（道路与铁道工程专业论文）隧道沥青路面面层材料研究.pdf

摘要 摘要 目前隧道路面铺装大多采用水泥混凝土路面形式 现在沥青混凝土路面以无 接缝 噪音小 表面平整性好 行车平稳 舒适性强 维护简单等优点 正越来 越多地运用到高速公路 桥面铺装和隧道路面铺装中 针对隧道路面的环境特点 和对路面的特殊性能要求 本文采用试验研究分析了两种隧道用沥青混合料的路 用性能 阻燃改性沥青混合料和高粘度改性沥青多孔性混合料 开发应用了两种 隧道路面用材料 薄层抗滑层和粘结层路面材料 旨在通过研究改善沥青路面的 一些特性 使沥青路面在发挥自身性能优势的同时 又能满足隧道安全性 舒适 性 耐久性的需要 再结合具体工程数据进行测试和验证 最终形成三种满足需 要的铺装形式和一种防水粘结层 阻燃改性s m a 沥青玛蹄脂路面 低噪音排水性 沥青路面和薄层抗滑层铺装层以及层间防水粘结层材料 结果证明 隧道运用沥 青路面不仅可以完全发挥其优良的性能 而且根据隧道路面的特殊要求可以设计 出功能更加完善的沥青路面 本文采用的研究方法和手段主要是试验研究 通过试验数据分析和实体工程 验证得出隧道路面铺装的适用性结论 关键词 隧道铺装 沥青路面 阻燃 低噪音 抗滑 粘结层 试验 i a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep a s tc e m e n tc o n c r e t ep a v i n gw a s m o s t l ya d o p t e di nt u n n e l n o w a s p h a l tp a v e m e n th a sb e e np u tt ou s em o r ea n dm o r eo nh i g h w a y b r i d g e a n dt u n n e lb e c a u s eo fm a n ym e r i t ss u c h a s s e a m l e s s l o w n o i s e g o o d p l a n e n e s s d r o v i n gs t e a d i l y r i d i n gc o m f o r t a b l ea n dm a i n t a i ne a s i l y t od i r e c t a tt h ef e a t u r eo fs u r r o u d i n go fp a v i n gi nt u n n e la n da t p e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n to fp a v e m e n t t w ok i n do fa s p h a l tm i x t u r e s f l a m er e t a r d a n ta n d m o d i f i e da s p h a l tm i x t u r ea n dh i g hv i s c o s i t ym o d i f i e da s p h l tm i x t u r e u s e d i nt u n n e la r es t u d i e da n d a n a l y s e db ye x p e r i m e n t t w ok i n d so fn e w m a t e r i a l a n i t s l i d i n gm a t e r i a lo nt h i np a v e m e n ta n dw a t e r p r o o fc o h e s i o n a l l a y e r u s e di nt u n n e la r ed e v e l o p e d t h et h e s i si n t e n dt os t u d ya n di m p r o v e s o m ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l t p a v e m e n t a n da t t h es a m et i m em a k e a d v a n t a g eo fa s p h a l tp a v e m e n tb r i n g e di n t op l a y m o r eo v e rm e e tt h e r e q u i r e m e n to fs a f e t y c o m f o r ta n dd u r a b i l i t yo ft u n n e l a tl a s tt h r e ek i n d so f p a v i n gc o m ei n t ob e i n gt h r o u g hi n s p e c t i n ga n dv e r i f y i n ge n g i n e e r i n gd a t a a n do n ek i n do fm a t e r i a ln a m e dw a t e r p r o o fc o h e s i o n