（道路与铁道工程专业论文）阻燃改性沥青混合料的性能与应用研究.pdf

摘要 随着我国近年来公路建设的迅速发展 特别是高等级公路的跨越式发展 公 路隧道的数量和建设规模也越来越大 长大隧道不断出现 由于隧道内水泥路面 存在抗滑性能差 噪音大等缺点 沥青路面正成为隧道路面铺装的主流 这也是 高等级公路隧道路面的趋势 然而沥青又是可燃性材料 沥青混凝土在隧道中的 运用存在火灾隐患 在世界上许多国家均发生过非常严重的隧道火灾事故 所以 研究阻燃沥青和提高沥青混合料的阻燃性 使沥青混合料能够满足隧道应用的条 件具有相当重要的意义 本文利用锥形量热仪试验方法对阻燃沥青混合料及沥青胶浆进行燃烧分析 通过分析他们在燃烧过程中的引燃时间 热释放速率 质量损失速率 放烟量等 参数 来评价阻燃沥青混合料相对于非阻燃沥青混合料的阻燃性能 对阻燃沥青 混合料进行了配合比设计和施工技术研究 进行了车辙 浸水马歇尔 抗滑摆值 及肯塔堡飞散等路用技术性能试验 评价阻燃沥青混合料在路面应用方面的性 能 通过研究和试验表明 在隧道沥青路面混合料中加入具有阻燃性的阻燃剂 后 其引燃时间 热释放速率 质量损失速率 放烟量等燃烧参数都有明显的改 善 加入阻燃剂的沥青路面不但其本身的路用性能没有受到影响 而且还提高了 其阻燃的效果 对隧道沥青路面火灾的预防起到很好的作用 而且 本文为研究 沥青混合料的阻燃性能提供了一种新型的试验研究方法 关键词 阻燃 阻燃s b s 改性沥青混合料 锥形量热仪试验 技术性能 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni no u r c o u n t r y s p e c i a l l y i nt h eh i g h g r a d eh i g h w a y t h eq u a n t i t ya n dc o n s t r u c t i o ns c a l eo f h i g h w a yt u n n e i b e c a m e i a r g e ra n di a r g e r h o w e v e r c o n c r e t ep a v e m e n ta sar e s u l to ft h ee x i s t e n c eo f t u n n e l sp o o ra n t i s l i d i n gp e r f o 珊a n c e n o i s ea n d o t h e rs h o n c o m i n g s t h eb i t u m i n o u s p a v e l n e n tl sb e c o m i n gt h et u n n e lr o a ds u r f a c ep a v i n gt h em a i n s t r e a m a l s oe v e ni t s t e n d e n c y b u tt h ea s p h a l ti st h ei g n i t a b l em a t e r i a l t h e r ee x i s t e n t e df i r e h i d d e n d a n g e ri nt h eu s i n go fa s p h a l tm i x t u r ew a sa p p l i e di nt u n n e ls u r f a c ec o n s t r u c t i o n m u c hm o r et i m e sa c c i d e n t sb e c a u s eo ft h i sr e a s o nv i s t e di n m a n yc o u n t y s w h i c h r e a s u l t e dt h er e s e a r c ho ff l a m e r e s i s t a n ta s p h a l tb e c a m em e a n i n g f u l i nt h l sp a p e r t h eu s eo fc o n ec a l o r i m e t e r t e s tm e t h o df o rn a m e r e t a r d a n t a s p h a l tc e m e n ta n da s p h a l tm i x t u r e sf o rc o m b u s t i o na n a l y s i so fa s p h a l tm o r t a r b y a n a l y z l n gt h ec o m b u s t i o np r o c e s si nt h et i m et oi g n i t i o n h e a tr e l e a s er a t e m a s sl o s s r a t e t h ev o l u m eo fs m o k ea n d0 t h e rp a r a m e t e r s t oe v a l u a t et h ef l a m er e t a r d a n t a s p h a l tm l x t