磷渣微粉用作瀝青路面阻燃劑的實驗研究

鄭衛(wèi)芳 王柳

摘 要：瀝青中加入阻燃劑后會提高瀝青的阻燃性能，同時也會影響瀝青的路用性能。本文針對阻燃劑對瀝青的阻燃性能及混合料路用性能的影響進行試驗研究，利用DSC差熱分析、掃描電鏡、能譜儀和極限氧指數(shù)等試驗對磷渣微粉進行測定，提出隧道用阻燃瀝青必須綜合考慮阻燃性能和路用性能進行選擇。結(jié)果表明，磷礦粉具有低鹵、無鹵、低煙及低毒的特性，其用量少，效率高;同時磷礦粉呈堿性，比表面積大，并與瀝青膠結(jié)料的粘附性好，對于隧道路面阻燃瀝青的選用具有重要的參考價值。

關(guān)鍵詞：磷礦粉;阻燃瀝青;阻燃性能;氧指數(shù)

中圖分類號：U454 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）10-0085-03

Abstract： The addition of flame retardants in aspHalt will improve the flame retardant performance of aspHalt， and also affect the road performance of asphalt. Using DSC differential heat analysis， scanning electron microscope， energy spectrometer and extreme oxygen index， the determination of phosphorous slag micropowder was carried out. It is proposed that flame retardant asphalt used in tunnels must be selected by considering the flame retardant performance and road performance. The results show that Phosphate powder has the characteristics of low halogen， no halogen， low smoke， and low toxicity， and its usage is small and high efficiency. Phosphate powder is alkaline， has a large surface area， and has good adhesion to asphalt adhesive. It has important reference value for the selection of flame retardant asphalt on tunnel pavement.

Keywords： Phosphate powder;fire-retardant aspHalt;flame retardant performance;oxygen index

隨著我國近年來公路建設(shè)的迅速發(fā)展，特別是高等級公路的跨越式發(fā)展，公路隧道的數(shù)量和建設(shè)規(guī)模也越來越大，長且大的隧道不斷出現(xiàn)。當前公路隧道多采用瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，而瀝青是可燃性材料，高溫下會燃燒，一旦引燃，會在短時間內(nèi)釋放出大量的熱、煙和毒氣，并快速蔓延，長隧道一旦發(fā)生火災(zāi)，其后果將十分嚴重[1]。因此，研究阻燃瀝青及其阻燃機理，使瀝青阻燃性能滿足隧道應(yīng)用的條件。長隧道瀝青路面的表面層鋪裝中，必須加入阻燃劑，以提高瀝青路面的阻燃性能。本文應(yīng)用阻燃劑對瀝青的阻燃性能及路用性能進行試驗研究。

1 磷礦粉性能指標試驗

按照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）的要求，對磷礦微粉進行篩分試驗、密度試驗、親水系數(shù)試驗及加熱安定試驗，試驗結(jié)果如表1、表2及表3所示。

磷礦粉顆粒具有粒級配分布均勻、與瀝青混合料粘附性能好及受熱而不產(chǎn)生質(zhì)變等優(yōu)點，各項測試指標均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求，可知磷渣微粉可以替代（或部分替代）原有瀝青混合料中的阻燃劑或礦粉，并對瀝青混合料起到一定的阻燃作用。

為了明確磷礦粉與瀝青的粘附性質(zhì)，對其進行酸堿性試驗。首先采用pH值試紙定性測定其酸堿性，試驗結(jié)果表明磷礦粉為堿性。然后，采用pH劑定量測定磷礦粉溶液的酸堿度，試驗步驟為：①制備蒸餾水，將pH劑插入蒸餾水中10min（注意不能與容器皿接觸），待pH劑讀數(shù)穩(wěn)定后，讀出蒸餾水的pH值;②按礦粉質(zhì)量∶水質(zhì)量=1∶9配制磷礦粉溶液，靜置2h后用pH劑測定磷礦粉溶液pH值;③在測定磷礦粉溶液pH值的同時，用pH劑測定蒸餾水pH值的變化，以消除空氣中CO等物質(zhì)與蒸餾水發(fā)生反應(yīng)的影響。試驗結(jié)果見表4。