a ll a y e r t h ef l a m e r e t a r d a n ta n dm o d i f i e da s p h a l t s m a t h el o w n o i s ea n dd r a i n a b l ea s p h a l t p a v e m e n t a n i t s l i d i n gl a y e r lo nt h i np a v e m e n ta n dw a t e r p r o o fc o h e s i o n a l l a y e r t h er e s u l ts h o w nt h a tt h ea d v a n t a g eo fa s p h a l tp a v e m e n ta p p l i e dt o t u n n e lc a nb r i n gi n t o p l a yf u l l y m o r eo v e r a c c o r d i n gt ot h ep a r t i c u l a r r e q u i r e m e n to ft u n n e lp a v i n g w e c a n d e s i g n n e wp a v e m e n tw h o s e f u n c t i o n sa r ep e r f e c t t h em e t h o d su s e di nt h et h e s i sa r em o s t l ye x p e r i m e n ta n da n a l y s i s a p p l i c a b l ec o n c l u s i o n sa r ea r r i v e da tt h r o u g ha n a l y z i n ge x p e r i m e n td a t a p r a c t i c a le n g i n e e r i n g k e y w o r d s t u n n e lp a v i n g a s p h a l tp a v e m e n t f l a m er e t a r d a n t l o w n o i s e a n i t s l i d i n g w a t e r p r o o fc o h e s i o n a ll a y e r e x p e r i m e n t i i 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作 所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果 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结果由本人承担 学位论文作者签 日期 瓣 重庆交通大学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 重庆交通学院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 学位论文作者签名 日期 沙穆尹 指导教师签名 毛弓卅 日期 抄劳 矽罗日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 国内研究现状水平 第一章绪论 国内的隧道路面铺装主要采用水泥混凝土路面的铺装结构型式 水泥混凝土 路面在隧道内潮湿的使用环境条件下不易发生结构性破坏 耐久性相对较好 但 也有很多缺点 其主要表现在 隧道内刚性路面与主线柔性路面行驶性能差异 较大 我国高等级公路路面以柔性的沥青路面为主 水泥混凝土路面抗滑性能 衰减快 平整性差 易扬尘 在隧道内封闭的状态下 水泥混凝土路面摩耗 本身产生较多的灰尘 不利于保持隧道内的能见度和空气质量 行车噪音大 路面养护困难等 水泥混凝土路面使用性能的缺点在隧道内特殊的行车环境中 显现更为突出 较难保证车辆高速 安全 舒适地行驶 与水泥混凝土路面相比 沥青路面的抗滑性 平整性 吸音性等都比较优良 而且路面养护容易 然而 沥青路面也有一些不足之处 比如它的抗水损害能力 差 耐油性差 亮度低 油侵蚀发生火灾后会产生大量浓烟 以及施工环境较差 等 这些问题的存在长期以来一直束缚着它在隧道内的应用 国内隧道铺装有极少数采用了复合式路面铺装结构 即水泥混凝土铺于隧道 路面底层 其上铺筑普通的密级配沥青混凝土 这种复合式路面的铺装结构形式 虽然通过加铺柔性面层的方式 部份降低了隧道内车辆行驶产生的噪音 但由于 未考虑沥青混凝土在隧道内特殊的使用条件 加之复合式路面形式容易产生反射 裂缝及脱层 坑槽等病害 耐久性较差且路面使用性能并不优良 因此未在国内 广泛使用 国内也有些专家和学者建议在隧道内铺筑沥青马蹄脂碎石混合料 s m a 和多孔开级配抗滑面层 o g f c 以提高隧道路面的抗滑性 目前国内 有些隧道也铺筑了s m a 混合料 但由于各种原因 效果并不理想 国内真正意义上的沥青铺装技术研究是从1 9 9 9 年重庆市渝合高速公路隧道铺 装技术研究开始的 