u r ec o m p a r e dw i t ht h en o n f l a m er e t a f d a n ta s p h a l tm i x t u r ep e r f o r m a n c e f l a m e r e t a r d a n tm i x t u r eo fa s p h a l tm i xf o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y r e s e a r c h an l t f l o o d i n gm a r s h a l l a n t i s l i d ea n dp u tt h ev a l u eo f d i s p e r s i o n s u c ha s f o r tk e n tr 0 a d w i t ht h et e c h n i c a lp e r f o r m a n c et e s t s e v a l u a t i o no ff l a m e r e t a r d a n t m i x t u r eo fa s p h a l to nt h er o a dp e r f o r m a n c eo f a p p l i c a t i o n s t h r o u g hr e s e a r c ha n dt e s t ss h o w e dt h a ta s p h a l tp a v e m e n ti nt h et u n n e l t o io i n w i t hm i x t u r eo fn a m er e t a r d a n t i t s i g n i t i o nt i m e h e a tr e l e a s er a t e m a s sl o s sr a t e t h ev o u m eo fs m o k ea n do t h e rc o m b u s t i o n p a r a m e t e r sa r es 远n i n c a n t l yi m p r o v e db y a d d l n gf l a m er e t a r d a n ta s p h a l tp a v e m e n to ft h er o a dn o to n l yt h e i ro w np e r f o 珊a n c e w a sn o ta f f e c t e d b u ta l s ot oi m p r o v ei t sf i r e r e t a r d a n te f f e c to fa s p h a l tp a v e m e n to f t h et u n n e lo f6 r ep r e v e n t i o np l a ya9 0 0 dr o l e m o r e o v e r t h i s p a p e rt 0s t u d yt h e a s p n a i t 蚰x t u r et op r o v i d et h en a m e r e t a r d a n tp r o p e n i e so fan e wt y p eo ft e s t m e t h o d s 1 e yw o r d s f i a m er e t a r d a n t f i a m er e t a r d a n ts b sm o d i f i e da s p h a l tm i x t u r e c o n ec a i o r i m e t e r c o n e t e c h n i c a lp e r f o r m a n c e i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担 作者签名 秒日期 冲乒月必日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查 阅和借阅 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在 年解密后适用本授权书 2 不保密口 请在以上相应方框内打 作者签名 于佧 刷醛辄刭谤 l 矿 1 日期 砷年 月拶日 日期 刁年户月必日 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 交通部资料显示 我国高速公路起步于1 9 8 8 年 大规模建设从1 9 9 5 年开始 短短的十几年时间 走过了发达国家通常要几十年才能够走过的历程 特别是 十 五 期间共建成高速公路2 4 7 万公里 是 八五 和 九五 建成高速公路总 和的1 5 倍 高速公路总里程达到4 1 万公里 继续稳居世界第二 仅次于美国 2 0 0 6 年末 中国高速公路里程达4 5 万公里 2 0 0 7 年底达5 3 6 万公里 创造了 世界高速公路发展的奇迹 据悉 十一五 期间 交通部将着手组织实施国家 高速公路网规划 到2 0 1 0 年 新建高速公路2 4 万公里 全国高速公路总里程 