煤礦巷道瀝青路面阻燃技術(shù)研究現(xiàn)狀

王文亮

(寧夏煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，寧夏銀川 750021)

煤礦輔助運(yùn)輸巷道路面的結(jié)構(gòu)形式主要分為水泥混凝土路面、瀝青路面和復(fù)合型路面三種。相比較而言，水泥混凝土路面鋪裝需要進(jìn)行接縫處理、表面平整性相對(duì)較差、易產(chǎn)生揚(yáng)塵、路面噪聲大、抗滑性差，易發(fā)生交通事故。水泥路面一旦損壞，養(yǎng)護(hù)維修困難［1，2］。復(fù)合型路面形式，系指在水泥混凝土路面上加鋪瀝青層復(fù)合而成的整體性結(jié)構(gòu)［3］。由于兩種材料模量的差異較大，呈現(xiàn)明顯的變形不協(xié)調(diào)性，加之復(fù)合型路面容易產(chǎn)生反射裂縫、脫層及坑槽等病害，耐久性較差，因此并未廣泛使用［4］。瀝青路面因其良好的抗滑性、平整性、吸音性且養(yǎng)護(hù)容易更適應(yīng)隧道內(nèi)部的特殊氣候與環(huán)境。因此，目前巷道路面鋪裝趨于使用瀝青路面結(jié)構(gòu)。但問(wèn)題也隨之而來(lái)，瀝青具有可燃性，燃燒后會(huì)釋放出大量煙霧和有毒氣體［5］。一旦火災(zāi)發(fā)生，受巷道內(nèi)部封閉性的限制，煙霧和有毒氣體不能較快擴(kuò)散，輕者引起道路交通中斷、巷道設(shè)施和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，重者會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。世界上很多國(guó)家都曾發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的隧道火災(zāi)事故。因此，為保證隧道內(nèi)行車(chē)安全，開(kāi)展瀝青路面的阻燃抑煙性能研究，是十分有必要的。

1 阻燃劑阻燃機(jī)理

瀝青的燃燒是一個(gè)放熱和分解的物理過(guò)程，進(jìn)行瀝青阻燃抑煙研究，就是研究如何提高瀝青熔點(diǎn)和分解溫度，減少有毒氣體產(chǎn)生［6］。對(duì)此，目前最為簡(jiǎn)單有效的阻燃辦法，就是將阻燃劑摻入瀝青中制成阻燃瀝青。而阻燃劑的阻燃機(jī)理大致分為吸熱、抑制鏈反應(yīng)、物理覆蓋和不燃?xì)怏w自熄四種。實(shí)際使用中，多種阻燃機(jī)理大多同時(shí)作用。以APFR復(fù)合阻燃劑為例:燃燒初期，阻燃劑中氮磷系成分發(fā)生分解，生成的粘稠狀半固態(tài)物質(zhì)和游離基，覆蓋于瀝青表面以隔絕氧氣和熱量。游離基捕捉H+和OH－游離基，使其濃度下降，燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)難以進(jìn)行;在燃燒中期和后期，抑煙成分分解，煙霧濃度降低;同時(shí)，鋁系及鎂系阻燃成分在反應(yīng)過(guò)程中生成水，和反應(yīng)本身的吸熱過(guò)程有效地降低了體系溫度，最終達(dá)到了阻燃的目的［7］。