当时针对隧道路面的环境特点 着重开展了隧道路面的层间 粘结技术研究 隧道路面的阻燃技术研究和环氧抗滑磨耗层的材料开发与施工工 艺研究 但在实施过程中 却遇到了一些困难 如隧道沥青铺装层偏薄 仅4 c m 以及由于对隧道沥青路面的使用环境缺乏准确的认识 导致实体隧道沥青路面产 第一章绪论 2 生了不少脱层和开裂 限于当时的条件和原隧道路面设计的影响 没有对隧道铺 装的合理结构进行研究 也没有充分考虑隧道沥青路面的使用耐久性问题 而仅 对隧道沥青路面的阻燃和抗滑问题进行了考虑 另外在西部项目中 就隧道路面 的沥青铺装技术问题 也曾列了专题进行研究 并取得了一系列科研成果 如对 隧道沥青路面阻燃机理方面的研究 对隧道路面抗滑性能方面的研究和对隧道路 面沥青混合料类型方面的研究以及隧道路面的类型对行车安全性的影响等等 但 是由于隧道路面铺装问题是一个非常复杂的问题 针对不同的地区 有不同的环 境特点 如交通量 气候条件 地下水 当地筑路材料以及施工水平的影响等等 必须把研究的成果与具体的条件结合起来才能解决实际问题 1 1 2 国外研究现状 发展趋势 国外对隧道铺筑沥青路面的研究起步较早 使用也较多 如国外已经使用的 具有一定耐油性的半柔性路面 即在大孔隙沥青混合料面层内惯入水泥浆 以减 少隧道内出现交通事故时漏油对路面的损害和沥青燃烧产生的浓烟 但这种半柔 性路面由于在施工时易导致水泥浆浮于路面使得路面抗滑性能降低 故综合使用 性能不太理想 2 0 世纪8 0 年代中期 在法国设计和施工质量都好的不需要结构改 善的隧道路面上 仅需要一种热拌沥青混合料薄层铺装用于养护重交通道路的面 层 以改善表面层粗糙度 这种混合料称为 很薄沥青混凝土 它与s m a 相似但 砂含量较多 稳定性较好 1 9 9 2 年在这种很薄的沥青混凝土面层上 进行了重车 刹车实验 结果表明 在高速行车情况下 很薄沥青混凝土 的抗滑能力优于传 统的沥青混凝土 1 9 8 8 年 法国两个承包商开发了厚1 5 c m 的热拌沥青混合料面 层 它被称为 超薄沥青混凝土 这种混凝土具有较强的抗水损害能力和耐油性 适合于隧道内铺装 但价格昂贵 国外十分重视隧道路面长期使用寿命和抗滑问题 以及隧道路面的防水问题 在使用沥青混凝土类型方面 在北欧 中欧和西欧国家 铺装下层一般采用浇注 式沥青混凝土 上层通常也采用浇注式沥青混凝土磨耗层 在南欧国家和日本 在设置优良防水层的情况下 铺装下层一般采用密级配沥青混凝土 铺装上层都 采用改性沥青混凝土 铺装总厚度在7 0 9 o c m 此外 隧道路面的防水问题在 国外引起了足够的重视 一般采用双层改性沥青防水卷材的防水结构型式 并且 在隧道路面内部设置了完善的排水系统 国外隧道路面的设计使用寿命长达3 0 年 从国外的研究和应用情况看 国外科技工作者对隧道铺装做了较多研究 开 发了一些针对隧道路面适用的结构型式和材料等 而在国内 近年来虽然对隧道 路面从结构设计 材料 施工等方面开展了一些研究 也取得了一些进展 但在 第一章绪论3 隧道路面铺装方面仍有一些问题尚未解决 如复合式路面铺装的耐久性 阻燃沥 青的评价指标及评价方法 沥青混凝土与水泥混凝土的层问粘结及防水问题等 1 2 研究意义 随着国内高速公路的快速发展 公路隧道也越建越多 到2 0 0 2 年 我国公路 隧道总数就已建成1 7 8 2 座 总长度达7 0 4 公里 隧道建设技术取得了全面发展 但是隧道内路面铺装材料及技术方面的研究还相对较少 l 2 1 沥青路面由于行车舒适 噪音低 抗滑性好 易维修等优点j 下越来越多地应 用到隧道路面中 国内外对阻燃沥青路面进行了一些研究 使沥青路面充分发挥 自身优点的同时也能达到隧道内特殊环境对路面的要求 阻燃沥青路面 o g f c 低噪音路面等沥青路面不仅具有一般沥青路面的优良性能 更具有符合一定功能 需要的特殊性 因此针对隧道内路面环境特点研究开发沥青路面阻燃技术 抗滑 技术和降噪技术都具有十分重大的意义 1 3 研究内容 1 3 1 隧道阻燃沥青路面材料的研究 基于隧道火灾安全问题的阻燃沥青路面材料研究 首先对各种阻燃剂和阻燃 机理的分析作了的简单介绍 然后重点研究阻燃沥青制备过程中的各种原材料的 技术指标和配合比以及影响阻燃效果 氧指数 的因素 最后将这种阻燃技术应 用到实体s m a 铺装工程 并对阻燃s m a 沥青混合料的路用性能作出评价 以达 到隧道沥青路面所要求各项性能要求 1 3 2 隧道降噪型沥青路面材料的研究 基于隧道行车舒适性的低噪音路面研究应用 隧道降噪型沥青路面材料借鉴 了国内外多空隙沥青路面 o g f c 排水性路面的特点 通过对影响隧道内噪音的 因素的分析 着重研究隧道降噪型沥青路面材料的原材料性质 配合比的设计 以达到低噪音的目的 同时对该种沥青混合料的实体铺装方案进行各项路用指标 评价 保证沥青路面的其他路用性能也能得到良好的发挥 1 3 3 隧道薄层抗滑层沥青路面材料的研究开发 基于隧道路面行车安全的抗滑层沥青路面材料研究 薄层抗滑层是一种比较 特别的抗滑铺装材料 通过选取符合要求的抗滑层材料和集料 对他们的性能指 第一章绪论 4 标进行检验 然后测试这种抗滑层材料的整体路用性能达到隧道路面的抗滑要求 1 3 4 隧道沥青路面层间粘结材料的研究开发 