达到6 5 万公里 东部地区基本形成高速公路网 长江三角洲 珠江三角洲和京 津冀地区形成较完善的城际高速公路网 国家高速公路网骨架基本形成 可见 我国的公路建设正处于历史的非常时期 在高速公路建设中 沥青混凝土路面以无接缝 表面平整性好 行车平稳 舒适性强 施工机械化程度高 进度快 质量好 维护简单等优点 越来越广泛 地被国内外用来修建高速公路 桥面和隧道铺装 沥青路面在发达国家的高等级公路中应用较为成熟 例如 美国沥青路面占 9 4 日本占9 3 我国高速公路虽然起步较晚 8 0 年代中期 以京津塘高速公 路建设为契机 我国开始进入了高等级公路建设的新时期 其中已建成或在建的 高速公路中 9 0 以上采用沥青混凝土路面 因为沥青路面的优点 隧道路面也越来越多地采用沥青混合料 但是 因为 沥青是易燃材料 很容易因为隧道内的交通火灾而着火 所以交通隧道中的火灾 是一个不可避免的问题 在世界上许多国家均发生过非常严重的隧道火灾事故 n 柚1 隧道火灾造成隧道设施和隧道整体结构的严重毁坏 引起短则数小时 长 则几天甚至更长时间的道路交通中断 并严重威胁人们的生命和财产安全 造成 无法估计的经济损失 当隧道内发生火灾时 大量的烟 热不易排除去 洞内烟 雾弥漫 照明也遭到破坏 能见度下降 同时伴有高温和毒气 给安全疏散和救 援工作带来很大困难 另外 由隧道外的快速车道上行来的车辆进入隧道后 横 断面变小 部分隧道内为曲线线路 使行驶司机视野变小 当前面发生车辆事故 时 后面车上的司机不易发现 发生追尾 造成大量车辆堵塞 加剧了火灾的发 展 例如 日本的一个隧道内 由于两辆小轿车相撞 大量车辆堵塞在隧道内 引起一场连续烧了三天的大火 隧道内布满浓烟 高热 并伴随油箱爆炸 报警 器和自动喷水系统都无济于事 近半个世纪以来 隧道火灾带给人们的损失是严重的 1 9 4 9 年 美国纽约 的霍兰隧道发生火灾 6 6 人中毒 2 0 多辆机动车损失 1 9 7 8 年 荷兰的维尔森 隧道由撞车引起的火灾造成死伤1 1 人 6 辆车辆损失 1 9 7 9 年 日本的日本板 隧道内发生火灾造成9 人死伤 1 8 9 辆车辆损失掉 1 9 8 7 年 英国伦敦地铁燃烧 造成3 1 人死亡 进入1 9 世纪9 0 年代以来 人们对隧道的火灾安全性越来越重 视 但仍然有大火灾发生 1 9 9 1 年 日本发生的一次隧道火灾大火燃烧了4 天 1 9 9 5 年1 0 月阿塞拜疆地铁火灾 造成2 9 8 人死亡 1 9 9 6 年1 1 月1 8 目的火灾事 故发生在法国和英国之间的英法海底隧道 损失严重 1 9 9 9 年3 月2 4 日发生在 法国与意大利之间的勃朗峰 m o n t b l n a c 隧道 死亡4 1 人 3 6 辆汽车被毁 燃 烧了5 3 小时 修复3 年才通车 1 9 9 9 年5 月2 9 日奥地利中部穿越阿尔卑斯山 的陶恩隧道 t a u e r nm o t o r w a yt u n n e l 火灾 由于后方的大货车高速撞在前方停 放的小汽车上而导致大火 灭火措施均告失败 火灾造成了1 4 辆货车 2 6 辆小 汽车烧毁 1 2 人死亡 4 9 人受伤 2 0 0 1 年1 0 月2 4 日 世界最长的运营公路隧 道之一的瑞士s tg o t h a r d 隧道发生火灾 造成1 1 人死亡 国内近年来也曾发生多起隧道火灾事故 1 9 9 8 年7 月7 日福建盘陀山第二 公路隧道因货车在隧道内起火发生火灾 1 9 9 9 年浙江大溪岭隧道发生火灾 2 0 0 2 年1 月1 0 日 一辆河南的东风大货车满载皮鞋 打火机和透明胶片等杂货由南 向北行驶 行至猫狸岭隧道左洞 上行线 距隧道出口7 8 m 附近时 发生火灾 整 个火灾持续时间约2 小时 虽无人员伤亡 但使得交通中断了1 8 天 造成巨大 直接与间接的经济损失 除隧道内路面外的路面也常有火灾发生 2 0 0 3 年9 月5 日 一辆从习水开往贵阳的大客车驶到贵遵路5 3 公里处 和前面一辆装满黄磷 的货车发生追尾 车上黄磷着火燃烧起来引起路面燃烧 2 0 0 4 年3 月1 9 日 位 于高速公路北京方向塔山服务区附近一辆满载2 5 吨燃料的油罐车与前方行驶的 货车追尾发生火灾 火势燃烧猛烈 路面燃烧面积达4 0 0 平方米 2 0 0 5 年2 月 2 2 日一辆满载着6 0 0 套啤酒瓶箱子的平头加长卡车 行驶在长吉高速公路1 2 公 里处时忽然起火 损失十几万元 约3 平方米的高速公路路面被烧毁 随着经济的发展 高速公路的不断建设 隧道的数量越来越多 在我国 随 着西部大开发的进行 山区高速公路的建设 隧道项目也越来越多 据统计 2 0 0 0 年我国隧道通车里程己达6 2 8 k m 1 6 8 4 座 隧道平均长度已达到3 7 3 米 2 0 0 1 年 底 我国建成的千米以上的公路隧道己有15 0 余座 公路隧道的不断涌现和隧道 交通量的增大 隧道火灾发生的频率也会逐渐增大 据国外统计 地面公路火灾 发生频率约为0 7 1 1 0 7 v e h k m 隧道内火灾发生频率约为o 3 3 1 1 0 7 v e h k m 由于 其封闭性 一旦发生事故 特别是火灾事故其后果不堪设想 目前我国已建成投 入使用的隧道安全措施堪忧 