ABA-Ti復(fù)合阻燃瀝青的阻燃及路用性能研究

李啟榮 許新權(quán) 賈致遠(yuǎn) 陳小寶

(廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司1) 廣州 514021) (廣東華路交通科技有限公司2) 廣州 510435)(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院3) 西安 710064)

0 引 言

大空隙排水式瀝青路面因具有行車舒適、抗滑降噪性能好、施工周期短，以及養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在隧道鋪面中得到越來(lái)越多的應(yīng)用.但隧道相對(duì)封閉的空間構(gòu)造，會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)救援和疏散困難，且火災(zāi)煙氣難以消散加劇人員傷亡.而且瀝青混合料施工會(huì)產(chǎn)生大量煙塵，危害施工人員的健康，產(chǎn)生的溫室氣體，不利于環(huán)境保護(hù).開發(fā)出一種阻燃性能良好、施工黏度合適的隧道路面專用瀝青及其混合料是十分必要的，道路從業(yè)者已經(jīng)進(jìn)行了大量瀝青路面阻燃技術(shù)的研究.

Xiao等[1]總結(jié)了阻燃劑的研究方法，分析了瀝青材料的燃燒機(jī)理并對(duì)阻燃瀝青的性能評(píng)價(jià)進(jìn)行了綜述.黃志義等[2]將ATH和HL按質(zhì)量比1∶1制備復(fù)合阻燃劑，當(dāng)摻量為25%時(shí)LOI就達(dá)到24.4%，和單一的ATH或HL阻燃劑相比，復(fù)合阻燃劑進(jìn)一步延長(zhǎng)瀝青混合料的點(diǎn)燃時(shí)間降低平均熱釋放速率，拓寬了阻燃作用溫區(qū)，性價(jià)比更高.楊宇等[3]研究表明復(fù)合鋁鎂阻燃劑比單一氫氧化鋁、氫氧化鎂阻燃劑具有更好的阻燃效果.丁慶軍等[4]提出20%ATH+5%MH+3%Zeolite復(fù)合配制阻燃瀝青，其極限氧指數(shù)達(dá)到29.2%，閃點(diǎn)達(dá)到近420 ℃，抑煙效果良好.Qin等[5]研究了阻燃瀝青砂漿及其混合料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和路用性能，發(fā)現(xiàn)M-FRs瀝青混合料高溫性能和水穩(wěn)定性均較好，但低溫性能有所下降.余劍英等[6]研究了SBS對(duì)瀝青的燃燒性能和阻燃瀝青的阻燃性能.陳輝強(qiáng)等[7]首次將高分子阻燃技術(shù)應(yīng)用于瀝青改性并探究了其阻燃機(jī)理.申愛琴等[8]通過ATH/MMT復(fù)配阻燃劑制備SBS改性阻燃瀝青混合料，研究表明其極限氧指數(shù)和阻燃性能顯著提高且具有良好的抑煙性能.唐伯明等[9]研究了BFR-Ti與ZB協(xié)同阻燃SBS改性瀝青的燃燒性能，發(fā)現(xiàn)其具協(xié)效阻燃和吸熱阻燃機(jī)理.王偉等[10]研究發(fā)現(xiàn)阻燃瀝青抑煙效果良好，可以有效減少路面燒燃時(shí)間，降低路面氣場(chǎng)溫度.付其林等[11]分析了DBDPE-Sb2O3協(xié)同阻燃瀝青的性能及其阻燃機(jī)理，確定了DBDPE-Sb2O3摻量為4%～8%時(shí)可使SBS改性瀝青具有較好的路用性能和阻燃抑煙性能，通過熱重-熱差聯(lián)合試驗(yàn)分析了阻燃瀝青阻燃機(jī)理.金雷等[12]研究發(fā)現(xiàn)DBDPE復(fù)合阻燃劑使SBS改性瀝青具有良好阻燃抑煙性能，顯著提高了SBS改性瀝青高溫性能，但降低了低溫性能，最終確定阻燃劑摻量為8%～12%時(shí)阻燃瀝青技術(shù)性能較好.李丹[13]研究明ATH/MH復(fù)配阻燃劑制備的阻燃環(huán)氧瀝青混合料阻燃抑煙性能良好，且復(fù)配比例2∶1時(shí)協(xié)同作用最佳，高溫性能提升，低溫性能和水穩(wěn)定性能雖有下降，但仍滿足使用要求.