隧道沥青路面层间粘结材料用于将沥青混凝土铺装面层和水泥砼的粘结在一 起 使路面结构更好的发挥使用性能和耐久性 同时兼具防水保护功能 首先要 选择一种优良的粘结剂 然后拟定几种粘结层结构形式 并对各种结构形式的性 能进行比选 最后对选定的粘结层材料进行性能实验评价 第二章隧道内路面环境及病害分析 第二章隧道内路面环境及病害分析 2 1 隧道内路面环境特点 隧道内是一个相对封闭 空间狭小的管状环境 隧道内没有隧道外的日晒雨 淋气候 一般夏季隧道内比洞外气温低 冬季气温较洞外高 全年气温相对稳定 温度变化幅度小 温差小 但隧道内湿度大 比较潮湿 地下水丰富 隧道内空 气流动性小 空气易污染 隧道内没有日照 常年处于黑暗中 能见度低 3 1 因此 隧道内路面与一般道路 桥面铺装结构在使用环境上存在较大的差别 对沥青路 面来讲 由于洞内相对封闭而狭长 所以对于火灾特别敏感 行车的噪音也会经 过洞壁 洞项反射汇合后较洞外大 这就要求沥青路面具有阻燃和低噪音性能 由于湿度大 地下水丰富 对沥青路面的水稳性和抗滑性要求较高 由于空气流 动小 就要求路面低扬尘 对于处在隧道进出口段和长下坡隧道的路面 会受到 雨水的影响和经常刹车 加速时的受力影响 要求路面具有良好的防水粘结层 2 2 隧道路面的病害问题 相对于沥青路面来讲 隧道内的火灾问题是应用沥青路面的一大危害 而沥 青路面对火灾的敏感性又反过来影响隧道的使用安全 交通隧道中的火灾是一个 国际问题 在世界上许多国家均发生过非常严重的隧道火灾事故 国内近年来也 曾发生多起隧道火灾事故 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 造成车上黄磷着火燃烧 并引起隧道内路面燃烧 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 吨燃料汕的油罐车与前方行驶的货车追尾发生火灾 火势燃烧猛烈 造成路面燃烧面积达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 约3 平方米的高速 公路路面被烧毁 4 沥青路面对火灾的敏感性源于沥青本身对火的敏感性 沥青本 质上是能燃的物质 因此对隧道沥青路面来讲 火灾安全非常重要 隧道交通噪音危害也就越来越受到人们的关注 由于隧道洞体是相对封闭的 环境 声音在其中难以消散 因此隧道内的噪音通常较大 洞口段的噪音是距洞 口l o m 处逐渐向洞内前进的过程 在洞外l o m 处噪音已明显高于环境噪音 而越 接近洞口噪音越高 隧道洞体内的噪音更远高于洞外的噪音 即使在没有车辆经 过时 洞内的环境噪音仍在8 0 分贝以上 远高于洞外的环境噪音 而车辆经过时 第二章隧道内路面环境及病害分析 6 洞内噪音可超过9 0 分贝 同时也可以看出 在洞内车辆经过时 噪音的提高幅度 明显低于洞外 但持续的时间却由洞外的2 一5 s 延长到近3 0 s 表明隧道内噪音 不易消减 相对于水泥路面来讲 车辆行驶在沥青路面上时 车内噪音的变化幅 度较小 噪音水平更为平稳 另外在隧道内 混响时间 噪声源发音瞬间的声能衰 减到1 1 0 6 时所需的时间 即衰减6 0 d b 所需的时间 比洞外高的多 在噪声级相 当高的隧道内 震耳欲聋 使司乘人员难以忍受 5 高等级公路的迅速发展 车速 提高和流量增加 使得交通噪声的影响日趋突出 并己成为对环境造成噪声危害 的四大源头之一 据国外资料介绍 城市环境噪声的7 0 是来自交通噪声 为保护 环境 尽可能给人们以安静的生活空间 世界上许多国家都在努力控制噪声 抗滑历来是路面比较重视的方面 隧道路面防滑方面的病害也常常给隧道内 行车带来安全隐患 传统的面层型式难以适应现代交通对路面抗滑性能的要求 我国沥青路面使用最多的是a c i 型沥青混合料 它具有空隙率小 耐久性好的优 点 但高温抗变形性能差 构造深度小 抗滑能力低 尤其是雨天 路面积水来 不及排除而在轮与路面之间形成一层水膜 极易造成滑溜而引发交通事故 这种 现象在刹车减速频繁的交叉路段或高速公路出入口更为严重 同时由于现代交通 具有车速高 车流量大的特点 较大通行能力和车轮荷载 尤其是重载车辆 加速 了沥青路面的磨光和磨耗 使路面的抗滑能力迅速衰减 交通安全问题日益突出 有资料显示 某些地方摆值小于3 0 b p n 的路段占到5 0 在事故路段中 雨天事故 约占4 8 部分路段摩擦仪摆值最小值甚至已达2 6 b p n 说明路面的抗滑性能很差 尤其在隧道入口处 路面抗滑性能低于隧道外 一旦车辆以较高的速度进入隧道 并伴有变换车道 刹车等行为时 就有发生翻车 追尾的可能 6 1 车辆在接近隧道 入口时 一般会减速 而当车辆驶离隧道时 又常常表现出加速过程 由于车辆 在隧道出入口附近不断地加速和减速导致隧道路面的摩擦系数比正常路段要低 这对隧道行车安全造成很大的影响 因此 研究隧道路面的抗滑性能及开发新的 抗滑材料具有重要意义 第三章隧道阻燃沥青路面材料研究 7 第三章隧道阻燃沥青路面材料研究 隧道内路面选择沥青路面进行铺装 主要是看重沥青路面不同水泥混凝土路 面的诸多特性 比如低噪音 低扬尘 平整性好 行车舒适 养护容易等有优点 但是沥青是易于燃烧的 一旦隧道发生火灾引起沥青路面燃烧 