叢 林，吳 敏，徐肖龍（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

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阻燃瀝青混合料的阻燃性能試驗(yàn)研究

叢 林，吳 敏，徐肖龍
（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

摘要：設(shè)計(jì)瀝青混合料大型燃燒爐試驗(yàn)方法，用來(lái)評(píng)價(jià)阻燃瀝青混合料的阻燃性能，試驗(yàn)結(jié)果表明：阻燃劑在瀝青混合料燃燒的前5 min內(nèi)能明顯降低瀝青混合料的燃燒速率，燃燒2 min時(shí)阻燃效果最佳，2 min后阻燃效果越來(lái)越不明顯，5 min后溫度過(guò)高阻燃劑失去阻燃效果。

關(guān)鍵詞：阻燃瀝青混合料；大型燃燒爐；阻燃性能；燃燒速率

由于瀝青路面抗滑具有性能好、噪聲低、行車舒適等特點(diǎn)，瀝青路面在高等級(jí)公路中得到廣泛使用[1-2],我國(guó)新建和在建的隧道路面多采用瀝青混凝土路面。但是由于瀝青是易燃材料，在封閉的隧道內(nèi)一旦發(fā)生交通事故引起車輛火災(zāi)，汽油滴落在瀝青路面上引燃瀝青，產(chǎn)生大量的熱、煙和毒氣，給救援帶來(lái)極大的困難，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)隧道瀝青混凝土路面進(jìn)行阻燃性能的評(píng)價(jià)顯得非常重要。

閃點(diǎn)和燃點(diǎn)可以有效評(píng)價(jià)瀝青在儲(chǔ)存及施工過(guò)程中的安全性，但它們都只是描述了瀝青能夠燃燒的條件，不能評(píng)價(jià)瀝青的持續(xù)燃燒能力[3]。對(duì)于瀝青的阻燃性能的評(píng)價(jià)，大多參照塑料阻燃性能的測(cè)試方法。楊群等提出氧指數(shù)評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的阻燃性能，其穩(wěn)定的持續(xù)燃燒可以用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的阻燃性能[4]。我國(guó)2010年5月1日發(fā)布了瀝青燃燒氧指數(shù)法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，制定了標(biāo)準(zhǔn)的氧指數(shù)測(cè)定方法[5]。然而瀝青路面阻燃性能的測(cè)試和評(píng)價(jià)不應(yīng)局限于瀝青阻燃性能的測(cè)試和評(píng)價(jià)，因?yàn)榧词瓜嗤臑r青，當(dāng)瀝青混合料的級(jí)配不同時(shí)，其阻燃性能也會(huì)存在較大的差異，所以要對(duì)瀝青混合料的阻燃性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。對(duì)瀝青混合料的阻燃性能的研究較少，李立寒、叢培良等采用汽油引燃的方法測(cè)試，用燃燒前后瀝青混合料的變化來(lái)評(píng)價(jià)阻燃性能[6-8]，卻未對(duì)整個(gè)燃燒過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程進(jìn)行分析。

本文對(duì)阻燃瀝青混合料的阻燃性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討阻燃瀝青混合料的阻燃性能測(cè)試方法。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 原材料

試驗(yàn)選取了瀝青為Shell牌70號(hào)基質(zhì)瀝青進(jìn)行阻燃性能測(cè)試，與4.5%的SBS改性劑采用高速剪切混合機(jī)設(shè)備制備SBS改性瀝青，阻燃劑為13%復(fù)合式阻燃劑，其中復(fù)合式阻燃劑為自制的十溴二苯乙烷、硼酸鋅和氫氧化鎂合物，各成分的質(zhì)量比例為5∶4∶1。將Shell牌70號(hào)SBS改性瀝青在110℃下脫水30 min，升溫到175℃，加入復(fù)合阻燃劑剪切10 min，制成阻燃改性瀝青，添加阻燃劑前后的性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。均滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)I-D改性瀝青的技術(shù)要求[9]。一般認(rèn)為氧指數(shù)大于27%時(shí)該材料是可自熄滅材料，根據(jù)工程應(yīng)用要求，阻燃瀝青的氧指數(shù)需要達(dá)到25%以上就可以了[10]。本試驗(yàn)的阻燃瀝青的氧指數(shù)為26.9%，滿足要求。

表1 改性瀝青主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test result of main performance index of modified asphalt

試驗(yàn)混合料采用由10～15 mm，5～10 mm，3～5 m，0～3 m這4檔輝綠巖集料構(gòu)成，粗集料的表觀密度為2.838 g·cm-3；細(xì)集料表觀密度為2.827 g·cm-3；礦粉為石灰?guī)r礦粉，表觀密度為2.627 g·cm-3。木質(zhì)素纖維用量為總質(zhì)量的的0.3%。

1.1.2 級(jí)配選擇

根據(jù)JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合實(shí)際情況確定SMA-13為本次試驗(yàn)的級(jí)配。

