關(guān)甫洋,牛冬瑜,邱雨生
(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院;2.長(zhǎng)安大學(xué)材料學(xué)院)
試驗(yàn)所用的基質(zhì)瀝青為殼牌AH-70#的道路石油瀝青,瀝青的品質(zhì)直接影響試驗(yàn)結(jié)果,為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,對(duì)所采用的基質(zhì)瀝青進(jìn)行各主要路用技術(shù)性能指標(biāo)測(cè)試,檢查其是否滿足瀝青路面施工要求。
聚磷酸銨(APP)阻燃劑是目前應(yīng)用較為廣泛的磷系阻燃劑,因?yàn)槠湓谂蛎浶妥枞紕┲凶鳛槌錾乃嵩从旨嬗袣庠垂δ堋?/p>
采用的阻燃改性瀝青制備方法為混融法,采用高速剪切設(shè)備或膠體磨,在一定的溫度和時(shí)間條件下制備阻燃改性瀝青。首先將基質(zhì)瀝青加熱至160 ℃并保溫,開(kāi)動(dòng)剪切儀以3 000 r/min的速度進(jìn)行攪拌,在10 min 內(nèi)將所需的復(fù)合阻燃劑緩緩的加入到流動(dòng)的瀝青中,然后以約5 000 r/min 的轉(zhuǎn)速高速剪切攪拌30 min 制得阻燃改性瀝青。
以AH-70#基質(zhì)瀝青與復(fù)合阻燃劑按不同劑量0wt%、9wt%、10wt%、11wt%、12wt%、13wt% 制備阻燃改性瀝青。通過(guò)對(duì)瀝青膠漿常規(guī)指標(biāo)的測(cè)試,對(duì)基質(zhì)瀝青與復(fù)合阻燃改性瀝青的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,研究其阻燃改性效果。
(1)阻燃改性瀝青軟化點(diǎn)研究。
軟化點(diǎn)試驗(yàn)表示瀝青達(dá)到流動(dòng)狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。瀝青是一種高分子非晶態(tài)熱塑性物質(zhì),沒(méi)有固定的軟化點(diǎn),當(dāng)溫度升高時(shí),瀝青由固態(tài)或半固態(tài)逐漸軟化,內(nèi)部分子之間產(chǎn)生滑動(dòng),這種狀態(tài)稱為粘流態(tài)。如下圖1 所示反映了阻燃瀝青軟化點(diǎn)的變化。
圖1 軟化點(diǎn)與復(fù)合阻燃劑摻量的關(guān)系
圖1 表明,隨著復(fù)合阻燃劑摻量的增加,阻燃瀝青軟化點(diǎn)逐漸呈增大的趨勢(shì),復(fù)合阻燃劑的加入使得瀝青的高溫性能得到了一定程度的改善。
(2)阻燃改性瀝青粘度研究。
粘度是由于流體內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)之間的引力形成摩擦,從而在外部表現(xiàn)為抵抗流動(dòng)的能力,是瀝青材料軟硬、稀稠程度的表征,也可以反映瀝青材料內(nèi)部阻礙其相對(duì)流動(dòng)和抵抗剪切變形的一種特性。在我國(guó),由于夏季常遇高溫,路面溫度可達(dá)到40 ~70 ℃,所以測(cè)定60 ℃粘度是非常必要的,這個(gè)指標(biāo)反映了瀝青膠漿在夏季路面應(yīng)用中的抗高溫性能。為了使得改性瀝青的施工性能得到控制,在SHRP 瀝青混合料性能規(guī)范中提出了135 ℃粘度不得超過(guò)3 Pa·s 的技術(shù)要求。
圖2 60 ℃粘度試驗(yàn)結(jié)果
圖3 135 ℃粘度試驗(yàn)結(jié)果
由圖2、圖3 可以看出,隨著復(fù)合阻燃劑摻量的增加,60 ℃粘度由212 Pa·s 逐漸增加到974 Pa·s,對(duì)于135 ℃粘度,基質(zhì)瀝青粘度為422 MPa·s,當(dāng)復(fù)合阻燃劑摻量達(dá)到13%時(shí),瀝青膠漿粘度為693 MPa·s。由此可得,復(fù)合阻燃劑在一定范圍內(nèi)添加,既可以滿足高溫性能的規(guī)定,也可以滿足瀝青混合料施工和易性的要求。
已有研究表明瀝青的低溫延度和開(kāi)裂性能有一定的因果關(guān)系,由于國(guó)內(nèi)瀝青有一定程度的含蠟量,這使得部分瀝青的延度達(dá)不到規(guī)范要求,在一定程度上影響了瀝青以及瀝青混合料的低溫性能,所以采用相對(duì)比較低的溫度來(lái)進(jìn)行瀝青的延度測(cè)試是有一定的依據(jù)和必要性的。