其结果是严重的 为了安全地将沥青路面运用到隧道铺装上 必须提高沥青路面的阻燃性 本章提 出了几种阻燃方法 通过分析最终选择简单实用的添加阻燃剂的方法来提高沥青 混合料的阻燃性能 同时制备阻燃沥青混合料来进一步验证 3 1 阻燃方式的选择 l 添加阻燃材料 阻燃材料分为反应型和添加型 前者是在沥青链上接入阻 燃成分 改变沥青的燃烧本质 但沥青的其他路用性能会大大改变 不好控制 后者是阻燃剂机械式的混合到沥青中 通过阻燃机理实现沥青的难燃化 本文拟 采用添加型阻燃剂来提高沥青的阻燃性能 2 尽量减少沥青用量 由于沥青本身具有可燃性 所以在火灾中 沥青含量 越少越安全 但是又不能影响路面性能 对于闭级配路面 按照规范规定 沥青 的饱和度是7 0 8 0 而对于开级配路面 沥青饱和度是6 0 7 5 因而采用开级配 路面能够较好的提高路面的耐火性能 开级配沥青路面主要包括两种 一种沥青 玛蹄脂碎石混合料s m a 一种为多孔开级配抗滑层o g f c 这两种沥青面层都具 有粗糙均匀的表面 不但耐火 而且抗滑性能也很好 因而本文选择这两种路面 进行验证 3 改善路面结构层组合 发生火灾时路面表层是最先接触和反应 持续时间 也最长 路面结构组合对阻燃效果的贡献有限 如果采用改善结构路面结构层组 合来进行阻燃 需要整段路面做为试验段 并要对其受力进行理论上的分析和研 究 对其未来的养护成本也需要一个整体性的评估 从经济性上来说是不合适的 3 2 阻燃剂特性和阻燃机理分析 目前 世界上从高分子制品的阻燃和消烟手段上分 主要有化学改性和物理 改性 前者虽可取得较显著的阻燃和消烟效果 但所需周期较长 技术复杂 难 以广泛推广和应用 而后者周期短 见效快 操作简单 而且原料易得 因此其 第三章隧道阻燃沥青路面材料研究8 发展速度很快 从阻燃剂性能角度分 主要有化学反应型 填料型阻燃剂和膨胀 型三大类 前者的种类较少 而且成本很高 后者由于操作简单 而且效果也很 好 所以目前高分子材料的阻燃剂仍以添加型为主 另外 阻燃剂按其化学成分 又可以分为有机阻燃剂和无机阻燃剂两大类 7 12 1 l 填料型阻燃剂 填料型阻燃剂属于添加型阻燃助剂 多为粉末无机化合物 仍被国内外广泛 应用于聚合物材料的阻燃 常用的品种有氢氧化铝 氢氧化镁 陶土 水合硅酸 镁 碳酸钙等 它们都具有一些优点 1 同时起阻燃和填充作用 2 燃烧时不产 生有毒或腐蚀性气体 3 价格低廉且能抑烟 其缺点是 阻燃效率低 所需填充量 大 至少填充5 0 6 0 以上才能满足阻燃性能的要求 严重影响了被阻燃高分于材 料的物理机械性能和加工性能 氢氧化铝和氢氧化镁的阻燃消烟机理的作用过程如下 1 冷却作用 氢氧化铝和氢氧化镁分解时脱水 吸收大量的热 使体系的温 度降低 从而阻止或延缓燃烧进行 2 a i o h 3 a 1 2 0 3 3 h 2 0 m g o h 2 m g o h 2 0 2 稀释作用 分解时释放的水蒸气可稀释可燃性气体和氧气 3 形成保护层 添加在基体中的a t h 或m h 热分解时形成保护层 将氧气和 燃烧体隔离 同时起到隔热的作用 有两个问题限制了氢氧化物作为阻燃剂在热塑性塑料中应用的增长 一是氢 氧化铝的分解温度相对较低 二是添加的比例较高时才能获得较好的阻燃性能 氢氧化铝和氢氧化镁的粒度足够小 就能与基体达到更好的相容 这就可减少阻 燃剂对基体树脂的物理机械性能的影响 而且其阻燃性能也有差异 以氢氧化铝和氢氧化镁为代表的氢氧化物体系 是目前应用最多 研究较广 的阻燃体系 其研究热点主要集中在三个方面 1 微粒化及表面改性 提高氢氧 化物在聚合物中的填充量 2 寻找高效的协效剂 提高其阻燃性能 3 对氢氧化 物本身的化学改性 1 3 1 除了氢氧化铝和氢氧化镁外 应用于高分子材料的无机添加剂主要是消石灰 滑石粉 高岭土 石膏 碳酸钙等自然界中的矿石粉末 其阻燃机理很简单 一 是稀释可燃物的浓度减慢燃烧过程 促进成碳作用 具有无毒 抑烟等特点 2 化学阻燃剂 化学阻燃剂主要有以下几类 卤素系 磷系 氮系 锑系 硼系和硅系等 既 可以单独使用也可以几种阻燃剂复合使用 形成协效阻燃体系 常用的协效阻燃 体系有 卤 锑 卤 磷 溴 氨 溴一氯 磷 氮 磷 磷 卤 硼 锑 磷等 第三章隧道阻燃沥青路面材料研究 9 1 锑 硅 锡体系 锑类阻燃剂是一种传统的阻燃剂 主要包括s b 2 0 3 s b 2 0 5 以及一些有机锑的 化合物 s b 2 0 3 应用和研究最多 这类阻燃剂属于辅助型阻燃剂 单独使用阻燃效 果不佳 必须与含卤阻燃剂复配使用才能发挥它的阻燃作用 具体的反应过程可 用下式表示 目前s b 2 0 3 的主要发展方向是开发高效的协效剂以及替代产品 尽量降低其 使用量 降低成本 减少燃烧时的发烟量及有毒气体的生成量 一般 硅 锡的化合物常作为消烟剂与其它阻燃剂复配使用 硅的化合物主 要有s i 0 2 h 2 s i 0 3 n n 2 0 等 锡的化合物主要有s n s 0 4 s n 0 2 s n o 以及近年研究 较多的锡酸锌和经基锡酸锌等 相对来说 锡化合物的阻燃消烟性能要明显好于 硅化合物 2 铜 锌体系 大量的研究表明铜的化合物是十分有效的抑烟剂 主要有c u o c u 2 0 c u i