2 磷礦粉阻燃性能試驗

本文檢驗磷礦粉用作瀝青路面阻燃劑的性能，首先進行了掃描電鏡SEM試驗，分析了磷礦粉的表面細觀結(jié)構(gòu)與元素組成。根據(jù)其自身特性配置了相應(yīng)的磷礦粉阻燃劑，并進行了磷礦粉阻燃劑的DSC試驗與磷礦粉阻燃瀝青的極限氧指數(shù)試驗。

2.1 掃描電鏡SEM試驗

選用磷礦粉，將其粘到棉簽上，搖動棉簽將樣品灑到粘有雙面碳膠帶的樣品臺上，用吹風(fēng)機吹掉樣品臺上多余的樣品;采用美國PerkinElmer（鉑金艾爾默）公司生產(chǎn)的HitachiS-3400NII型掃描電鏡進行試驗，觀測不同放大倍數(shù)的磷礦粉顆粒表面形貌及礦物元素組成，如圖1所示。

由圖1可知，不同磷礦粉顆粒尺寸相差很大，其表面有大小不勻的氣孔。礦粉直徑大多在10～200μm，較大的礦粉顆粒直徑基本在200～1 000μm[2]。表5為磷礦粉表面觀測區(qū)域元素組成。

2.2 DSC差熱分析試驗

首先，選取扁平狀拇指蓋大小的顆粒少許，用剪刀將其剪碎，或挑選0.3mm粒徑以下的顆粒，然后利用萬分之一克天平稱取其質(zhì)量，精確至0.1mg。試樣稱取完畢后，將試樣置于試樣皿中成型，使用美國PerkinElmer公司生產(chǎn)的Diamod DSC差示掃描量熱儀進行試驗，溫度范圍為25～550℃，升溫速率為5℃/min;試驗時，氮氣加入速度為20mL/min。圖2為DSC熱流曲線圖。

2.3 極限氧指數(shù)測定

將待測樣品制備100mm×100mm×4mm（長×寬×高）的試樣若干，在試樣的任意一端50mm處劃線。按國家標準《塑料燃燒性能試驗方法氧指數(shù)法》（GB/T 2406—1993）規(guī)定進行測試，實驗結(jié)果如表6所示。

由表6可知，純70#基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青的極限氧指數(shù)均小于21，即兩者在空氣中具有高可燃性;加入磷礦粉后，兩者的極限氧指數(shù)提高為26與23，均大于21，說明磷礦粉70#基質(zhì)阻燃瀝青與SBS改性阻燃瀝青在空氣中不易燃燒，有較好的阻燃效果[3]。分析阻燃機理可以預(yù)見，磷礦粉作為瀝青混合料的填料將對瀝青混合料起到較好的阻燃作用，從而取得良好的社會經(jīng)濟效益。

3 阻燃瀝青及瀝青混合料路用性能試驗

采用中海油泰州牌70#瀝青作為膠結(jié)料，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ 052—2000）的要求，對所制備的70#基質(zhì)瀝青和70#基質(zhì)阻燃瀝青的各項理化性質(zhì)進行測定，可知70#基質(zhì)瀝青添加阻燃劑（摻入量為5%）后軟化點呈上升的趨勢且大于等于46℃;25℃時針入度也在要求范圍內(nèi);針入度指數(shù)小于+2，屬于溶凝膠型瀝青，在最適合路用性能的范圍內(nèi)（-1～+1），延度減小，但滿足技術(shù)規(guī)范要求。RTFOT試驗后，70#基質(zhì)瀝青技術(shù)規(guī)范要求質(zhì)量損失不大于±0.8。殘留針入度比不小于61%，殘留延度不小于150mm。故阻燃瀝青的RTFOT試驗結(jié)果均滿足技術(shù)規(guī)范要求。