安全隐患很大 因此 为了保障隧道的使用安全 隧道的防火救灾问题就显得更为重要 由于沥青混凝土路面在行车中具有良好的 抗滑性能 在隧道中也得到广泛的采用 但是 沥青混凝土路面对于抵抗火灾的 能力方面研究还不够充分 采用沥青混凝土路面结构型式的隧道在运营期间的防 灾特别是防火灾的安全问题日益突出 而国内外相关研究很少 开展隧道沥青混 凝土路面的防灾安全性能研究 对提高隧道交通安全性能 消除交通事故隐患 具有重要的现实意义 并且在我国大力推进西部大开发的政策施行之际 研究公 路隧道火灾 对于保障社会主义现代化建设的顺利进行 保障交通事业的迅猛发 展 保障人民群众的人身和财产安全等方面都具有重大意义 沥青路面还具有现代交通的一些优点 像行车舒适性 低噪音 扬尘少 易 维修等 是我们要充分利用的 这也是水泥混凝土路面所欠缺的 从实际需求上 来看 对沥青及其混合料进行阻燃的研究是有必要的 1 2 国内外研究概况 1 2 1 阻燃技术 人类最早对阻燃的尝试是企图降低天然纤维素材料 如棉花及木材 的可燃 性 有关这方面的发展的最初文献是希腊人h e r o d o t u s 在公元前4 5 0 年所做的记 载 他指出 希腊人将木材浸渍于硫酸铝钾溶液中可赋予木材一定程度的阻燃性 大约2 0 0 年后 罗马人改进了这一处理过程 即在硫酸铝钾浸液中加入了醋 提 高了木材的阻燃耐久性 公元前一世纪 古罗马报道了阻燃技术在军事上的应用 如用矾液来处理木城堡 用以抵御火攻 采用以头发增强的粘土作成的涂层来保 护围城塔 以免被纵火材料毁坏 17 世纪 德国人以粘土和石膏的混合物处理 帆布 制得了一种 不燃 布 它用作剧院的窗帘n 引 有关阻燃科学和理论的基础研究 是从法国的j l g a y l u s s a c 开始的 他注 意到 硫酸 盐酸和磷酸的按盐对大麻和亚麻都具有很好的阻燃性 而如果采用 氯化按 磷酸按和硼砂的混合物 则阻燃效率可明显提高 这个研究成果经受了 时间的考验 现在仍然是实用的 由此可见 现代阻燃化学的基本原理在1 9 世 纪初即已有所发展 合成高聚物的出现 对阻燃技术的发展具有深远的意义 因 为在此之前使用的无机盐阻燃剂 在基本上是疏水性的高聚物中用途甚为有限 所以 阻燃技术的近代发展集中在研究和制备与高聚物相容的永久性阻燃剂 现在已有多种技术 可以赋予高分子材料阻燃性 包括接枝和交联改性技术 抑制降解技术 催化阻燃技术 气相阻燃技术 成炭隔热技术 冷却降温技术等 但是 目前最有实用价值的方法是在高聚物中掺加添加型阻燃剂或在合成时加入 反应型阻燃剂 1 2 2 沥青的阻燃 预防隧道火灾研究方面 在过去的三十年里 日本 欧美等国家已进行了一 些重要的有关隧道火灾的研究工作 调查分析了各种不同条件下隧道内的不同类 型火灾 这些研究工作中 最全面的要数欧洲上个世纪七十年代开始启动的 e u r e k a p r o j e c te u 4 9 9 f i r e t u n 项目 简称e u r e k a 该项目从启动以来 已在 欧洲的多座公路隧道 矿山巷道进行了一系列的现场火灾试验 1 9 9 3 年 在美 国w e s tv i r g i n i a 州废弃的m e m o r i a l 公路隧道 全长8 5 3 m 纵坡3 2 启动 了著名的m e m o r i a lt u n n e lf i r ev e n t i l a t i o nt e s tp r o g r a m m t f v t p 项目 而在阻燃沥青及混合料研究方面 自美国在1 9 9 0 年公开了一种面向屋面和 道路的阻燃沥青涂料n 以来 到重庆北方高速公路发展有限公司n 别在2 0 0 2 年5 月将沥青阻燃技术成功应用于渝合高速北碚隧道和西山坪隧道的沥青路面铺装 而最近两年阻燃沥青方面的发展更是迅速 出现了很多科研成果 在2 0 0 5 年1 月 何唯平等人n 3 1 公开了一种阻燃沥青 明确指出了 阻燃 与 抑烟 同等 重要 同年2 月又公开了一种密级配的阻燃沥青混合料n 们 2 0 0 5 年3 月 鲁红 春等人n 胡公开了一种环氧型焦油沥青阻燃涂料 2 0 0 6 年4 月 丁庆军等n 6 1 人公 开了一项阻燃0 g f c 技术 2 0 0 6 年9 月 黄绍龙等人n 7 1 公开了一项阻燃s m a 混合 料的技术 2 0 0 6 年9 月 余剑英等人n 町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 虽然国内对阻燃沥青及混合料的应用方面做了一些相关的研究 但是由于对 沥青所引起的火灾的危害性缺乏认识 国内外对阻燃沥青的研究并不多 国内主 要有武汉理工大学 辽宁石油化工大学 同济大学 长沙理工大学 克拉玛依石 化公司等单位或个人对沥青的阻燃性开展了一些的研究 1 3 阻燃沥青混合料 伴随着我国现代化建设的迅速发展 人民生活的步伐加快和提高 高速公路 大量兴建 汽车的数量和速度也不断提高 改善道路的运行 提高交通安全是世 界人民都十分关注的课题 国内外对隧道路面的铺装仍然以水泥混凝土为主 水 泥混凝土路面的铺装需要进行接缝处理 表面平整性相对较差 产生的噪音大 易起灰尘 路面积水不易排除 施工后需要一定的时间养护 不利于维修等 造 成这些问题的原因 