c u s 0 4 c u a c a c 2 等 通过大量试验 人们发现铜离子加快了p v c 的热降解和脱 h c l 的速度 促进了分子链更早更快地交联 w h s t a r e sj r 研制了纳米级的铜粉 它呈胶态分布 起到强烈的催化作用 效果很好 锌的化合物主要有z n o z n 2 s i 0 4 硼酸锌 z n c 0 3 等 其中硼酸锌研究较多 应用也较广 是s b 2 0 3 有效的协效剂及替代品 能有效的降低材料燃烧时的发烟 量 硼酸锌主要有以下特点 1 能和基质完全反应 而且脱水温度较高 2 具有 阻燃消烟和抑制余辉的多种功能 3 能提高体系的电性能和机械性能 其主要阻 燃消烟机理如下 在p v c 体系受热时分解 生成一层玻璃化物质 b 2 0 3 覆盖于树脂 表面 隔绝氧气 阻挡热量进入基质 同时有效保护生成的炭层 另外 分解产 生的氧化锌存在于凝聚相中 催化p v c 脱h c l 促进交联炭化 降低发烟量 抑 制燃烧反应的进行 但铜 锌体系的化合物很少单独的用作阻燃剂 一般用作消 烟剂 3 磷 卤系 磷系阻燃剂在室温下多为液态 发烟量大 要求被阻燃结构中含有大量h o 元素才能脱水形成碳化层 因而其应用受到很大限制 卤系阻燃剂主要包括氯和 溴两大类 从使用情况看 含溴阻燃剂使用更加普遍 这主要是由于溴化物热分 解后腐蚀性和毒性相对较小 而且阻燃效果比氯化物好 通常磷酸酷不单独使用 而是与其它阻燃剂复合使用 利用阻燃剂间的协同 作用达到较好的阻燃效果 从世界范围内看 有机阻燃剂与无机阻燃剂复合并用 成为阻燃剂发展的主流 在磷一氮体系中 氮化物通过对磷的亲核性作用 使p v c 表面形成许多p n 键 p n 键具有较大的极性 使磷原子的亲电性增加 有利于 第三章隧道阻燃沥青路面材料研究 l o 使磷化物分解成磷酸并热聚成聚磷酸 进行脱水炭化反应 有利于炭化层的形成 起到了隔氧阻燃作用 含磷化合物早就被人们作为阻燃剂使用 最初发现用含磷阻燃剂处理的材料 燃烧时可生成较多的焦炭 并可减少可燃性挥发物的生成量 且大大降低阻燃材 料的质量损失率 但燃烧时生成的烟量增大 一般认为有机磷系阻燃剂可同时在 凝聚相及气相发挥阻燃作用 但可能以凝聚相为主 凝聚相的阻燃机理是 当含 有磷系阻燃剂的高聚物经受高温被引燃时 磷化合物受热分解生成磷的含氧酸 这类酸多系粘稠状的半固态物质 可在材料的表面形成一层覆盖于焦炭层的液膜 这能降低焦炭层的透气性和保护焦炭层不被进一步氧化 有利于提高材料的阻燃 性 气相阻燃机理主要是 有机磷系阻燃剂热解所形成的气态产物中含有p 0 游离 基 可以捕获h 游离基及o h 游离基 反应式如下 h 3 p 0 4 h p 0 2 p o 其他p o h h p o h p 0 h h 2 p 0 p 0 o h 一h p 0 0 致使火焰中的h 及o h 浓度大为下降 而起到抑制燃烧链式反应的作用 总体上说 虽然有机磷酸酷类阻燃剂具有种类多 与高分子材料相容性好 对材料的力学性能影响不大等优点 但其低温性能较差 且易造成环境污染 在 实际加工过程中发现 含磷阻燃剂也有释放气体多 耐热性较差 容易迁移等一 系列问题有待解决 因此其发展速度远不如无机类添加剂快 开发低毒或无毒 持久 价廉且热稳定性好和发烟量少的磷酸酯类阻燃剂将是有机磷系阻燃剂的发 展方向之一 4 卤一锑系阻燃体系 卤系仍占主导地位 八十年代以来 卤素和卤一锑系阻燃剂统治整个阻燃剂 市场 如十溴联苯醚 四溴双酚a 氯化石蜡和s b 2 0 3 等 其中溴系阻燃剂无论是 品种和用量都是目前世界上使用最多的有机阻燃剂之一 溴系阻燃剂阻燃效率高 添加量相对较少不会严重恶化基材的物理机械性能及电性能 品种多 性能价格 比高 来源充足都是其得到广泛使用的原因 卤系阻燃剂与s b 2 0 3 复合的阻燃体系 主要是在气相发挥作用 因为溴系阻 燃剂受热分解生成的h b r 能与高活性自由基 如h o h 以及o 反应 生成 活性较低的溴自由基 致使燃烧减缓或终止 此外密度较大的h b r 气体还能稀释 空气中的氧气和覆盖于材料表面 致使材料的燃烧速率降低或自熄 当溴系阻燃 剂与氧化锑并用时具有明显的协同效应 使其阻燃性能可大幅度的提高 当s b 2 0 3 和四溴双酚a 以一定的比例加入到聚合物中后 阻燃效果较好 l o i 可达到2 8 这是由于卤 锑之间的协同效应 s b 2 0 3 和卤素反应生成的锑卤化物挥发使气相中 自由基反应停止 并有隔绝氧气的作用 第三章隧道阻燃沥青路面材料研究 1 1 3 膨胀型阻燃剂 膨胀型阻燃剂 i f r 一般是以p n c 元素为核心成分的复合阻燃剂 通常由碳 源 成碳剂 酸源 脱水剂 和气源 膨胀剂 三部分组成 燃烧时 各组分间发生化 学反应生成多孔膨胀炭层 该炭层能起到隔热 隔氧 抑烟和防熔滴作用 从而 达到阻燃的目的 但膨胀型阻燃剂必须与被阻燃的聚合物相匹配才能发挥好的阻 燃效果 膨胀型阻燃剂在受热时 成碳剂在脱水剂作用下脱水成炭 碳化物在膨胀剂 分解的气体作用下形成蓬松发孔封闭结构的炭层 该炭层为无定形碳结构 一旦 形成 其本身不燃 并可阻止聚合物与热源问的热传导 降低聚合物的热解温度 另外 多孔炭层可以阻止气体扩散 当燃烧得不到足够的氧气和热能时 