圖4 5 ℃延度試驗(yàn)結(jié)果
瀝青膠漿在低溫條件下延度愈好,則瀝青的抗裂性能就愈好。由上圖4 可以看出,摻加9%復(fù)合阻燃劑的阻燃瀝青與基質(zhì)瀝青相比5 ℃延度下降較為明顯,此后由于阻燃劑增加量相對(duì)比較少,所以延度下降的趨勢(shì)也比較緩慢。說(shuō)明,隨著復(fù)合阻燃劑的摻量在一定范圍內(nèi)的變化,使得阻燃瀝青膠漿的低溫性能有所降低。
粘度指標(biāo)能測(cè)定瀝青流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的基本性能,但是其只能提供瀝青在高溫流動(dòng)狀態(tài)下的特性。
動(dòng)態(tài)剪切流變儀用來(lái)檢驗(yàn)瀝青的粘彈性,客觀上可以檢驗(yàn)瀝青的高溫性能,它通過(guò)測(cè)定瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G* 和轉(zhuǎn)角δ 的關(guān)系來(lái)表征瀝青的溫度特性。G* /Sinδ 是判斷瀝青高溫性能的重要指標(biāo)。
圖5 G* /Sinδ 值
由圖5 可以看出,復(fù)合阻燃劑的摻加使得瀝青膠漿達(dá)到了PG76 的水準(zhǔn),而基質(zhì)瀝青只能達(dá)到PG70 的水平,說(shuō)明了阻燃瀝青膠漿的高溫性能比基質(zhì)瀝青的有所提高,并且在一定的溫度條件下,隨著復(fù)合阻燃劑摻量的變化增加趨勢(shì)較為緩慢。
關(guān)于瀝青材料的阻燃性能研究,雖然已經(jīng)取得了大量成果,但是到底采用何種方法和技術(shù)指標(biāo)來(lái)統(tǒng)一評(píng)價(jià)瀝青的阻燃性還沒(méi)有規(guī)范可依。在以往的研究中,大部分研究者都參考塑料和紡織行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法,主要有LOI 法、水平燃燒法和煙密度法等。其中,極限氧指數(shù)法試驗(yàn)數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好、操作簡(jiǎn)單,且區(qū)分度較高,能有效地定量的判斷瀝青材料在不同的氧氣濃度條件下與火焰接觸時(shí)燃燒的難易程度。其定義為:在規(guī)定條件下,試樣在O2和N2混合氣體中,維持平衡燃燒所需要的最低氧氣濃度。LOI 值的計(jì)算公式
式中:LOI 為極限氧指數(shù),%;[O2]為臨界氧濃度時(shí),混合氣體中氧氣的體積流量,%;[N2]為臨界氧濃度時(shí),混合氣體中氮?dú)獾捏w積流量,%。
一般而言,空氣中氧氣的濃度為21%左右,因此認(rèn)為L(zhǎng)OI 值小于21%的材料為易燃材料。表1 列出了日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISK7201 關(guān)于材料耐燃等級(jí)與氧指數(shù)LOI 值的關(guān)系。
表1 材料耐燃等級(jí)與LOI 值的關(guān)系
圖6 LOI 值
LOI 測(cè)試結(jié)果如圖6 所示,基質(zhì)瀝青LOI 值為23.1%,屬于難燃4 級(jí);當(dāng)隨著復(fù)合阻燃劑摻量的增加,瀝青膠漿的LOI 值逐漸增大;當(dāng)摻量達(dá)到13%時(shí),LOI 值達(dá)到28.1%,屬于難燃2 級(jí),這也說(shuō)明復(fù)合阻燃劑能夠明顯提高瀝青膠漿的阻燃性能,對(duì)于隧道瀝青路面的應(yīng)用有很重要的意義。
(1)隨著復(fù)合阻燃劑摻量的增加,阻燃瀝青軟化點(diǎn)逐漸呈增大的趨勢(shì),復(fù)合阻燃劑的加入使得瀝青的高溫性能得到了一定程度的改善,亦使得瀝青路面的耐久性得到了提高。
(2)隨著復(fù)合阻燃劑摻量在一定范圍內(nèi)的增加,60 ℃粘度和135 ℃粘度,既可以滿足高溫性能的規(guī)定,也可以滿足瀝青混合料施工和易性的要求。
(3)復(fù)合阻燃劑的摻量在一定范圍內(nèi)變化,將使得阻燃瀝青膠漿的低溫性能有所降低。
[1]崔小明.阻燃劑聚磷酸銨的改性和應(yīng)用[J].國(guó)外塑料,2009,(10).
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