使用阻燃劑制備改性瀝青以提高阻燃抑煙性能，雖然目前對(duì)復(fù)合阻燃瀝青已有較多研究，但多數(shù)集中在基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青，對(duì)高黏度改性瀝青的阻燃研究卻鮮有報(bào)道.文中以自制高黏瀝青為基礎(chǔ)，通過瀝青氧指數(shù)試驗(yàn)確定不同阻燃劑的最佳復(fù)配方案，并通過瀝青流變?cè)囼?yàn)研究復(fù)合阻燃劑對(duì)高黏瀝青路用性能的影響.

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1瀝青

瀝青為自制TPS高黏瀝青(以下簡(jiǎn)稱SHV瀝青)，其技術(shù)指標(biāo)見表1.

表1 SHV瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.2阻燃劑和偶聯(lián)劑

試驗(yàn)所用阻燃劑分別是45 μm的硼酸鋅(ZB)、15 μm的聚磷酸銨(APP)和45 μm氫氧化鋁(ATH)，基本性質(zhì)見表2～4.由三種阻燃劑復(fù)合制備得到復(fù)合阻燃劑稱之為ABA，各阻燃劑的摻配比例(質(zhì)量比)見表5.偶聯(lián)劑采用南京創(chuàng)世化工助劑有限公司生產(chǎn)的鈦酸酯偶聯(lián)劑CS-201，經(jīng)由表面改性得到的復(fù)合阻燃劑稱之為ABA-Ti.

表2 硼酸鋅基本性質(zhì)

表3 聚磷酸銨基本性質(zhì)

表4 氫氧化鋁基本性質(zhì)

表5 阻燃劑復(fù)配方案 單位：%

1.2 阻燃瀝青制備工藝

先將一定質(zhì)量的SHV瀝青加溫到180 ℃左右；啟動(dòng)高速剪切機(jī)，控制轉(zhuǎn)速在500 r/mim左右，將一定比例的ABA-Ti分三次添加至瀝青中；保持溫度不變，提高轉(zhuǎn)速至5 000 r/mim，高速剪切20～30 min(注：剪切過程中應(yīng)保證溫度不超過200 ℃)；繼續(xù)保持溫度不變，降低轉(zhuǎn)速至500 r/mim，低速剪切10 min，即制得阻燃高黏瀝青.

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1阻燃性能試驗(yàn)

采用氧指數(shù)試驗(yàn)評(píng)價(jià)阻燃瀝青的阻燃性能，按照NB/SH/T 0815的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn).瀝青氧指數(shù)LOI為

(1)

式中：O2為臨界氧體積分?jǐn)?shù)時(shí)混合氣流中氧氣的體積流量；N2為臨界氧體積分?jǐn)?shù)時(shí)混合氣流中氮?dú)獾捏w積流量.氧指數(shù)越高表示燃燒所需要的氧氣體積分?jǐn)?shù)越高,試樣越難燃燒.我國(guó)GB/T 29051—2012《道路用阻燃瀝青混凝土》規(guī)范中要求道路用阻燃瀝青氧指數(shù)不小于23%.

1.3.2路用性能試驗(yàn)

采用DSR溫度掃描方法，測(cè)試阻燃SHV瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ、車轍因子G*/sinδ以及疲勞因子G*·sinδ等指標(biāo)，以此評(píng)價(jià)阻燃SHV瀝青的高溫性能.一般認(rèn)為，G*越大瀝青的抵抗變形的能力越強(qiáng)，δ越大說明瀝青中彈性本分所占的比例越大，G*/sinδ越大膠結(jié)料抗車轍能力越強(qiáng)，G*·sinδ越小瀝青的抗疲勞能力越好.試驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)子直徑25 mm(震蕩板)，轉(zhuǎn)子間隙1 mm，剪切應(yīng)力100Pa(應(yīng)力控制模式)，剪切速率10 rad/s，溫度掃描范圍30～80 ℃，升溫速率2 ℃/min.

采用美國(guó)Cannon儀器公司制造的彎曲梁流變儀進(jìn)行試驗(yàn)，將阻燃SHV瀝青成型BBR小梁試件，分別在-6、-12 ℃溫度條件下進(jìn)行BBR試驗(yàn)，以60 s時(shí)的蠕變勁度S和蠕變速率m兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的低溫性能.一般認(rèn)為，S值越小瀝青越軟，在低溫條件下越不容易開裂，m值越大瀝青應(yīng)力松弛能力越好，瀝青抗裂性越好.SHRP分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中要求S不高于300 MPa，m不低于0.3.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 復(fù)合阻燃劑的阻燃效果

