高 景 偉

(陜西交建機械化養(yǎng)護有限公司，陜西 西安 710000)

公路隧道改性阻燃瀝青測試方法及相關性能研究

高 景 偉

(陜西交建機械化養(yǎng)護有限公司，陜西 西安 710000)

基于在紡織品當中采用氧指數方法，提出一種主要的瀝青氧指數測試方法，指出在以后的研究中，瀝青阻燃劑的評價方法和標準應該被進一步細化精煉和調整，從測試結果來看，可以發(fā)現阻燃劑的添加對瀝青路面性能是有益的，對于Mg(OH)2阻燃劑而言，摻量達到8%可以達到瀝青性能綜合最優(yōu)的效果。

高速公路隧道，瀝青路面，瀝青阻燃劑，Mg(OH)2阻燃劑

0 引言

在山區(qū)地帶，公路隧道技術得到大量應用，例如日本和一些歐洲國家。在日本，從1952年到2000年大約50年，公路隧道的數量從1 500座增加到超過8 000座增長接近5倍，并且公路隧道的英里數從500 km增加到2 275 km增長達到4倍。1998年在德國，根據Haack’s的統計數據，公路隧道的數量根據聯邦政府的在建隧道數據統計超過157座。

在中國，隨著修建技術的改善和成本的減少，公路隧道在高速公路建設中得到了廣泛應用，公路隧道采用瀝青路面已成為一種新的趨勢。

通常，隧道火災發(fā)生的可能性要小于外部公路。但是，加之隧道是一個特殊的半封閉空間，內部通風條件很差，倘若發(fā)生交通事故而引發(fā)火災，瀝青混凝土路面燃燒后釋放出大量的熱和有害氣體就會嚴重影響人的身體健康，甚至危及生命，隧道越長，傷亡損失就越嚴重。

自從1957年，當世界公路協會首次建立的時候，它就設立公路隧道組織去考慮隧道交通的安全性。在第18次世界公路大會時，討論重點是關于隧道的安全性、安全設備、消防設施和建筑安全標識。在1992年，世界公路協會設立了危險物運輸協會，其目的在于隧道危險物運輸情況調查。

為了阻止公路隧道的一些災難發(fā)生，如濃煙、大火等，國際組織提出了許多設計建議值作為公路隧道的設計標準，例如通風設施的設置、進出口的設置包括數量和位置。

隨著公路隧道瀝青路面的應用逐漸增加，阻燃瀝青路面的研究需要給予更多的關注和研究。下文將對瀝青阻燃劑做一些初步的研究包括阻燃瀝青的評價指標、設備和測試方法，阻燃劑對瀝青路用性能的影響效果，如軟化點、延度等。

1 阻燃瀝青的研究

瀝青燃燒評價方法:

評價瀝青安全性的指標通常使用閃點和燃點。閃點常用來評價瀝青的存儲安全性，燃點常作為施工安全性的評價指標。

在實際操作過程中，采用閃點和燃點作為指標評價瀝青燃燒性能有一些限制因素。原因如下：

1)閃點和燃點不能用來評價瀝青的持續(xù)燃燒性能，因為瀝青的燃燒時間在測試過程中是非常短的。2)對于不同種類的瀝青，包括改性瀝青，輕質油的成分是不同的，當達到一定的臨界溫度時就會導致弱結合鍵的斷裂和輕質油揮發(fā)。在此時，對于不同瀝青的閃點、燃點的差異是毫無意義的，因此，它們不能夠用來比較不同阻燃瀝青的性能和效果。

為了改善瀝青路面的操作安全性，路面的阻燃性能必須加以改善。在國內和國外，阻燃瀝青的性能一直處于研究階段，并且也得到了一些抑煙阻燃產品。但是，對阻燃瀝青的性能評價方法仍然缺乏統一性，雖然一些研究者使用極限氧指數方法評價阻燃瀝青性能，但是仍然缺少清晰明確的標準，導致結果缺乏可對比性。現在迫切需要研究一種標準方法用于評價瀝青的燃燒性能來指導阻燃瀝青的生產和發(fā)展。

氧指數作為評價阻燃材料的性能參數，廣泛應用于紡織品工業(yè)和化工業(yè)中，并且已經形成了用標準方法(GB/T 16581-1996，GB 10707-1989，GB/T 5454-1997)測試的國際標準。氧指數能夠用來評價材料的持續(xù)燃燒性能，因此，它可以用來評價阻燃瀝青性能。但是，氧指數測試方法和標準應用在瀝青產品中有一定的困難。瀝青在室溫下燃燒是很困難的，并且受到氣流和流速的影響。根據以上原因，必須研究一種可行的瀝青氧指數評價測試方法和步驟。

