劉俊華

(山西省交通科學研究院， 山西 太原　030006)

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阻燃瀝青及混合料的阻燃性能試驗研究

劉俊華

(山西省交通科學研究院， 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，通過氧指數(shù)試驗、抑煙試驗、馬歇爾試件燃燒試驗、現(xiàn)場燃燒試驗對阻燃瀝青及其混合料的阻燃性能進行了一系列的試驗研究，試驗結(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，同時也能夠滿足隧道用瀝青的技術(shù)指標要求。從燃燒排煙量來看，APFR 抑煙效果較明顯，AMP、FRMAX(TM)次之。由馬歇爾試件燃燒試驗和現(xiàn)場燃燒試驗可知，阻燃劑可以有效地減少路面燃燒時間，降低路面的氣場溫度，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； 燃燒時間

0前言

瀝青是一種易燃性材料，隧道內(nèi)路面處于一個相對封閉的環(huán)境中，隧道內(nèi)部封閉潮濕、通風條件差，倘若發(fā)生交通事故而引發(fā)火災，將使瀝青燃燒后釋放的有害氣體嚴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)生火災后的溫度(2～10 min隧道頂板溫度就達到1 200 ℃左右)遠遠超過瀝青的閃點和燃點(300 ℃～400 ℃左右)，一旦瀝青燃燒，就會助長火災的發(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，并針對阻燃瀝青路面的阻燃性能進行系統(tǒng)研究。

1阻燃瀝青性能試驗

本試驗使用的改性瀝青為SBS I-C，其基本指標滿足規(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鹵環(huán)保阻燃劑II型；海川集團FRMAXTM阻燃改性劑高效型。考慮到高速剪切會使瀝青發(fā)生老化影響改性瀝青性能，并且增加現(xiàn)場生產(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，使阻燃改性瀝青無氣泡或離析。加入阻燃劑后阻燃瀝青的試驗檢測結(jié)果，如表1所示。

表1 阻燃改性瀝青技術(shù)指標Table1 Technicalindicatorsofretardantmodifiedasphalt阻燃劑添加量/%軟化點/℃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1 ℃～3 ℃；降低針入度0.8～1.16 mm。但對瀝青延度有不利影響，降幅為32.3%～44.7%；。FRMAXTM和AMP對瀝青延度的不良影響較其他兩種種阻燃劑好，且基本指標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行有焰燃燒所需的最低氧濃度。氧指數(shù)高，說明材料燃燒需氧量大，難燃燒；一般認為氧指數(shù)大于27 %，屬難燃材料[8，9]。我國隧道路面要求氧指數(shù)達到23%[10]。本測試過程參照了塑料燃燒性能的測定標準和正在擬定的瀝青材料燃燒性能測試標準NB/SH/T 0815-2010[11]。試驗時將試樣垂直地支撐在一個透明的燃燒筒內(nèi)，燃燒筒內(nèi)有向上流動的氧和氮的混合氣體，點燃試樣的上端，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)時間。通過在不同的氧濃度中試驗，可測得最低氧濃度。四種阻燃瀝青的氧指數(shù)試驗結(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，當阻燃劑的使用量達到15%時，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，瀝青的延度會進一步降低，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過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)計了瀝青燃燒試驗，研究各種阻燃劑的抑煙效果，試驗結(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：按照燃燒排煙量來看，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。無機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機氫氧化物會發(fā)生分解吸收燃燒過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冷卻作用時其阻燃的主要作用機理[12]。

4馬歇爾試件燃燒試驗

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過程是否會燃燒、什么時候燃燒以及燃燒影響深度等問題，直接關(guān)系到瀝青混凝土路面在隧道中的安全性能，但國內(nèi)外對此還缺乏研究[13-15]。為此，本節(jié)對添加AMP阻燃劑和FRMAXTM阻燃劑的馬歇爾試件進行完全燃燒試驗，通過觀察試件的質(zhì)量損失和燃燒時間來判斷阻燃瀝青混合料的燃燒性能。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 燃燒時間與馬歇爾試件質(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燃燒時間/min平均質(zhì)量損失率/%平均燃燒時間/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：

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

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，可以認為瀝青混合料試件在達到一定溫度后會發(fā)生軟化而失去結(jié)構(gòu)強度，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)場燃燒試驗

試驗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。在施工過程中，由于AMP復合式阻燃劑為白色粉末，細度與礦粉相當。考慮到阻燃劑的加入會影響到混合料本身的級配以及阻燃劑對瀝青的吸附作用，試驗段采用等量替代礦粉的方式進行，現(xiàn)場觀察阻燃抑煙試驗段混合料油光發(fā)亮，鋪筑過程中無離析等異?，F(xiàn)象。

在試驗段路面選定長半徑為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)，進行燃燒試驗。記錄燃燒時間，測量燃燒上方氣體溫度。考慮到汽油的流淌性，試驗前在圓形區(qū)域周圍用細沙包圍，并確保盡量密實。汽油用容量為1 L的量筒稱量。撒布及燃燒過程如圖3所示。

試驗采用Fluke-Ti50FT在距離燃點3 m處采集路面燃燒過程中的空氣溫度，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數(shù)據(jù)，如圖4所示。

由圖4可見：阻燃路面燃燒時間比未添加阻燃劑的路面燃燒時間少150 s 左右。說明AMP可以有效地減少路面燃燒時間，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)場施救的可行性。

撒布汽油撒布均勻

點燃瞬間燃燒4 min

燃燒8 min燃燒10 min

圖4　燃燒時間和氣場溫度對比圖Figure 4　The comparison of burning time and gas field 　temperature

從燃燒過程氣場溫度考慮，當燃燒達到120 s后，相較無阻燃路面，阻燃路面的氣場溫度明顯下降，此時阻燃劑阻燃效果明顯，吸收了燃燒過程中的部分熱量。同一時間點，阻燃路面的溫度場均低于無阻燃路面約30 ℃。說明在路面燃燒過程中，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，降低瀝青針入度，同時會縮短瀝青延度。FRMAXTM和AMP兩種阻燃劑對瀝青延度的不良影響較小，且基本指標均能滿足隧道用瀝青的技術(shù)要求。

② 阻燃劑的使用量達到15%時，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和現(xiàn)場燃燒試驗可知，阻燃劑可以有效地減少路面燃燒時間，降低路面的氣場溫度，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]U 414.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0207-04

[作者簡介]劉俊華(1978-)，男，山西五臺人，高級工程師，主要從事道路工程相關(guān)的設(shè)計、試驗檢測工作。

[收稿日期]2014-08-26