隧道瀝青砼路面阻燃劑種類及阻燃機理研究綜述

(重慶交通大學 重慶 400074)

隧道瀝青砼路面阻燃劑種類及阻燃機理研究綜述

馬青

(重慶交通大學重慶400074)

公路隧道內采用瀝青砼路面結構形式具有噪聲低、抗滑性好、易養(yǎng)護和平整性等優(yōu)點。但是瀝青是一種易燃材料，因而一旦發(fā)生火災，再加上隧道特殊位置和空間局限性的影響，必然會使燃燒更劇烈，瀝青在汽油的助燃下會產生大量的有毒氣體和黑煙，后果將不堪設想。因此提出針對隧道路面瀝青混合料阻燃劑種類和阻燃特性及機理的研究綜述，具有重要意義。

隧道；瀝青砼路面；阻燃劑；阻燃機理；綜述

引言

近年來，我國新建公路隧道大多采用瀝青砼路面，而由于隧道空間封閉、狹窄，瀝青易燃的特點，火災頻發(fā)。阻燃瀝青路面阻燃首先以瀝青中加入有機溴化阻燃劑等技術路線，其次是采取通過OGFC結構技術的燃料，實現(xiàn)毛孔粗大退路阻燃瀝青。使用阻燃瀝青礦物纖維成瀝青混合料的方法，涂覆有硼砂，鈉硅酸鹽作為含有阻燃劑瀝青膨脹顆粒的主要成分的礦物顆粒表面后早期的研究，都是阻燃瀝青更多的發(fā)展研究方向。

一、阻燃劑

(一)瀝青阻燃劑研究進展。在20世紀50年代，針對瀝青防水材料的防火安全要求，比如在瀝青中摻入難燃礦物纖維，以減少瀝青中可燃物的比重，使瀝青受熱流淌起到一定的阻礙作用，但阻燃效果較差。20世紀60年代末，母鹿釋放阻燃瀝青硅酸鈉，硼砂作為含膨脹的主要成分發(fā)泡粒子。這在防火阻燃瀝青，膨脹顆粒以形成多孔物質會發(fā)生熱膨脹，并且因此可以吸收瀝青，以防止火焰?zhèn)鞑ヒ蜃拥牧鲃铀斐傻娜廴跒r青。

2001年，重慶交通科研設計院陳輝強、陳仕周等將SBS改性瀝青使用有機鹵系阻燃劑和復合系統(tǒng)，成功應用于重慶西山坪北碚隧道瀝青路面工程，并在日本、德國等有關國外隧道中的改性瀝青路面的有關規(guī)定，首次提出對阻燃瀝青工程技術隧道方面的要求，但制備的阻燃SBS改性瀝青極限氧指數(shù)不高，僅為23%。

(二)常見瀝青阻燃劑的種類

(1)填料型阻燃劑。填料型阻燃劑是添加型阻燃助劑的一種，經常使用的類型有氫氧化鋁(ATH)、氫氧化鎂(MH)、陶土、碳酸鈣等。阻燃機理是能夠使可燃物的濃度降低，延長燃燒，促進成碳作用。

(2)化學阻燃劑。常用的化學阻燃劑主要有以下幾類:銻系、磷系、鹵素系、氮系、硼系和硅系等。單獨使用或幾種阻燃劑復合使用都可以，形成協(xié)效阻燃體系。銻基阻燃劑輔助阻燃劑，含鹵素阻燃劑與混合使用，以發(fā)揮其阻燃作用。通常是硅，錫化合物作為防煙劑等阻燃劑是復合的使用，但錫化合物的煙霧和阻燃性能為比硅化合物顯著更好。鹵阻燃劑包括氯和溴兩大類。更一般地，使用溴化阻燃劑，其原因是溴化腐蝕性和有毒性在熱分解后比較小并且阻燃效果與氯化物而言也會有提高。磷系阻燃劑是室溫下為液體的更多，煙量大，高溫可能釋放出有毒氣體，所以其應用受到很大限制。溴化阻燃劑效率高，相對小的添加量，而不是在襯底和電性質的物理和機械性能的嚴重惡化。溴化阻燃劑是目前使用的是世界上最大的有機阻燃劑之一。有十溴二苯醚，四溴雙酚三氧化二銻石蠟等。

(3)膨脹型阻燃劑。膨脹型阻燃劑(IFR)是以磷、氮為主要成分的無鹵阻燃劑。膨脹型阻燃劑主要是由碳化，碳化的催化劑，廣闊的三部分組成。多磷酸銨(APP)中的碳化的催化劑是常用的。當膨脹劑受熱時會放出惰性氣體的化合物，主要由胺類和酞胺類這兩種物質構成。