2 氧指數測試方法研究

2.1 設備和測試方法

參照使用紡織化工業(yè)規(guī)范標準和儀器——氧指數儀，儀器氣流精度為：O2為0.2 L/min，N2為0.5 L/min。燃燒氣體來自于工業(yè)氣體，O2濃度≥99.5%，N2濃度≥99.5%。壓力控制要求在高壓缸內不少于15 MPa和氣體壓力為0.1 MPa～0.5 MPa。秒表計時器精度為±0.25 s，點火設備是一個直徑(2±1)mm的管子連接到液化石油氣。

測試設備如圖1所示。瀝青樣品放在容器內的支柱上，之后調節(jié)氣體濃度使之充滿整個容器后點燃瀝青試樣。

最小氧氣濃度稱之為極限氧指數(LOI)，所提供樣品在O2和N2混合氣體下保持燃燒平衡。使用這個公式表示為:

其中，[O2]為氧氣體積流量，L/min;[N2]為氮氣體積流量,L/min。

2.2 因素分析

由于瀝青的性質與一般紡織品有很大區(qū)別，LOI測試方法應該調整解決一些固有的特性如燃燒性能。問題的關鍵是要找到影響瀝青持續(xù)燃燒試驗的主要因素。在本文中，主要考慮到了兩個主要因素，一個是在燃燒之前樣品的加熱溫度，另一個是維持燃燒時的混合氣體流動速率。

2.2.1 燃燒之前樣品的加熱溫度

在正常的溫度條件下，瀝青試樣是不能被點燃的，甚至在氧氣濃度接近60%～80%的情況下，因此瀝青必須加熱到一定的溫度下才能被點燃。瀝青的比熱與溫度有緊密的關系，在0 ℃，瀝青的比熱是1.672×10-3J/(g·℃)～1.797×10-3J/(g·℃)。當溫度上升1 ℃，瀝青的比熱將會增加1.672×10-3J/(g·℃)～2.058×10-3J/(g·℃)。在不同的溫度條件下，由于瀝青不同的比熱瀝青燃燒可以產生和傳遞不同的熱量，從而導致不同的持續(xù)燃燒能力。測試所得到的LOI值也將會發(fā)生相應的變化。在其他條件相同的情況下，在燃燒之前瀝青加熱溫度越高，瀝青持續(xù)燃燒的時間可能會更長。選擇基質瀝青和改性瀝青，設置其他測試條件包括樣品重量、氧氣濃度和總的氣體流速。之后，在燃燒之前將瀝青樣品加熱到不同的溫度，樣品的重量為30 g，氧氣濃度為19.35%，氣體流速為9.3 L/min。樣品持續(xù)燃燒時間與加熱溫度的測試結果如圖2所示。

從圖2 可以看到，加熱溫度與持續(xù)燃燒時間有良好的相關性，在燃燒之前加熱溫度越高，燃燒持續(xù)時間就越長。當加熱溫度達到280 ℃時，對于基質瀝青或改性瀝青的燃燒持續(xù)時間沒有較大的變化。換而言之，瀝青加熱溫度達到280 ℃時，能夠為瀝青提供穩(wěn)定的持續(xù)燃燒條件。

2.2.2 混合氣體流動速率

在這個過程中,燃燒產生的煙霧或氣流對熱量轉移有很大的影響。較大的氣流可能會導致熱傳播逆流，從而造成持續(xù)燃燒時間的減少。與此同時，這種熱傳播的加速將會使得試樣內部熱量不足以維持繼續(xù)燃燒所需熱量。在燃燒測試之前，試樣重量為30 g、加熱溫度為280 ℃。在氧氣濃度相同、混合氣體流速不同的條件下測試持續(xù)燃燒時間，測試結果如表1所示。

表1 不同混合氣體流速下的燃燒時間

從試驗結果看，當氧氣濃度都是19.35%、氣體流動速率相差3.1 L/min時，燃燒時間相差87.5 s；當氧氣濃度為18.8%和18.6%(基本接近)、氣體流動速率相差3.1 L/min時，燃燒時間相差44 s?？梢缘贸?，氣體流動速率對燃燒時間有很大影響，同樣決定影響著氧指數的大小。氣流速率越大，燃燒時間越短。因此，在測試的過程中需要將混合氣體的流速控制在一定的范圍內，這就需要設備具有較高的精度控制性能。

3 測試過程分析

3.1 初步的測試條件

根據以上分析，初步的測試條件設定如下：1)試樣重量為30 g；2)燃燒之前加熱溫度為280 ℃；3)混合氣體流速在10 L/min～11.4 L/min，變化不應超過10%；4)持續(xù)燃燒時間為60 s時的氧指數是極限氧指數。