1.1.3 確定最佳油石比

按照J(rèn)TG F40 -2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》SMA混合料馬歇爾試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)技術(shù)要求，確定SMA-13的最佳油石比為6.2%，然后對(duì)其進(jìn)行性能檢驗(yàn)，符合規(guī)范要求。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所用設(shè)備為同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的分支實(shí)驗(yàn)室的大型燃燒爐，見(jiàn)圖1所示。

1.2.2 試驗(yàn)方法

制作最佳配合比下的SMA-13馬歇爾試件，無(wú)阻燃劑和添加阻燃劑的試件分別2個(gè)。分為A、B兩組，每組均為一個(gè)添加了阻燃劑一個(gè)沒(méi)有阻燃劑的2個(gè)馬歇爾試件。將兩組試件如圖2放入燃燒爐內(nèi)。A組試件兩個(gè)試件直接受火，模擬的是隧道火災(zāi)火源附近汽油所及之處路面燃燒狀況；B組試件兩個(gè)試件不受火，模擬的是隧道火災(zāi)遠(yuǎn)離火源無(wú)汽油處路面烘烤狀況。

圖1 大型燃燒爐結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of large-scale burner

圖2 試驗(yàn)前試件在燃燒爐內(nèi)的放置位置圖Fig.2 Position of specimen before test in the burner

試驗(yàn)用2 m·s-1風(fēng)速下的50 MW的火源功率對(duì)燃燒爐內(nèi)進(jìn)行直接燃燒試驗(yàn)，在每個(gè)馬歇爾試件的側(cè)面鉆個(gè)小孔，把傳感器插入，傳感器實(shí)時(shí)記錄試件表面的溫度，在磚塊底下放置耐火天平記錄試件質(zhì)量的變化并通過(guò)燃燒爐的玻璃鏡觀察爐內(nèi)試件的表面變化情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件燃燒的結(jié)果

燃燒爐內(nèi)燃燒到19.6 min時(shí)，通過(guò)觀察看到燃燒爐內(nèi)A組試件所在位置有股很亮的黃色火焰，持續(xù)時(shí)間約為20 s，據(jù)此判斷這是在火焰的作用下A組試件被引燃后協(xié)助燃燒發(fā)出的火焰。試驗(yàn)結(jié)束后A組試件（見(jiàn)圖3）表面呈現(xiàn)白色，這是試件表面燃燒所產(chǎn)生的灰燼。B組試件（見(jiàn)圖4）則還是原來(lái)的黑色，表明距離燃燒源一定距離的B組的表面沒(méi)有被引燃。

圖3 試驗(yàn)后燃燒爐內(nèi)A組試件Fig.3 Group A specimen after test in the burner

圖4 試驗(yàn)后燃燒爐內(nèi)B組試件Fig.4 Group B specimen after test in the burner

將A、B兩組試件分別從燃燒爐內(nèi)取出，A組用橡膠錘輕敲打，試件中的集料隨機(jī)坍落（見(jiàn)圖5）；B組試件在高溫烘烤下，已有少許集料坍落，含阻燃劑試件坍落程度較低，在外力輕擊狀態(tài)下，試件中集料隨即坍落（見(jiàn)圖6）。用橡膠錘輕敲打后，含有阻燃劑與未添加阻燃劑的試件形態(tài)并無(wú)明顯表征，表明強(qiáng)在高溫作用后阻燃劑的效力并不顯著。

圖5 受火后輕敲A組試件圖Fig.5 Group A specimen after hitting

圖6 受火后輕敲B組試件圖Fig.6 Group B specimen after hitting

2.2 燃燒速率

試件燃燒過(guò)程中記錄的時(shí)間開(kāi)始前、燃燒5 min后和20 min后試件和墊磚塊共同的質(zhì)量，如表2所示。

試件燃燒的速率按照以下公式計(jì)算，計(jì)算得燃燒前5 min、后15 min和整個(gè)燃燒過(guò)程的燃燒速率計(jì)算結(jié)果繪制成圖7，其中A表示試件在直接受火的位置，B表示試件在離火源有一定距離的位置，a表示摻加了阻燃劑的試件，b表示無(wú)阻燃劑的試件。

表2 燃燒過(guò)程中燃燒爐內(nèi)質(zhì)量變化Tab.2 Mass change in the burner g

試驗(yàn)開(kāi)始后m分鐘到n分鐘的的燃燒速率（kg·s-1)=（m分鐘時(shí)的質(zhì)量-n分鐘時(shí)的質(zhì)量）×10-3/（（nm)×60）