集料為玄武巖，瀝青混合料類型為：AC-13C型瀝青混合料使用70#基質(zhì)瀝青;通過馬歇爾試驗確定AC-13C型瀝青混合料的最佳油石比;用磷礦粉代替兩者混合料中的礦粉進行馬歇爾試驗，確定磷礦粉瀝青混合料的最佳油石比，最佳油石比增大。這可能是磷礦粉表面氣孔較少、紋理粗糙的緣故[4]。

3.1 凍融劈裂試驗

試件成型后，將普通礦粉和磷礦粉AC-13C瀝青混合料各自分為2組進行飽水，一組在25℃水中浸泡2h后測試。另一組泡水過程如下：①25℃時浸水20min;②0.09Mpa浸水抽真空15min;③-18℃冰箱中置入16h;④60℃水浴中恒溫24h;⑤25℃水中浸2h。每組進行4次平行試驗，將其均值作為凍融劈裂試驗結(jié)果，見表7。

由表7可知，凍融前，普通礦粉和磷礦粉AC-13C瀝青混合料的劈裂強度值相近，分別為0.94MPa和0.93MPa;凍融后，磷礦粉AC-13C瀝青混合料的劈裂強度為0.89MPa，比普通礦粉瀝青混合料的強度值大了0.1MPa，其凍融劈裂強度比高達95.69%。劈裂強度在使用磷礦粉代替普通石灰?guī)r礦粉后增加，凍融劈裂強度比提高明顯，遠大于規(guī)范要求，進一步說明了磷礦粉能起到部分抗剝落劑的作用。采用磷礦粉做填料，能大幅提高瀝青混合料的抗水損害性能。

3.2 車轍試驗

車轍試驗是碾壓成型一塊尺寸為300mm×300mm×50mm的瀝青混合料試件。在60℃條件下，以一個輪壓為0.7MPa的實心橡膠輪在其上行走，測量試件在變形進入穩(wěn)定期時，每增加1mm變形需要行走的次數(shù)，即稱為“動穩(wěn)定度”（DS），以次/mm表示。用普通礦粉和磷礦粉AC-13C型成型車轍板，各自進行4次平行試驗，將其均值作為車轍試驗結(jié)果，試驗結(jié)果見表8。

由試驗結(jié)果可知，用磷礦粉代替礦粉后，AC-13C型瀝青混合料的動穩(wěn)定度達到了3 854次/mm，較之普通礦粉做填料的瀝青混合料提高了36%，并遠超過規(guī)范要求[5]。這表明采用磷礦粉做填料，能大幅改善瀝青混合料的抗車轍性能。

4 結(jié)論

①摻入一定量的阻燃劑，可有效改善瀝青或改性瀝青的燃燒性能。

②通過深入研究阻燃瀝青的阻燃性，探討了阻燃劑對瀝青性能的影響;對瀝青阻燃機理進行了分析研究。

③加入阻燃劑后，瀝青及瀝青混合料的技術(shù)性能仍能滿足使用性能的要求，既滿足了阻燃性能的要求，也滿足了路用性能的要求。

參考文獻：

[1]中華人民共和國交通部.公路工程集料試驗規(guī)程：JTG E42—2005[S].北京：人民交通出版社，2005.

[2]中華人民共和國交通部.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范：JTG F40—2004[S].北京：人民交通出版社，2004.

[3]中華人民共和國交通部.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程：JTJ 052—2000[S].北京：人民交通出版社，2000.

[4]張厚記.瀝青路面的礦物組分阻燃機理與技術(shù)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[5]陳輝強，郝培文.阻燃改性瀝青的研發(fā)及其混合料的性能評價[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2008（12）：58-62.