2.1.1阻燃復(fù)配方案對(duì)SHV瀝青氧指數(shù)的影響

圖1為上述5中不同復(fù)配方案的阻燃高黏瀝青的氧指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，其中ABA-Ti的用量為瀝青質(zhì)量的10%.由圖1可知：五種復(fù)配方案均能不同程度提高SHV瀝青的LOI值；3#方案阻燃SHV瀝青的LOI值最高，與4#方案阻燃SHV瀝青相當(dāng)，5#方案阻燃高黏瀝青膠漿LOI值最低；對(duì)照組0#方案與5#方案相當(dāng)，LOI值僅高0.2%.5#方案阻燃瀝青膠漿LOI值最小的原因可能是：ZB摻量過小，對(duì)SHV瀝青燃燒的第二階段抑制作用有限；而APP摻量相對(duì)過多，與其他兩種阻燃劑發(fā)生協(xié)同阻燃后尚有大量APP單體存在，而剩余的這部分APP在SHV瀝青燃燒的末端溫度區(qū)間分解，達(dá)不到阻燃目的.因此，從SHV瀝青膠漿的阻燃性能方面考慮，3#ABA-Ti及4#ABA-Ti是合適的，即三種阻燃劑的最佳摻配比例為ZB∶ATH∶APP=60∶30∶10或50∶30∶20.

圖1 不同復(fù)配方案SHV瀝青LOI試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2ABA-Ti用量對(duì)SHV瀝青氧指數(shù)的影響

對(duì)添加3#ABA-Ti復(fù)合阻燃劑的SHV瀝青進(jìn)行氧指數(shù)試驗(yàn)，其中3#ABA-Ti采用4%、6%、8%、10%和15%五個(gè)不同的摻量.試驗(yàn)結(jié)果見圖2.

圖2 3#ABA-Ti用量對(duì)SHV瀝青氧指數(shù)的影響

由圖2可知，隨著3#ABA-Ti摻量的增加，瀝青膠漿的LOI不斷值增加，即3#ABA-Ti用量越多，阻燃SHV瀝青的阻燃性能越好；15%3#ABA-Ti的阻燃SHV瀝青LOI值為28.9%，阻燃效果最好；3#ABA-Ti用量小于10%時(shí)，瀝青氧指數(shù)增長(zhǎng)較快，而當(dāng)其用量超過10%時(shí)，氧指數(shù)增長(zhǎng)變慢，趨于穩(wěn)定；另外，當(dāng)3#ABA-Ti摻量為8%時(shí)，阻燃SHV瀝青LOI值為24.1%，已經(jīng)能夠滿足我國(guó)《道路用阻燃瀝青混凝土》(GB/T 29051—2012)規(guī)范中道路用阻燃瀝青LOI不小于23%的要求.

2.2 阻燃瀝青的路用性能

由于阻燃劑多通過等質(zhì)量替換礦粉的形式添加于混合料中使用，因此本文在研究ABA-Ti復(fù)合阻燃劑對(duì)瀝青路用性能的影響時(shí)，將采用阻燃劑和石灰?guī)r礦粉復(fù)合使用制備阻燃瀝青膠漿，其中ABA-Ti的用量為0%、5%、10%和15%，ABA-Ti和礦粉總用量為15%.

2.2.1高溫性能

阻燃瀝青膠漿的溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果見圖3.由圖3a)可知，填料的加入可以提高瀝青膠漿各溫度條件下的復(fù)數(shù)剪切模量，瀝青的抗變形能力增強(qiáng)，其中礦粉對(duì)瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量的影響最小，整體來(lái)看ABA-Ti用量越多對(duì)瀝青膠漿的復(fù)數(shù)剪切模量的影響越大，但這三種用量的ABA-Ti影響差別不大，且這種差別在高溫時(shí)進(jìn)一步縮??；填料的加入減小了瀝青膠漿的相位角，瀝青膠漿中彈性部分的比例增大，各瀝青膠漿的相位角與SHV瀝青的相位角變化趨勢(shì)相同，均隨著溫度的升高先小幅增加然后減小，即高溫時(shí)瀝青彈性部分的比例較低溫時(shí)有所增加，但增幅有限，以3#瀝青膠漿為例，試驗(yàn)過程中其由30 ℃的56.43°減小到80 ℃的46.76°，僅僅減小了9.67°，說明SHV瀝青及阻燃瀝青膠漿的相位角對(duì)溫度的依賴性不強(qiáng).此外SHV瀝青及各瀝青膠漿的相位角始終處于45°～60°范圍內(nèi)，說明在在30～80 ℃溫度范圍內(nèi)瀝青及瀝青膠漿的黏性部分的比例始終大于彈性部分.

