低碳热拌沥青混合料阻燃技术研究

所谓阻燃，是指在材料的燃烧过程中降低材料在火焰中的可燃性，减慢火焰的蔓延速度，减少烟雾的生成，并且当火焰移去后能在一定的时间内自熄。从燃烧的过程分析可知，燃烧需要氧气、热和可燃物3个要素，三者缺一不可。因此对于可燃物来说，要达到阻燃目的，就必须使用有效的阻燃剂，切断由可燃物、热和氧气3个要素构成的燃烧循环。

近年来，高分子材料领域内的复合材料及其制品得到巨大发展，它们在诸多方面已经取代了传统的建筑材料。然而大多数高聚物及其制品都具有可燃性，在燃烧过程中释放出大量的热、浓烟和有毒气体，并且火焰传播速度快，火灾的危害性和威胁性较大，但是迄今为止，高分子复合材料的可燃性缺点已经基本通过先进的阻燃技术得到了解决[15]。经过较长时期的发展，高分子材料的阻燃科学已经发展成为了一门相当成熟的学科。

道路沥青和其他石油馏分一样，主要也是碳、氢化合物共同组成的混合物，一般包括胶质、沥青质、油分（包括蜡）这三种组分。因此，沥青同样属于高分子材料，并具有高分子材料的共性，如可燃性、黏弹性等，这就为沥青的阻燃改性的可能性提供了理论依据，从结构和组成上具备阻燃改性的可能性。当一定量的粉末状阻燃改性剂加入到沥青中形成阻燃沥青时，类似于无机填料加入到塑料或者橡胶中形成复合材料。因此可以认为，阻燃沥青就是一种比较特殊的复合材料。而高分子复合材料的阻燃技术已经相当成熟，因此沥青的阻燃改性同样应该具有无限的可能性，同时对阻燃沥青阻燃相应的性能测试和描述也应与高分子材料的试验方法比较接近。

由于高分子材料与阻燃剂种类繁多，其各自的燃烧过程和阻燃机理都彼此不同，因此，在进行高分子材料的阻燃研究时，要根据具体的情况进行阻燃剂的分子设计以及配方研究。

阻燃剂（flame retardant）是用来改善可燃性有机材料抗燃性的物质，也就是阻止材料被引燃并且抑制火焰传播的物质。阻燃剂主要用于天然和合成高分子材料（包括塑料、橡胶、纤维、木材、纸张和涂料等）的阻燃，达到改善材料的抗燃性，即延缓材料被引燃及抑制火焰传播的目的。

对于隧道用的沥青阻燃而言，根据路用沥青的性能要求和改性目的，用于沥青阻燃改性的阻燃剂理论上应该同时满足下述条件。

1）阻燃效率高，添加量少，最好不要超过沥青的10%。

2）自身无毒或低毒，燃烧分解时基本不产生有害性气体或粉尘。

3）具有良好的热稳定性，与沥青改性加工温度或混合料拌和温度相匹配。

4）使用过程中有良好稳定性，不易析出、迁移和变质，使用寿命长。(www.xing528.com)

5）与沥青的相容性好，形成的阻燃沥青具有相对良好的储存稳定性。

6）使用后对沥青的常规性能的恶化应在一定程度之内。

7）生产工艺简单，价格低廉。

实际上能同时满足这些条件的沥青阻燃剂几乎没有，所以要通过表面改性和阻燃剂的协同效应，选择合理的配方，尽可能多地满足上述技术要求，乃是众多科研者追求的目标。

国外对阻燃沥青的研制起步较早，但主要是针对沥青油毡和沥青涂层。具有代表性的是美国的相关专利的报道。如Walter Robert B.的阻燃沥青专利采用的是磷酸盐、卤素和红磷等阻燃剂；Jolitz Randal J.的阻燃沥青专利主要采用有机溴、柠檬酸钾、铵类等协效阻燃剂；Brown Steve的阻燃沥青专利则是采用铝矾土、水镁石等无机阻燃剂；Joseph Graham和Kalkanoglu Husnu M.的阻燃沥青专利都是采用卤素阻燃剂；Slusher Carter C.的阻燃改性沥青专利采用了膨胀阻燃剂；Grube Louis L.的阻燃沥青专利采用了硼酸盐阻燃剂。这些研究成果有3个特点：①主要是美国20世纪的研究成果；②针对性不强，主要是一些沥青油毡或者沥青涂层，其用途研究并不深入，对阻燃机理几乎没有涉及，因此，基于我国当今大规模的隧道沥青路面铺装现状，上述成果还存在一定的局限性，适用于所有建筑业防水材料的阻燃，并没有针对隧道沥青路面的沥青阻燃改性；③重点突出的是成果的实用性，理论分析不够。