一方面是由于水泥混凝土的刚度很大 施工平整度控制不好 就会造成行车的颠簸 产生较高的噪音 另一方面车辆进入隧道时会减速 驶出 隧道又会加速 使得进口和出口两端路面的抗滑性能衰减很快 为了提高隧道路 面的行车舒适性和安全性 有必要考虑在公路隧道中采用沥青混凝土路面 但采 用沥青混凝土路面时 应该提高沥青材料的阻燃性能 同时保证沥青混凝土具有 4 良好的抗滑性能 阻燃沥青混合料是通过在沥青中掺加适当种类及掺量的阻燃剂 并通过一定 的改性工艺制备成的阻燃沥青材料 利用制备出的阻燃沥青进行沥青混合料设 计 制备出既具有阻燃性能又满足路用性能技术要求的沥青混凝土 阻燃沥青是 阻燃剂对沥青进行改性制备所得 通常阻燃剂与沥青只是机械的混合 并没有与 沥青发生化学反应 这种阻燃剂加入后对沥青的性能会有一定的影响 而且阻燃 剂的掺量越大则对性能影响也越大 所以 在制备阻燃沥青时要选择掺量低 阻 燃效果好并对沥青性能影响小的阻燃剂对沥青进行阻燃改性 有些阻燃剂在发生 阻燃时会产生协同效应 即两种阻燃剂同时存在并产生阻燃作用时 其产生的阻 燃效果大于两种阻燃剂各自掺量条件下单独产生的阻燃效果之和 所以 寻找具 有阻燃协同效应的几种阻燃剂进行复合阻燃改性 提高阻燃效果 同时 在相同 阻燃效果条件下 使用具有阻燃协同效应的复合阻燃剂时 可以降低阻燃剂的掺 量 使阻燃剂对沥青路用性能的不利影响得到改善 阻燃沥青路面是阻燃沥青混 合料在工程中的应用 通常与普通沥青混凝土路面具有相同的功能 当路面有火 源或发生火灾时 阻燃沥青混凝土开始发挥其阻燃作用 有火源时 阻燃沥青混 凝土温度升高 阻燃沥青混凝土中阻燃沥青及阻燃剂也同时受热 受热的沥青开 始发生分解 阻燃剂开始发挥阻燃作用 从而使沥青混凝土达到阻燃的作用 降 低火灾的损失u 9 j 1 4 主要研究内容 本项目拟用阻燃剂与改性沥青复合技术制备阻燃改性沥青 再利用阻燃改性 沥青通过配合比设计制备阻燃沥青混合料 通过深入研究阻燃沥青及其混合料的 阻燃性与阻燃剂组成的关系 探讨阻燃剂对沥青性能及沥青混合料性能的影响 提出阻燃沥青混合料的制备和设计方法 研究阻燃沥青混合料的阻燃性能与路用 性能的关系 为阻燃沥青混凝土用于隧道路面或具有一定火灾隐患路面的沥青混 合料设计奠定理论 提出实用指导 本文研究的主要内容如下 1 阻燃沥青混合料配合比设计 研究并确定阻燃剂种类和掺量及沥青混合料中的粗集料 细集料 矿粉 沥 青材料等组合的最佳组成比例 使阻燃沥青及阻燃沥青混合料既能满足沥青混合 料的技术要求又具有良好的阻燃性能 2 阻燃沥青混合料锥形量热试验研究 采用锥形燃烧量热仪的试验方法 简称c o n e 试验 对阻燃沥青混合料进行 燃烧试验 分析阻燃沥青制备成阻燃沥青混合料后的燃烧性能 从而来评价阻燃 沥青混合料的阻燃性能 阻燃沥青混合料的制备首先是阻燃沥青的制备 制备阻 燃沥青后再通过沥青混合料制备方法来制备阻燃沥青混合料 阻燃沥青是通过加 5 入阻燃剂利用一定的工艺制备而成 一般认为阻燃剂与沥青是机械的混合 基本 是没有化学反应的 在沥青中加入阻燃剂后 将会对沥青的路用性能产生影响 沥青阻燃性能的改善通常是以路用性能的降低为代价的 只追求阻燃性能而未考 虑路用性能的变化显然是不科学的 另外 沥青中通过加入阻燃剂后可以改善沥 青的阻燃性能 其改善效果可以通过氧指数法测试 但制备成阻燃沥青混合料后 阻燃性能是否比普通沥青混合料提高还需通过一定的试验方法获得的结果来验 证 阻燃沥青混合料的阻燃性能不能再通过氧指数方法来确定 因为氧指数方法 测试不出混合料的氧指数 3 阻燃沥青混合料应用研究 结合我国公路沥青路面施工技术规范 j t gf 4 0 2 0 0 4 对阻燃沥青混合料进 行路面摊铺 并对阻燃沥青混合料路面进行了车辙 浸水马歇尔 抗滑摆值 肯 塔堡飞散等路用技术性能方面的试验 为其实际施工及应用提供可行性试验分 析 6 2 1 原材料 第二章试验原材料与试验方案 沥青混合料各组成成分中可燃部分主要是沥青 我国的道路沥青主要是采用 石蜡基原油炼制的 沥青有易燃性 受热熔滴 流淌的特点 因此沥青混合料应 用于隧道路面存在较大的安全隐患 因为沥青具有易燃的特性 并且在相对封闭 的隧道中 一旦发生火灾事故 沥青燃烧产生的烟雾降低了可见度 导致人员逃生 困难 阻燃沥青混合料是采用阻燃改性沥青 提高沥青路面的阻燃性能 可使沥 青路面由可燃性变为自熄性 提高路面的安全性的 所以沥青的性能就尤为重要 2 1 1 基质沥青及改性剂 根据深圳市的气候特点及西部通道下沉式道路沥青路面的交通环境并结合 阻燃课题研究成果 下沉式道路沥青面层的表面层采用s b s 阻燃改性石油沥青 基质沥青采用埃索a h 7 0 沥青 s b s 采用岳阳石油化工总厂生产的线型产品 7 9 1 一h 掺量为7 复合阻燃剂由长沙理工大学课题组提供 与s b s 改性剂 一起掺入埃索a h 7 0 沥青中采用胶体磨进行现场改性 阻燃剂掺量为1 2 为 防止阻燃剂离析 加工好的阻燃改性沥青在储罐内的存放时间不宜超过4 8 小时 重交通沥青应采用道路石油沥青 埃索a h 一7 0 基质沥青技术性能规范要求 及试验结果 见表2 1 阻燃改性沥青应符合的技术要求和试验方法及试验结果 见表2 2 表2 1 埃索a h 一7 0 基质沥青技术性能试验结果 