圖7 燃燒速率計(jì)算結(jié)果圖Fig.7 Calculation results of burning rate

圖8 試件表面溫度變化圖Fig.8 Specimen surface temperature change

從圖7可知，直接受火的A組試件摻阻燃劑后對(duì)燃燒的前5 min的燃燒速率的影響特別明顯，能明顯降低瀝青混合料的燃燒速率，后15 min有無(wú)阻燃劑的試件的燃燒速率基本相同，說(shuō)明后15 min阻燃劑對(duì)瀝青混合料的燃燒速率基本沒(méi)有影響，整個(gè)過(guò)程摻阻燃劑的燃燒速率比無(wú)阻燃劑的燃燒速率小，主要是前5 min阻燃劑的貢獻(xiàn)；距離火源一定距離的B組試件的結(jié)果與A組相同。

2.3 試件表面溫度變化

大型燃燒爐試驗(yàn)20 min的燃燒過(guò)程中，爐內(nèi)試件表面的溫度變化曲線如圖8所示。

從圖8可以看出，前2 min，與無(wú)阻燃劑的試件表面溫差越來(lái)越大，到2 min時(shí)溫差達(dá)到最大的53℃，2 min以后溫差越來(lái)越?。? min時(shí)內(nèi)直接受火的摻阻燃劑的Aa組試件表面溫度425℃，Ab試件表面溫度450℃，溫差為25℃；從燃燒過(guò)程來(lái)看，前5 min燃燒爐內(nèi)摻阻燃劑的瀝青混合料試件表現(xiàn)出火焰小、煙氣小的特點(diǎn)，起到一定的阻燃和抑煙作用；最后燃燒20 min以后兩者基本相同。與火源有一定距離的B組試件的表面溫度變化與A組基本相同，也是前2 min內(nèi)摻阻燃劑的時(shí)間表面溫度與無(wú)阻燃劑的溫差越來(lái)越大，2 min時(shí)溫差達(dá)到最大，然后溫差越來(lái)越小，最后趨于相同。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

阻燃劑是質(zhì)量比例為5∶4∶1的十溴二苯乙烷、硼酸鋅和氫氧化鎂合物，燃燒開(kāi)始時(shí)，隨著試件表面溫度的升高，阻燃劑受熱產(chǎn)生分解，十溴二苯乙烷受熱分解產(chǎn)生的Br·與瀝青反應(yīng)生成HBr，HBr與自由基HO·反應(yīng)使HO·濃度降低，而維持瀝青燃燒鏈反應(yīng)的是自由基HO·，捕捉燃燒反應(yīng)中的自由基，降低燃燒反應(yīng)速率[11]；同時(shí)氫氧化鎂熱在分解產(chǎn)生放出的結(jié)合水吸收大量的熱；且硼酸鋅起到吸熱、放水和形成透明的碳化層阻止聚合物燃燒時(shí)的滴落現(xiàn)象[12]，三種阻燃劑組成的混合物發(fā)揮協(xié)同阻燃作用，隨著溫度的升高，阻燃劑熱分解越來(lái)越劇烈，阻燃效果越來(lái)越明顯，第2 min時(shí)阻燃效果達(dá)到最大，因此2 min時(shí)阻燃劑和無(wú)阻燃劑對(duì)比試件的溫差達(dá)到最大；燃燒了5 min時(shí)，達(dá)到了阻燃劑熱分解的最大溫度，此后阻燃劑逐漸失去了阻燃能力，因此后15 min有無(wú)阻燃劑試件的燃燒速率基本相同；阻燃組燃燒的后15 min由于失去了阻燃效果，試件表面溫度逐漸跟無(wú)阻燃組試件溫差逐漸變小，最后溫度趨于相同。

3 結(jié)語(yǔ)

大型燃燒爐試驗(yàn)可以用于測(cè)試阻燃瀝青混合料的阻燃性能。阻燃劑在瀝青混合料燃燒的前5 min內(nèi)能明顯降低瀝青混合料的燃燒速率，燃燒2 min時(shí)阻燃效果最佳，2 min后阻燃效果越來(lái)越不明顯，5 min后溫度過(guò)高阻燃劑逐漸失去阻燃效果，20 min時(shí)有無(wú)阻燃劑試件表面溫度基本相同。

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（責(zé)任編輯 王建華）

Research on Flame Retardant Property of Flame Retardant Asphalt Mixture

Cong Lin，Wu Min，Xu Xiaolong
（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Abstract：Large-scale burner experiment of asphalt mixture specimen was designed to evaluate the flame retardant property of retardant asphalt mixture. The experimental results show that the flame retardant can significantly lower burning rate of asphalt mixture in the first 5 burning minutes, and the flame retardant effect is best when it burns for 2 minutes. After burning for 2 minutes, the flame retardant effect is less obvious. After burning for 5 minutes, the flame retardant has no effect because of excessively high temperature.

Key words：flame retardant asphalt mixture；large-scale burner；retardant property

中圖分類號(hào)：U414

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-0523（2016）03-0029-05

收稿日期：2015－11－30

作者簡(jiǎn)介：叢林（1974—），男，副教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向?yàn)榈缆凡牧吓c結(jié)構(gòu)。