(4)納米阻燃劑。納米型阻燃劑是由1nm～100nm的顆粒，多層膜或纖維的超微粒凝聚而形成。量子尺寸效應和表面效應的納米顆粒本身具有一定的作用，以提高界面改變無機和聚合物基體的相容性，從而提高阻燃性。阻燃型中納米復合材料可以解決含鹵素阻燃劑而引起的“二次災害”，還能夠因納米效應而使材料具有更優(yōu)異的力學性能、熱性能及電性能等。

二、瀝青的阻燃機理

聚合物的燃燒過程受其本身性質的影響，通風、引燃源等外界因素也會對此起到一定的制約作用。聚合物的燃燒是循環(huán)往復的過程：聚合物吸熱分解釋放出易燃物質，易燃物質和氧發(fā)生燃燒反應并釋放熱量，熱量促進原聚合物繼續(xù)分解，因此產生循環(huán)。阻燃體系的作用機理有以下3種。

(一)氣相阻燃機理。氣相阻燃的機理是根據(jù)阻燃劑受熱時產生的氣體這一現(xiàn)象來抑制燃燒反應。氣相阻燃的主要類型有3種：阻燃劑受熱分解產生細微煙粒子和氣體化合物，因此抑制了活性基的接觸；阻燃劑受熱放出大量惰性氣體，以此來降低可燃物與氧氣的接觸面積，而降低燃燒速度；阻燃劑受熱產生高密度蒸汽，使可燃氣體與氧氣隔離，從而中斷燃燒。

(二)凝聚相阻燃機理。凝聚相阻燃是通過降低固態(tài)物質溫度的方式，抑制或防止易燃物質聚合物表面燃燒反應的分解。凝聚相阻燃含有 3 種形式：其一在被阻燃物中添加可以導熱和蓄熱的無機填料，用來降低被阻燃物的溫度，因此使其難以分解；其二阻燃劑分解時吸收燃燒的熱量，消耗熱源；最后一種形式是在聚合物表面設較寬的孔炭層，隔絕熱源和氧氣，從而中斷聚合物的燃燒。

(三)中斷熱交換機理。中斷熱交換指的是中斷可燃物質燃燒釋放熱量和聚合物分解吸收熱量的交換過程。在聚合物分解、可燃物燃燒加劇時，熔融滴落等物理過程會轉移掉大量的燃燒熱，從而使熱源減少，這樣原聚合物吸收的熱量就無法達到其分解溫度，也就無法為燃燒提供燃料，最終使燃燒終止。

三、瀝青路面阻燃劑存在的問題

(1)不能構建阻燃性能評價指標體系。

(2)抑煙性能不足。

(3)不滿足環(huán)保要求。

(4)阻燃效果有待加強。

四、瀝青阻燃劑的研究展望

低碳環(huán)保型必然是未來阻燃劑發(fā)展的方向，其中納米復合材料是阻燃劑發(fā)展的一種趨勢。納米阻燃劑采用本身所有的粒徑尺寸效應和比表面積來擴大界面影響了聚合物和無機物的相容性。APP-聚磷酸銨是最近發(fā)展起來的無機阻燃劑。IFR-膨脹型阻燃劑在受熱時形成碳質泡沫層造成隔絕氧氣和抑制煙霧的效果。阻燃劑在受到熱時發(fā)生分解反應吸收熱量并產生汽化熱組織瀝青分解的發(fā)生。這種產生的 ATH 為含結晶水的物質吸收大量的熱時阻止燃燒的目的生效。

目前認為安全的阻燃材料，金屬氫氧化物和氮系阻燃劑中不產生有毒和腐蝕性氣體，被稱為環(huán)境友好的阻燃劑，但大劑量或低功效的，因為沒有得到很好的應用，已經引起了工業(yè)的研究人員的注意，由表面變質，超微細加工，微膠囊化，接枝技術，提高了阻燃效果。

五、總結

我國目前市場上的隧道路面阻燃劑大多還是水平低、效能差、毒性較高的產品，實際應用中阻燃效果并不突出，而且新型綠色環(huán)保低碳阻燃劑的研發(fā)還處在起步階段。與此同時，對阻燃劑的選擇也會按照路面材料的使用特點更加偏向于原料豐富、成本低廉以及施工工法的簡便，不影響瀝青及其混合料的路面使用性能的發(fā)揮，這也將成為未來隧道瀝青路面阻燃劑研究的主要方向。

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