试验项目规范要求埃索a h 7 0 针入度 2 5 1 0 0 9 5 s 0 1 m m 6 0 7 07 2 延度 5 c i l l m i n 1 5 c m l o o 1 0 0 软化点 环球法 4 74 6 7 针入度指数 p i 一1 5 1 0 0 0 6 溶解度 9 9 5 9 9 9 薄膜加热质量损失 5 57 6 4 5 h 延度 1 0 c m 62 8 9 表2 2s b s 阻燃改性沥青技术要求及试验结果 埃索 s b s 技术指标技术要求 7 阻燃试验方法 剂 1 2 针入度 2 5 1 0 0 9 5 s o 1 m m 3 5 4 53 9j t j 0 5 2 2 0 0 0 软化点 环球法 9 09 3 2j t j 0 5 2 2 0 0 0 针入度指数 p i 1 o2 6j t j 0 5 2 2 0 0 0 延度 5 5 c n l m i n c m 2 03 4 4j t j 0 5 2 2 0 0 0 弹性恢复 2 5 9 01 0 0j t j 0 5 2 2 0 0 0 氧指数 2 72 8 7g b 2 4 0 6 8 0 g b 2 0 4 0 8 0 防火等级 f v 0 级f v 一0 g b 2 4 0 9 8 4 r t f o t质量损失 1 0 0 6 1 6 3 针入度比 6 57 2j t j 0 5 2 2 0 0 0 8 5 m i n 弹性恢复 8 0l o o 2 1 2 矿料 1 粗集料 粗集料采用深圳平湖芙蓉石场生产的辉绿岩集料 粗集料应洁净 干燥 无 风化 无杂质 具有足够的强度 耐磨耗性 粗集料应具有良好的颗粒形状 用 于道路沥青面层的碎石不宜采用颚式破碎机加工 而应采用反击式或圆锥式破碎 机进行二级以上加工 辉绿岩的物理 力学指标及筛分结果如表2 3 2 4 2 5 所示 表2 3 辉绿岩集料物理指标试验结果 编规格 表观密度 g c m 3毛体积密度 g c m 3奄设盔霞l g c 矗吸水率 g c m 3 11 6 1 3 22 6 8 72 6 6 02 6 7 30 4 9 2 1 3 2 9 52 6 9 62 6 6 3 2 6 7 9 0 5 8 39 5 4 7 52 7 0 22 6 5 l2 6 7 7 0 8 2 44 7 5 2 32 6 9 72 6 1 82 6 5 81 2 3 5 2 3 6 一1 12 6 9 32 6 9 3 61 1 8 0 6 2 7 0 l2 7 0 1 70 6 0 3 2 6 8 02 6 8 0 80 3 o 1 52 6 8 42 6 8 4 90 1 5 0 o2 7 0 22 7 0 2 1 0 矿粉 2 6 6 62 6 6 6 8 表2 4 集料力学指标试验结果 集料类型 压碎值 磨光值 b p n 磨耗值 辉绿岩 9 85 21 1 3 规范要求 2 8 4 2 3 0 表2 5 辉绿岩集料筛分试验结果 孔径 m m 1 61 3 29 54 7 52 3 61 1 80 6 0 3o 1 5o 0 7 1 0 1 5 辉绿岩碎 1 08 3 31 6 80 30 3 o0o00 5 1 0 辉绿岩碎石 1 01 0 09 8 21 80 100o00 0 5 辉绿岩石屑 1 01 0 0 9 9 79 3 74 6 33 0 31 9 21 4 19 04 1 矿粉 1 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 9 9 68 5 5 2 细集料 细集料采用深圳平湖芙蓉石场生产的辉绿岩石屑 其规格应分别满足 公路 沥青路面施工技术规范 j t gf 4 0 2 0 0 4 第4 章4 9 的规定 2 们 细集料应洁净 干燥 无风化 无杂质 并有适当的颗粒级配 细集料规格及质量如表2 6 2 7 所示 表2 6 沥青面层用石屑规格 公称粒通过下列筛孔 m m 的重量百分率 规格 径 m m 方孔筛 m m 9 54 7 52 3 6 0 60 0 7 5 s 1 60 31 0 08 5 l o o2 0 5 0o 1 5 辉绿岩石 2 3 61 0 09 34 01 2 屑 表2 7 沥青面层用细集料质量要求 指标高速公路辉绿岩石屑 视密度 t m 3 2 5 02 7 2 3 坚同性 0 3 m m 部分 6 08 6 2 3 填料 填料宜采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿 粉 矿粉要求干燥 洁净 不论采用何种岩石 表面层均不得采用回收粉尘作为 填料 本研究采用的是石灰岩矿粉 由水泥厂提供 填料性能要求及试验结果如 表2 8 所示 9 表2 8 矿粉质量要求及试验结果 指标高速公路试验结果 视密度 t m 3 2 5 03 0 3 7 6 含水量 l 0 6 m m l o o1 0 0 粒度范围 0 1 5 m m 9 0 1 0 01 0 0 0 0 7 5 m m 7 5 1 0 09 8 6 外观无团粒结块无团粒结块 亲水系数 l0 6 0 2 1 3 纤维稳定剂 纤维稳定剂采用木质素纤维 以防止施工过程中沥青析漏和夏季高温时泛 油 并能改善沥青混合料性能 纤维适用于各种沥青混合料 