2 常見(jiàn)的阻燃劑

常見(jiàn)的阻燃劑有有機(jī)鹵素化合物阻燃劑、磷系阻燃劑、銻系阻燃劑、氮系阻燃劑、磷—氮系阻燃劑、氫氧化鋁、氫氧化鎂、硼酸鋅等。阻燃劑既可以單獨(dú)使用，也可以協(xié)同作用，達(dá)到更好的阻燃效果。氫氧化鋁作為一種廉價(jià)的無(wú)機(jī)阻燃劑，在230℃～350℃時(shí)分解揮發(fā)出水蒸氣，達(dá)到阻燃的目的。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氫氧化鋁對(duì)瀝青同時(shí)有很好的抑煙作用，但在添加量較少時(shí)，氫氧化鋁的阻燃作用不佳［8］。紀(jì)倫等［9］試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻入礦粉、氫氧化鋁制成的阻燃瀝青(A-T阻燃體系)具有吸熱、覆蓋、稀釋多重阻燃機(jī)理，放熱及發(fā)煙特性均優(yōu)于基質(zhì)瀝青，通過(guò)添加方式可以實(shí)現(xiàn)瀝青的阻燃，達(dá)到材料的自熄指標(biāo)。而鈦酸酯阻燃劑和阻燃增效劑硼酸鋅二者協(xié)同作用，則提高了阻燃瀝青的熱穩(wěn)性和阻燃性，增加了實(shí)際成炭量［10］。隨著國(guó)家對(duì)隧道瀝青路面阻燃要求的提高，復(fù)合阻燃劑和環(huán)保型阻燃劑也受到了越來(lái)越多學(xué)者的青睞。摻入十溴二苯乙烷、硼酸鋅和氫氧化鎂(比例5∶4∶1)混合物的復(fù)合阻燃劑與原瀝青相容性好，使阻燃SBS改性瀝青物理性能滿足標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，達(dá)到了阻燃的目的［11］。APFR隧道路面專(zhuān)用復(fù)合阻燃劑作為一種環(huán)保的無(wú)鹵素阻燃劑，因其摻量小、阻燃效果好、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，已在國(guó)內(nèi)多條隧道中進(jìn)行了鋪裝使用，且技術(shù)成熟［12］。

3 阻燃瀝青路用性能研究

阻燃瀝青在具有阻燃效果的同時(shí)，還應(yīng)具有良好的路用性能、足夠耐久性和穩(wěn)定性，不影響瀝青的使用性能和使用壽命。嚴(yán)軍等［13］在評(píng)價(jià)加入8%FRMAX阻燃劑的SBS改性瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)時(shí)發(fā)現(xiàn)，阻燃瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、閃點(diǎn)等指標(biāo)變化不大，只有延度變化明顯，降低9 cm，但變化后延度滿足技術(shù)要求。通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)，胡中華［14］同樣證明，添加環(huán)保阻燃劑的阻燃瀝青與SBS改性瀝青路用性能相比變化不大。以三氧化二銻和十溴二苯醚為復(fù)合阻燃劑，以氫氧化鎂和氫氧化鋁為抑煙劑，制備的阻燃型SBS改性瀝青，在取得較好的阻燃效果的同時(shí)，通過(guò)薄膜烘箱加速老化試驗(yàn)，明確了阻燃型SBS改性瀝青比基質(zhì)瀝青具有較高的老化活化能、較低的老化速率，抗老化性能好［15］。因阻燃瀝青良好的路用性能和阻燃效果，近年來(lái)多條已通車(chē)隧道瀝青路面做了阻燃處理，如:重慶渝和高速公路上北磅隧道施工中添加了溴系阻燃劑;安徽沿江高速公路YJ1-LM02合同段隧道瀝青中添加了FRMAXTM阻燃改性劑。經(jīng)國(guó)家防火建筑材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明瀝青混合料達(dá)到了阻燃要求。

4 阻燃瀝青阻燃性能的測(cè)試方法

關(guān)于如何測(cè)定阻燃瀝青阻燃性能，國(guó)內(nèi)并沒(méi)有明確的測(cè)定方法，不同的學(xué)者根據(jù)不同放熱方法進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定方法主要有以下幾種:

1)極限氧指數(shù)法:在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，被測(cè)樣品在氧、氮混合氣流中維持平穩(wěn)燃燒時(shí)所需的最低氧濃度。彭丹［16］試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加入阻燃劑后瀝青氧指數(shù)提高，其中阻燃劑摻量為20%時(shí)，為最優(yōu)摻量，此時(shí)氧指數(shù)變化曲線趨于水平。許陽(yáng)貴等［17］選用硼酸鋅、氫氧化鎂和聚磷酸銨，三種阻燃劑進(jìn)行氧指數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青的氧指數(shù)為20.6%，加入阻燃劑之后，各種阻燃改性瀝青的氧指數(shù)均在22%以上，且摻量越多，氧指數(shù)越大。