3.2 阻燃劑的選擇

在研究中發(fā)現，選擇無機物Mg(OH)2作為阻燃劑，其具有抑煙和吸熱的特性。產品化學成分如表2所示。

表2 Mg(OH)2化學成分表

3.3 阻燃瀝青的準備

阻燃瀝青的制備按以下三步進行：首先，將基質瀝青在110 ℃加熱30 min;其次，加入SBS在175 ℃剪切15 min；最后，加入阻燃劑剪切10 min。

4 測試結果分析

4.1 氧指數、閃點和燃點之間的對比

分別選取一種基質瀝青、改性瀝青和加有5% Mg(OH)2的阻燃瀝青，測試氧指數、閃點和燃點如圖3所示。在圖3中，A0代表基質瀝青；A1代表加有Mg(OH)2的基質瀝青；M0代表改性瀝青；M1代表加有Mg(OH)2的改性瀝青。

從圖3可以得出，對于基質瀝青和改性瀝青，添加Mg(OH)2與否對其閃點、燃點的影響差異不是很明顯。對于基質瀝青，當加入Mg(OH)2時閃點和燃點都減小，同時，在基質瀝青和改性瀝青中加入Mg(OH)2氧指數都會增加。表明，LOI指標是可以用來評價瀝青的持續(xù)燃燒特性的，并且也可以用來評價不同阻燃劑的阻燃特性。

4.2 改性阻燃瀝青性能

選擇殼牌SBS改性瀝青，分別加入四份Mg(OH)2阻燃劑，質量分數為0%,5%，8%，10%。測試氧指數、針入度、軟化點、5 ℃延度和135 ℃粘度。目的是分析Mg(OH)2對瀝青性能的影響效果，測試結果見圖4～圖7，表3。

4.2.1 阻燃劑對瀝青針入度的影響

如圖4 所示，隨著阻燃劑量的增加，瀝青的針入度將會減小并且呈線性關系。隨著阻燃劑的加入使得瀝青的稠度變大，以致于瀝青針入度變小。

4.2.2 阻燃劑對瀝青軟化點的影響

如圖5所示，阻燃劑的加入對瀝青軟化點的影響不明顯，瀝青材料是一種非晶態(tài)聚合物材料并沒有確定的凝固點和液化點。

4.2.3 阻燃劑對低溫延度的影響

如圖6所示，阻燃劑的加入能夠有效增加瀝青的低溫延度，隨著阻燃劑含量的不斷增加，在含量8%之前，延度的增長速率很明顯；而含量超過8%以后，延度的增加并不明顯，隨著含量的繼續(xù)增加延度基本不再發(fā)生變化。這是因為阻燃改性劑的增加，使其與瀝青發(fā)生交聯反應形成網狀空間結構，從而增加了瀝青的低溫延度，隨著含量的繼續(xù)增加，這種作用已不再有助于延度的增加。

4.2.4 阻燃劑對高溫粘度的影響

如圖7所示，隨著阻燃劑含量的增加，瀝青的高溫粘度也相應增加，當含量達到8%時，粘度的增加發(fā)生較為明顯的轉折。這

表明，阻燃劑的添加可以提高瀝青的高溫性能。

4.2.5 阻燃劑對瀝青氧指數的影響

使用氧指數測試方法，測試結果如表3所示。可以看出，隨著阻燃劑添加量的增加，瀝青氧指數迅速增大，但是，當阻燃劑含量增大到一定程度時，氧指數增加速率將會減少。從測試結果可以看出，當阻燃劑添加量超過8%時，氧指數增加不是很明顯。對于不同的瀝青，合理的阻燃劑添加量是不同的，需要通過氧指數試驗和其他性能測試來確定不同瀝青阻燃劑添加量的合理用量，而不是用量越多越好。

表3 LOI測試結果

5 結語

從以上分析可以得出如下三個結論：

1)采用閃點和燃點指標，不能夠區(qū)分不同種類瀝青所摻加不同摻量的阻燃劑的燃燒性能。氧指數方法可以評價瀝青的持續(xù)燃燒性能。

2)在未來的研究和應用中，阻燃瀝青評價方法和標準應該被進一步細化和調整。

3)阻燃劑的添加對瀝青路面性能有一定的益處，綜合阻燃劑對瀝青高溫、低溫和氧指數的性能影響分析，對于Mg(OH)2阻燃劑而言，添加量8%可以達到最佳綜合性能。

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Study on modified fire retardant asphalt test method and related performance on highway tunnel

GAO Jing-wei

(ShannxiTransportationConstructionMechanizedMaintenanceCorporation,Xi’an710000,China)

Based on the oxygen index method is used in the textile, put forward a kind of main method of asphalt oxygen index test. In future research and application, evaluation method and standard of asphalt flame retardant should be further refined refining and adjustment. Can be found from the test results, the addition of flame retardant is benefit for the asphalt pavement performance, for the Mg(OH)2flame retardant, dosage of 8% can achieve the result of comprehensive optimum asphalt performance.

highway tunnel, asphalt pavement, asphalt flame retardant， Mg(OH)2retardant

1009-6825(2014)13-0131-03

2014-02-27

高景偉(1967- )，男，高級工程師

U459.2

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