燃烧的 聚合物便会自熄 炭层的形成过程是 在较低的温度下酸源释放出无机酸 在稍高于释放酸的温度下 发生酷化反应 体系中的胺可以作为酷化反应的催化 剂 体系在酯化前和酯化过程中融化 反应产生的水蒸气和由气源产生的不 燃性气体使熔融体系发泡 与此同时 多元醇磷酸酯脱水炭化 形成无机物及炭 残留物 且体系进一步膨胀发泡 体系胶化和固化 反应完成 形成多孔泡沫 炭层 上述各步反应几乎同时发生 但又须按严格的顺序进行 即首先酸源分解产 生酸 其次须与多元醇反应 含氮化合物加速此反应 接着生产的酯必须开始脱 水成炭 同时放出气体 如果其中任何一个反应不能适时进行就不能发泡 高聚物的燃烧在时间上可分为5 个阶段 引燃 火焰传播 燃烧 生烟 及 自熄 这5 个阶段在空间上也是可以分开的 干扰支持燃烧的三要素 热 可燃 物 氧 中之一 都可中断燃烧 根据影响燃烧的主要区域 阻燃机理可分为凝 聚相阻燃及气相阻燃 前者主要是有助于材料炭化 后者则主要是减缓火焰中的 链式氧化反应 气相阻燃和凝聚相阻燃长期以来就被公认为两种主要的阻燃模式 实际上 在很多情况下 阻燃的实现往往是几种阻燃模式同时作用的结果 而很 难将其归于某个单一阻燃机理的功效 阻燃是一个很复杂的过程 凝聚相阻燃与 气相阻燃也是不可截然分开的 凝聚相阻燃剂一方面可通过减少挥发性热降解产 物的量改变可燃物质的反应平衡 另一方面可由于材料在高温裂解和热降解形成 气体使材料流变性变化而可在燃烧边界形成导热性很低的炭层 因此 凝聚相中 的阻燃剂会直接影响气相中的燃烧过程 气相阻燃剂既可降低聚合物的气化程度 和抑制聚合物降解产物的燃烧 也可由于增加炭层的生成量而降低火焰的释热量 和增加辐射热损失 第三章隧道阻燃沥青路面材料研究 1 2 图3 1高聚物材料燃烧单元模型 f i 9 3 l t h ec o m b u s t i o nm o d e lo fh i g hp o l y m e r 热损失 1 气相阻燃机理 气相阻燃是指在气相中进行的阻燃作用 即在气相中中断或延缓可燃气体的 燃烧反应 其过程是 阻燃剂受热 产生能影响火焰形成或增长的自由基的活性气 体化合物 产生细微烟粒子 能对燃烧中活性自由基的结合和终止起催化作用 阻 燃剂受热能释放出大量惰性气体 稀释空气中的氧和聚合物分解生成的可燃性产 物 降低可燃气体的温度 延缓或终止燃烧 阻燃剂受热放出的高密度蒸气覆盖 在燃烧物的表面上 隔绝可燃气体与空气中氧的接触 从而使燃烧窒息 2 凝聚相阻燃机理 它是指在凝聚相中延缓或中断固态物质产生可燃气体的分解反应或凝聚相表 第三章隧道阻燃沥青路面材料研究 1 3 面的燃烧反应 1 阻燃剂在固相中延缓或阻止聚合物的热分解 2 在被阻燃物 中加入大量无机填料 此类物质热容较大 既可以蓄热 又可导热 因而使被阻 燃物不易达到热分解温度 3 阻燃剂吸热分解 阻止被阻燃物温度升高 4 聚 合物燃烧时在表面生成很厚的多孔炭层 起到隔热 隔氧作用 致使燃烧中断 3 3 阻燃沥青的制备研究 3 3 1 原材料 1 基质沥青 基质沥青采用重交通沥青a h 一7 0 和s k 7 0 分别由中海油和韩国s k 公司生产 2 改性剂 采用热塑性弹性体进行沥青改性 主要是苯乙烯类嵌段共聚物s b s 苯乙烯一 丁二烯 嵌段比为3 0 7 0 线形结构 c h 一c h c h n 一 c h 一c h c h c h n 一 c h c h 一c h n 3 阻燃剂 阻燃剂选用自配的复合阻燃剂 主要成分是联苯氧化物 氢氧化镁 氢氧化 铝 三芳基磷酸酯 密胺磷酸盐 三聚氰胺 硼酸锌 三氧化二锑 偶联剂和调 和剂 阻燃剂的性质本文这里不作研究 4 高速剪切乳化机 上海机电制造有限公司 y g s l 3 氧指数仪 常州第二纺 织机械厂 3 3 2 阻燃改性沥青的制备流程 本文拟采用一种自配阻燃剂 其主要成分是十溴联苯醚 三氧化二锑 氢氧 化镁 氢氧化铝 偶联剂 调和剂等 对于每种阻燃剂的特性本文不作研究 只 对其复合后的阻燃性质作研究分析 制备流程如下 1 首先将称定重量的重交通道路石油沥青熔融 并保持在8 0 左右 2 加入添加剂t 将十溴联苯醚 三氧化二锑 氢氧化镁 氢氧化铝 偶联剂 和调和剂加入到熔融的沥青中 加入的同时并搅拌使各组份混合均匀 3 加入改性剂 然后加入改性剂和矿粉 升温到1 5 0 1 8 3 搅拌混合5 1 0m i n 后 用高速剪切机在1 5 0 0r m i n 下剪切1 0 2 0 分钟 使改性剂充分融胀 再继续在5 0 0 0r m i n 下高速剪切3 0 m i n 改性剂在剪切作用下逐渐变细 最终 以细小颗粒均匀分布于沥青中 最后得到路用阻燃改性沥青 上述路用阻燃沥青组分中 十溴联苯醚 三氧化二锑是阻燃剂 氢氧化镁和 第三章隧道阻燃沥青路面材料研究1 4 氢氧化铝起阻燃抑烟作用 两者同时使用比单独使用其一效果好 当两者重量比 为1 1 时阻燃抑烟效果最好 偶联剂选用钛酸酯类 可以使氢氧化镁和氢氧化铝更 好的分散在体系中 改性剂选用s b s 调和剂可以改善阻燃沥青的针入度 软化点 等指标 1 4 18 1 图3 2 阻燃改性沥青制备流程图 f i 9 3 2 t h ef l o wo f f l a m er e t a r