2)錐形量熱試驗(yàn):將試驗(yàn)中所有的燃燒產(chǎn)物都收集起來(lái)并精確地測(cè)出氣體的流速和氧氣的濃度，就可根據(jù)氧濃度的變化算出材料燃燒時(shí)熱釋放量。嚴(yán)偉［18］進(jìn)行了錐形量熱燃燒試驗(yàn)，在改性瀝青混合料中加入12%溴—銻復(fù)合阻燃劑，發(fā)現(xiàn)阻燃瀝青引燃時(shí)間明顯增長(zhǎng)，總熱釋放量明顯降低。

3)差熱分析方法:某種在一定試驗(yàn)溫度下不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)和物理變化的穩(wěn)定物質(zhì)(參比物)與等量的未知物在相同環(huán)境中等速變溫的情況下相比較，溫度出現(xiàn)暫時(shí)的增高或降低。降低表現(xiàn)為吸熱反應(yīng)，增高表現(xiàn)為放熱反應(yīng)［19］。孫莉安［20］試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn):在差熱分析試驗(yàn)中阻燃瀝青明顯發(fā)生了化學(xué)分解吸熱反應(yīng)，阻燃劑達(dá)到推遲燃燒、阻止燃燒的作用。

4)UL94試驗(yàn)方法是由美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室提出的，現(xiàn)在世界上很多國(guó)家用來(lái)測(cè)試塑料的燃燒性能的方法，主要分為水平和垂直兩種燃燒方法。試驗(yàn)測(cè)試后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將材料的燃燒性能按照阻燃等級(jí)由低到高分為 V-2，V-1，V-0，5-V四級(jí)。董芃伯［21］進(jìn)行了添加12%聚磷酸銨阻燃劑的改性瀝青試樣的UL94垂直燃燒試驗(yàn)，阻燃等級(jí)達(dá)到了V-0級(jí)，說(shuō)明聚磷酸銨阻燃劑具有良好的阻燃性能。

5)煙密度法是一種常用的評(píng)價(jià)抑煙性指標(biāo)的方法。通常情況下，抑煙往往比阻燃更重要。煙密度法定義為規(guī)定暴露面積的試件在規(guī)定容積的煙箱內(nèi)燃燒產(chǎn)生煙霧，測(cè)定平行光束在煙霧中穿過(guò)單位光路長(zhǎng)的透光率變化，再計(jì)算比光密度D［22］。

5 不足與展望

雖然國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)阻燃瀝青展開(kāi)了一系列研究，也取得了很多優(yōu)秀的科研成果。但阻燃瀝青的發(fā)展仍然存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題:

1)我國(guó)使用的阻燃劑中，鹵系阻燃劑比例過(guò)高，無(wú)機(jī)型阻燃劑用量較少。實(shí)際使用比較多且具有良好阻燃效果的阻燃劑十溴二苯醚在阻燃過(guò)程中甚至?xí)纸獬鲇卸練怏w，且成本較高［23］。大力研發(fā)廉價(jià)、安全、高效的環(huán)保型阻燃劑已經(jīng)成為必然。2)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)阻燃瀝青的阻燃性能雖然存在多種測(cè)試方法(筆者提到了其中四種測(cè)試方法)，但即使采用同種方法，測(cè)試結(jié)果也相差較大。為了測(cè)試結(jié)果精確、可比，應(yīng)提出更完善的阻燃性能評(píng)價(jià)體系。3)有些研究只是針對(duì)瀝青結(jié)合料而不是針對(duì)瀝青混合料，實(shí)際上二者的阻燃性能有著較大的差異，尤其是某些改性劑的加入更有可能改變其阻燃性能［24］。4)一些阻燃劑的有效成分可能在運(yùn)輸、鋪裝過(guò)程中揮發(fā)，阻燃效果不明顯。

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