚相阻燃含有 3 種形式：其一在被阻燃物中添加可以導(dǎo)熱和蓄熱的無(wú)機(jī)填料，用來(lái)降低被阻燃物的溫度，因此使其難以分解；其二阻燃劑分解時(shí)吸收燃燒的熱量，消耗熱源；最后一種形式是在聚合物表面設(shè)較寬的孔炭層，隔絕熱源和氧氣，從而中斷聚合物的燃燒。

(三)中斷熱交換機(jī)理。中斷熱交換指的是中斷可燃物質(zhì)燃燒釋放熱量和聚合物分解吸收熱量的交換過(guò)程。在聚合物分解、可燃物燃燒加劇時(shí)，熔融滴落等物理過(guò)程會(huì)轉(zhuǎn)移掉大量的燃燒熱，從而使熱源減少，這樣原聚合物吸收的熱量就無(wú)法達(dá)到其分解溫度，也就無(wú)法為燃燒提供燃料，最終使燃燒終止。

三、瀝青路面阻燃劑存在的問(wèn)題

(1)不能構(gòu)建阻燃性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

(2)抑煙性能不足。

(3)不滿足環(huán)保要求。

(4)阻燃效果有待加強(qiáng)。

四、瀝青阻燃劑的研究展望

低碳環(huán)保型必然是未來(lái)阻燃劑發(fā)展的方向，其中納米復(fù)合材料是阻燃劑發(fā)展的一種趨勢(shì)。納米阻燃劑采用本身所有的粒徑尺寸效應(yīng)和比表面積來(lái)擴(kuò)大界面影響了聚合物和無(wú)機(jī)物的相容性。APP-聚磷酸銨是最近發(fā)展起來(lái)的無(wú)機(jī)阻燃劑。IFR-膨脹型阻燃劑在受熱時(shí)形成碳質(zhì)泡沫層造成隔絕氧氣和抑制煙霧的效果。阻燃劑在受到熱時(shí)發(fā)生分解反應(yīng)吸收熱量并產(chǎn)生汽化熱組織瀝青分解的發(fā)生。這種產(chǎn)生的 ATH 為含結(jié)晶水的物質(zhì)吸收大量的熱時(shí)阻止燃燒的目的生效。

目前認(rèn)為安全的阻燃材料，金屬氫氧化物和氮系阻燃劑中不產(chǎn)生有毒和腐蝕性氣體，被稱為環(huán)境友好的阻燃劑，但大劑量或低功效的，因?yàn)闆](méi)有得到很好的應(yīng)用，已經(jīng)引起了工業(yè)的研究人員的注意，由表面變質(zhì)，超微細(xì)加工，微膠囊化，接枝技術(shù)，提高了阻燃效果。

五、總結(jié)

我國(guó)目前市場(chǎng)上的隧道路面阻燃劑大多還是水平低、效能差、毒性較高的產(chǎn)品，實(shí)際應(yīng)用中阻燃效果并不突出，而且新型綠色環(huán)保低碳阻燃劑的研發(fā)還處在起步階段。與此同時(shí)，對(duì)阻燃劑的選擇也會(huì)按照路面材料的使用特點(diǎn)更加偏向于原料豐富、成本低廉以及施工工法的簡(jiǎn)便，不影響瀝青及其混合料的路面使用性能的發(fā)揮，這也將成為未來(lái)隧道瀝青路面阻燃劑研究的主要方向。

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