与国外相比，国内关于阻燃改性沥青的研究起步较晚，但近年来的关于阻燃沥青的诸多研究成果，证明了沥青阻燃的可行性。1997年，吴少鹏等进行了阻燃沥青油毡的研究；2001年，重庆交通科研设计院陈辉强、陈仕周等利用有机卤素阻燃剂研制阻燃沥青，并在重庆渝合高速公路的北碚隧道进行了工程实施；2005年1月，深圳海川实业有限公司何唯平等公开了一项关于阻燃沥青混合料的专利[16]；同年3月，深圳海川实业有限公司鲁红春等公开了一种环氧型焦油沥青阻燃涂料[17]；2006年9月，黄绍龙等公开了一项阻燃SMA混合料的技术。

2006年4月，武汉理工大学丁庆军等公开了一项阻燃OGFC的专利技术[18]；同济大学郭忠印、杨群等通过研究认为，OGFC空隙率较大，由于交通事故喷洒在隧道路面的油类物质或有机溶剂可以通过大空隙通道及时排走，大大降低了事故中可燃物的有效燃烧量，从而可以减小火势，降低损失。这种思路其实是一种防火措施，是基于路面结构从设计的角度而提出的一种减少隧道火灾损失的防御措施，应该说与通常所说的隧道阻燃沥青（从材料的角度出发，增强材料自身的阻燃性）的观点相辅相成的，也是对阻燃沥青混凝土思路的一个补充。但是，作为一种结构构思，该研究思路还有3点值得完善：一是实体工程经过长期使用之后，孔隙会被灰尘或其他异物部分堵塞，因此会对油类物质或有机溶剂的逃逸形成障碍而影响逃逸速度，隧道交通事故具有突发性，由此导致的火灾往往是非常迅速的，油类物质或有机溶剂在逃逸到孔隙之前就将被点燃。二是逃逸到空隙中的油类物质或溶剂仍然可能参与燃烧，只是燃烧不再那么充分而已，而燃烧不充分的结果是形成更大更浓的烟雾。从这一点上说，油类物质逃逸的结果是降低了火势而增加了烟雾量。三是这种思路只是从路面结构上考虑了减小隧道火灾的途径，而从材料的阻燃性这个根本问题去寻求对付隧道火灾的方法方面考虑得较少，因此值得完善。

辽宁石油化工大学选用辽河AH-70基质沥青，通过氧指数和水平燃烧试验方法较系统地考察了氢氧化铝和氢氧化镁、十溴联苯醚、三氧化二锑等阻燃剂和抑烟剂对沥青的阻燃作用，并通过添加增黏剂和有机-无机复合阻燃剂的途径制成了阻燃改性沥青。尽管由此制备的阻燃沥青氧指数增加明显，但其掺量很大，达到20%以上，这样大的掺量不仅会影响阻燃沥青的储存稳定性和其他性能，而且会造成成本大幅增加，还会给施工带来极大不便。2006年11月，武汉理工大学余剑英等公开了一种无卤阻燃沥青技术，通过磷系、氮系阻燃剂进行阻燃，随后对SBS阻燃沥青的性能进行了研究；长沙理工大学研制了有机溴类阻燃剂，于2006年铺筑了全长3km的深港西部通道深圳隧道路面。张厚记等人提出了添加阻燃矿粉和阻燃矿物纤维的阻燃思路，并较系统地研究了相应沥青胶泥的综合性能和阻燃机理，分析论证了阻燃矿粉和阻燃矿物纤维代替矿粉和纤维的可行性[19]。但是该研究成果有两点值得考虑：①阻燃矿粉和阻燃矿物纤维是纯天然矿物，没有经过任何处理，而天然矿物存在性能不一致性，因此这种阻燃材料的性能稳定性得不到保证，具有相当的随意性和偶然性；②阻燃矿物纤维的使用范围有限，只适用于诸如SMA之类的含纤维的沥青混合料，对于不含纤维的混合料如AC和AK等，则显得无能为力。