由圖3b)可知，填料的加入增加了瀝青膠漿的車轍因子，瀝青膠漿的抗車轍能力增加，且ABA-Ti替代等量礦粉后車轍因子進(jìn)一步增加.但在80 ℃高溫時(shí)三種ABA-Ti瀝瀝青的2.9 kPa提高了48.3%，與青膠漿的車轍因子分別為4.4、4.4、4.2 kPa，比SHV礦粉瀝青膠漿的4.3 kPa持平，說明ABA-Ti可以顯著提高SHV瀝青的高溫性能，與等量礦粉對(duì)瀝青膠漿的影響處于相同水平.同樣，與復(fù)合模量及相位角一樣，車轍因子對(duì)ABA-Ti替代礦粉的比例不是很敏感.

由圖3c)～d)可知，SHV瀝青及各瀝青膠漿的儲(chǔ)能模量、疲勞因子與復(fù)合剪切模量變化趨勢(shì)相同.各瀝青膠漿的儲(chǔ)能模量和疲勞因子均較瀝青有所提高，說明填料的加入會(huì)增強(qiáng)瀝青的彈性恢復(fù)能力，改善了瀝青的抗永久變形能力，而會(huì)降低瀝青的抗疲勞性能.

圖3 阻燃瀝青膠漿溫度掃描結(jié)果

2.2.2低高溫性能

分別在-6 ℃、-12 ℃溫度條件下進(jìn)行BBR試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6.

表6 彎曲梁蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果(60 s)

由表6可知：隨著溫度的降低SHV瀝青及4種瀝青膠漿的蠕變勁度S均增大，蠕變速率m均減??；隨著ABA-Ti替換礦粉比例的增加，在-6，-12，-18 ℃試驗(yàn)條件下瀝青及瀝青膠漿均出現(xiàn)S值增大、m值減小的現(xiàn)象，說明填料的加入削減了瀝青的低溫性能，且ABA-Ti用量越多對(duì)SHV瀝青的低溫抗裂性產(chǎn)生的不利影響越大，這主要是因?yàn)樘盍衔搅藶r青中一部分的輕質(zhì)組分，使瀝青膠漿變脆失去韌性；-6 ℃時(shí)四種瀝青膠漿的蠕變勁度S差別不大，且與SHV瀝青差別也不大，說明在-6 ℃時(shí)ABA-Ti替換礦粉對(duì)瀝青的低溫性能的影響有限；隨著溫度降低，這種影響逐漸擴(kuò)大，說明溫度越低ABA-Ti替換礦粉對(duì)瀝青低溫性能的不利影響越顯著，這可能是由于隨著溫度進(jìn)一步降低，瀝青中對(duì)低溫性能有益的輕質(zhì)組分相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而放大了填料對(duì)瀝青膠漿的不利影響；雖然瀝青膠漿的蠕變速率m隨著溫度的降低而變小、隨著ABA-Ti替代礦粉的比例增加而減小，這與蠕變勁度S一樣表現(xiàn)出相同的劣化現(xiàn)象，但各瀝青膠漿m的大小變化較不大；值得注意的是，-12 ℃時(shí)四種瀝青膠漿的S值均處于200 MPa以下、m值均大于0.3，尚能滿足SHRP分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中S不高于300 MPa、m不低于0.3的要求.

3 結(jié) 論

1) 氧指數(shù)試驗(yàn)表明，ABA-Ti復(fù)合阻燃劑的最佳摻配比例(質(zhì)量比)為ZB∶ATH∶APP=60∶30∶10.

2) SHV瀝青的氧指數(shù)隨著ABA-Ti摻量的增加而增大，在ABA-Ti用量為瀝青質(zhì)量的8%時(shí)，其阻燃瀝青的氧指數(shù)即可滿足規(guī)范要求，到達(dá)24.1%.

3) 溫度掃描試驗(yàn)表明，ABA-Ti作為填料替代礦粉使用時(shí)，會(huì)提高阻燃瀝青膠漿的高溫性能，但在ABA-Ti/礦粉總摻量不變的情況下，不同ABA-Ti的用量對(duì)膠漿高溫性能的影響區(qū)別不大.

4) BBR試驗(yàn)表明，ABA-Ti作為填料替代礦粉使用時(shí)，會(huì)降低瀝青膠漿的低溫性能，且這種影響會(huì)隨著ABA-Ti用量的增加而顯著.