但应保证在施工拌 和过程中能在沥青混合料中均匀分散 木质素纤维的质量指标及试验结果如表 2 9 所示 表2 9 纤维稳定剂质量指标及试验结果 项目 指标试验结果试验方法 纤维长度 m m 6 6 水溶液用显微镜观测 1 8 5 无挥发高温5 9 0 6 5 0 燃烧后 测定残留 灰分含量 1 9 6 物物 p h 值 7 5 1 07 8 2 水溶液用p h 试纸或p h 计测定 纤维质量的5用煤油浸泡后放在筛上 经振敲后 吸油率 7 6 8 倍称量 含水率 6 0 0 0 l 5 0 6 0o 7 9 9 4 6 6 0 0 0 5 06 00 7 3 5 3 6 4 6 0 0 0 2 5 06 00 7 6 0 0 0 数据分析 d s 6 0 0 0 技术要求 3 0 0 0 2 0 表3 8 埃索阻燃改性沥青s m a 一1 3 车辙试验结果 级配三 试件试件厚度试验温度轮压动稳定度 编号 c m m p a 次 m m 5 06 00 72 3 5 4 0 6 0 0 0 l 5 o6 00 71 5 8 8 9 6 0 0 0 5 o6 0 0 7 3 5 3 l o 6 0 0 0 2 5 o 6 0o 7 4 8 8 9 l 6 0 0 0 数据分析 d s 6 0 0 0 技术要求 3 0 0 0 车辙试验结果表明无论采用级配中值还是上限 其动稳定度均能满足设计及 规范要求 为了确保沥青路面的施工压实性能 本文采用级配上限 也就是级配 三 最佳油石比采用o a c 6 1 并进行水稳性试验及谢伦堡析漏试验与肯塔堡 飞散试验 3 1 7 其他试验 3 1 7 1 冻融劈裂试验 冻融劈裂试验主要是用来检测沥青混合料的抗水损害能力的 在规定条件下 对沥青混合料进行冻融循环 测定混合料试件在受到水损害前后劈裂破坏的强度 比 冻融劈裂强度试验试件也采用马歇尔击实法成型圆柱体试件 击实次数通过 击实试验来确定 试验时将试件分成两组 每组四个试件 一组在2 5 水中浸 泡2 小时后测定 另一组饱水过程中如下 1 常温下 约2 5 浸水2 0 m i n 2 o 0 9 m p a 浸水抽真空1 5 m i n 3 1 8 冰箱中存放1 6 小时 4 置于6 0 水浴中恒温2 4 小时 5 2 5 水中浸泡2 小时 采用劈裂试验仪 首先测出压裂时的压力值b 按公式r o 0 6 2 8 7 弓 l l 计算 劈裂抗拉强度 再按下式计算冻融劈裂抗拉强度比勰 撇 孕 1 0 0 3 9 碍 式中 耶尺一冻融劈裂抗拉强度比 尺挖一冻融循环后第二组试件的劈裂抗拉强度 m p a r r l 一未经冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度 m p a 根据 公路工程沥青及沥青混合料试验规程 j t j 0 5 2 2 0 0 4 冻融劈裂试 验要求 并结合美国a s t mt 2 8 3 试验规定 将沥青混合料冻融劈裂试件空隙率 控制在7 左右 为此先将各沥青混合料在马歇尔试验确定的最佳油石比条件下 进行不同击实次数的击实试验 并按击实试验结果确定对应7 空隙率的击实次 数成型冻融劈裂试件 各沥青混合料击实试验结果见表3 9 表3 9 沥青混合料击实试验结果 击实次数 3 04 05 06 07 5 空隙率 6 75 o4 23 33 3 击实试验结果表明 采用3 0 次击实基本上能将各沥青混合料冻融劈裂试件 空隙率控制在7 左右 冻融劈裂试验结果见表3 1 0 表3 1 0 沥青混合料冻融劈裂试验结果汇总 空隙饱水普通试件劈裂冻融试件劈冻融劈裂残留 混合料类型 窒塞 强度 m p a 裂 m p a 强度比 s m a 一1 3 改性 8 26 8 7o 4 70 3 98 3 5 技术要求 7 5 经过冻融劈裂试验检验 所采用的沥青混合料其水稳性满足设计及规范要 求 3 1 7 2 谢伦堡析漏试验与肯塔堡飞散试验 谢伦堡析漏试验是用以检测沥青混合料在高温状态下从沥青混合料析出并 沥干多余的游离沥青数量 由此来确定s m a 混合料的最大沥青用量 与飞散试 验相结合 可以得出一个合理的沥青用量范围 s m a 1 3 谢伦堡析漏试验结果如 表3 1 1 表3 1 1s m a 1 3 谢伦堡析漏试验结果 沥青混合料名称结合料损失 技术要求 s m a 1 3 改性沥青 0 0 6 不大于0 1 肯塔堡飞散试验是用以评价由于沥青用量或粘结性不足 在交通荷载作用 下 路面表面集料脱落而散失的程度 主要就是用以确定s m a 所需的最少沥青用 量 s m a 一1 3 肯塔堡飞散试验结果如表3 1 2 表3 1 2s m a 1 3 肯塔堡飞散试验结果 沥青混合料名称 混合料损失 技术要求 s m a 1 3 改性沥青 8不大于1 5 经过谢伦堡析漏试验以及肯塔堡飞散试验检验 所采用的沥青混合料的级配 以及油石比均能满足设计及规范要求 3 2 本章小结 推荐设计级配曲线采用本报告采用的级配三 施工过程中级配波动控制在级 配中值与上限之间 最佳油石比采用6 1 根据经验s m a 中掺入的木质素纤维 掺量选为3 第四章阻燃沥青混合料锥形量热试验 目前 我国尚未制定阻燃沥青混合料的阻燃性能统一的测试方法 对聚合物 阻燃性能分析的方法还是有很多 如氧指数法 水平及垂直燃烧测定法 u l 9 4 可燃测试法 微观热分析技术 如热重分析法 差示扫描量热法等 锥形量热 仪试验法等 对于阻燃沥青的阻燃性能研究用的主要是氧指数试验法 而沥青混 合料阻燃性能研究用到的试验方法是锥形量热仪试验法 利用阻燃改性沥青胶浆 及混合料的锥形量热仪法 c o n e 试验方法进行阻燃沥青混合料阻燃性能试验 分 析比较阻燃与非阻燃沥青混合料的c o n e 参数 4 1c o n e 试验方法 从目前的科学研究和工程实践来看j 材料的燃烧性能通常是指材料在规定的 实验条件 实验室规模 即小尺寸样品实验 下 材料对火反应行为 由于规定 的实验条件与真实火灾环境条件相去甚远 因此 材料的燃烧特性与其火灾特性 也大相径庭 如普通p v c 材料在通常条件下燃烧时 具有自熄性 常为氧指数较 高 属难燃材料 但相同的材料 在真实的建筑火灾中 受高温 高辐射热通量 的作用时 仍然能够剧烈燃烧 放出大量的热和有毒气体 这也为大量火灾案例 所证实 由于真实火灾的发展具有很大的不确定性 真实火灾很难重复 只有通 过大型火灾试验 即所谓全尺寸火灾试验 获得的材料火灾特性才具有可靠性 但是 大型火灾试验属于破坏性火灾试验 试验耗时费力 成本高 很难实现便 捷化 因此 选择与大型火灾试验具有相关性 且相对便捷的小尺寸燃烧试验 如锥形量热仪法 作为基础 根据小尺寸燃烧试验所获得的材料燃烧特性参数预 测材料的火灾特性 在现阶段对材料火灾危险预防与控制具有重要意义 与传统 的火灾实验方法相比 锥形量热仪具有以下优点 所得的实验结果与大型1 1 实 验结果具有良好的相关性 测试环境比一般的小尺寸实验更接近于真实的火灾环 境 在同一次实验中 可以获得材料燃烧性能的多种不同参数 实验结果定量化 便于结果比较和分析 便于将其应用到理论模型中去 q 钔 相对于隧道中沥青混 合料燃烧正是处于一种封闭状态下的燃烧行为 所以用锥形量热仪法来研究 是 比较合适的 与传统实验室型评价方法 如极限氧指数法l o i n b s 烟箱等 相 比 c o n e 所测得的试验结果与大型燃烧实验结果之间存在很好的相关性 人们 已逐渐认识到最好的燃烧性能试验是其试验结果与材料在实际火灾中燃烧性能 之间应具有较好的相关性 以及所得到的试验数据能够用于火灾的计算机模拟 近年来 c o n e 的出现有力地促进了研究和评价工作的进展 并制定了相应的实 验标准o 如a s t 脏1 3 5 卜9 0 9 0 a 和t s o d i s 5 6 6 0 9 0 等 c o n e 可以评价聚合物材 料燃烧性和阻燃性 并能进行阻燃机理及抑烟等方面的研究 41 1 试验试件制备 对于沥青材料及沥青混合料的锥形量热试验尚无标准的试验方法 国内外也 没有见相关的文献报道 为了考察阻燃剂的阻燃效果与阻燃沥青混合料的咀燃性 能 本项目参照聚合物材料的锥形量热试验方法分别进行了阻燃沥青胶浆与非阻 燃沥青胶浆 阻燃沥青混合料与非阻燃沥青混合料的锥形量热试验 沥青胶浆试 样的制备方法为 将阻燃改性沥青 阻燃剂含量l2 或非阻燃改性沥青分别 与石扶岩矿粉 质量比l 2 在双辊开炼机中混合均匀后 放入平板流化机中压 成8 m m 的片样 再裁切成1 0 0 m m 1 0 0 m m 8 m m 尺寸 沥青混合料试样的制各方法 为 将成型的阻燃改性沥青s 批混合料车辙试件 切割成1 0 0 m m x l 0 0 m m 5 0 m m 尺寸 具体样式见图4l 图41 锥形量热仪试验用沥青混合料试样 4 12c 0 n e 试验的方法 4 121 试样的受热表面积和厚度 试样的受热表面积和厚度对引燃性和热释放速率的测试都有影响 锥形量热 仪试验标准规定 在一般情况下 试样的受热表面积为1 0 0 衄 1 0 0 m m 这个值 比较合适小尺寸试验 足经过精心选择的 锥形量热仪主要用来测试真实物体的 热释放速率 因此试样的厚度最好为测试物体的原厚度 但其受热面要比较平整 4122 试样热和质量边界条件的处理方法 在全尺寸试验中 热量和质量输运仅发生在试件的受热表面 非受热面没有 热量和质量的损失 因此为了使锥形量热仪试验尽可能地与全尺寸试验的热边界 条件一致 需要采取一些措施来保证热量和质量在非受热面的损失最小 在试验 中 将试样用铝箔包裹其背面和侧面以减少质量损失 所有的试样在试验时在其 背面都垫有厚1 3 册 密度为6 5 0 k g m 3 热阻很大的矿棉纤维毽 以保证符合要 求的背面热边界条件 412 3 辐射热流强度的确定 在密闭的空间内发生火灾时 热量从高温火焰和烟气传播到其他临近物体上 的主要途径是热辐射 或者说热辐射足火灾发展和传播的主要传热方式 所以适 当选择辐射热流强度 对材料的锥形量热仪试验很重要 室内火灾在发展最充分 的时候其室内气体的温度可离达1 0 0 0 这时辐射到墙壁和室内物体上的辐射 热流强度可以达到l j o k w m 2 一般情况下 在室内火灾达到轰然时 高温烟气和 火焰埘物体的辐射在7 5 k w m2 左右 试验时加给试样的热辐射强度要尽量达到这 个水平 在材料火灾特性的试验研究中 经常采用的热辐射强度有1 5 k w m 2 2 0 k w 2 2 5 k w m 2 3 0 k w m 2 3 5 k w m 2 4 0