d a n t sa n ds b sm o d i f i e da s p h a l ta r ep r e p a r e d 第三章隧道阻燃沥青路面材料研究 1 5 3 3 3 阻燃改性沥青的指标测试 对制备的阻燃改性沥青按照 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 0 进行软化点 延度 针入度 高温稳定性 低温抗裂性和老化性 能进行试验 按g b 2 4 0 6 1 9 9 3 对沥青氧指数进行评价 其测试指标如下 表3 1s b s 改性沥青和复合阻燃改性沥青性能比较 阻燃剂复合 技术指标 s b s 改性沥青试验标准 改性沥青 1 5 针入度 0 i m m3 0 62 6 5t 0 6 0 4 2 0 0 0 2 5 c 针入度 o 1 m m 5 6 54 2 4t 0 6 0 4 2 0 0 0 软化点 8 6 2 9 0 0 t 0 6 0 6 2 0 0 0 氧指数1 93 2 氧指数 g b 2 4 0 6 19 9 3 延度 5 m i l l 5 33 2 1t 0 6 0 5 1 9 9 3 2 5 弹性恢复 8 7 28 8 ot 0 6 6 2 2 0 0 0 质量损失 o 1 20 0 8 测试数据表明 s b s 改性沥青与阻燃改性沥青的高温性能 低温性能 感温性 能和老化性能相差不大 而与s b s 改性沥青相比 阻燃改性沥青极限氧指数有明显 提高 其他性能指标变化不大 且都满足性能要求 s b s 改性沥青的氧指数为1 9 说明s b s 改性沥青在空气中具有可燃性 而阻燃改性沥青的氧指数大于2 7 说明这 种阻燃改性沥青在空气中难燃 具有良好阻燃效果 3 4 阻燃剂对改性沥青基本指标的影响 3 4 1 阻燃剂对沥青软化点的影响 复合阻燃剂的不同用量对阻燃改性沥青的软化点有一定影响 随着复合阻燃 剂用量的增加 软化点先上升而后下降 阻燃剂使得改性沥青的软化点大幅增加 可以认为可能是因为复合阻燃剂中的一些成分与s b s 和沥青发生了轻度交联并形 成空间网状结构 使改性沥青的软化点升高 并提高了沥青相与s b s 的相容稳定性 当阻燃剂的添加量超过一定范围以后 阻燃剂在沥青与s b s 的网状结构中相容趋于 饱和 粉末不能完全分散于沥青中而出现团聚 导致耐热性能下降 软化点降低 这里我们选择阻燃剂含量1 0 左右作为最终含量 其实测的软化点如表 第三章 隧道阻燃沥青路面材料研究 1 6 表3 2 复合阻燃剂用量与沥青软化点之间的关系 t a b l e 3 2t h er e l a t i o no fm u l t i p l e xf l a m er e t a r d a n tw i t ht h es o f tp o i n to ft a m er e t a r d a n ta n d 复合阻燃剂用量 o 2 4681 01 21 41 6 软化点 8 0 1 8 2 3 8 4 38 6 18 8 09 0 08 4 6 8 3 4 8 2 9 p v 皋 餐 黪黔 溺 黪 溺 够0 一绷 瑟j 斓 藏鼻 渊 黪毫 绷 鼢 瀚 镧 缀o 瀚 024681 01 21 41 6 复合阻燃剂用量 图3 3 复合阻燃剂用量与沥青软化点之间的关系 f i 9 3 3 t h er e l a t i o no fm u l t i p l e xf l a m er e t a r d a n tw i t ht h es o f tp o i n to ff l a m er e t a r d a n ta n d m o d i f i e da s p h a l t 3 4 2 阻燃剂对沥青延度的影响 延度是表示沥青抗张性的物理量 延度试验反映了沥青材料的柔韧性能和沥青 路面抗开裂能力 是研究沥青低温抗裂性能的一个重要指标 从测试结果可以看 出 随着阻燃剂用量的增加 改性沥青的延度呈下降的趋势 这是因为阻燃剂与 图3 4 复合阻燃剂与阻燃改性沥青的延度 5 的关系 f i 9 3 4t h er e l a t i o no f m u l t i p l e xf l a m er e t a r d a n tw i t ht h ed u c t i l i t yo fa s p h a l t 改性沥青之间只是物理意义上的共混过程 界面张力很大 很容易由于缺陷而应 力集中发生断裂 但是延度的变化在允许范围之内 明踮跗跎 他伯m他加鹋 第三章隧道阻燃沥青路面材料研究1 7 3 4 3 阻燃剂对沥青针入度的影响 针入度是表示沥青粘度的物理量 反映了沥青在一定荷载作用下的变形能力 一般针入度越小 沥青的稠度越大 变形能力越差 下图是根据试验测得的复合阻燃剂对针入度的影响 随着阻燃剂掺量的加大 针入度逐渐减小 但是变化不明显 6 0 5 0 垦4 0 o 3 0 瑙 一 9 9 5 符合g b 3 8 6 3 及g b 3 8 6 4 标准要求 计时器用秒表精度0 2 s 点火器材统一采用内径为2 r a m l m m 第三章隧道阻燃沥青路面材料研究 1 8 的管子通以液化石油气 该液化石油气的技术要求符合g b l l l 7 4 8 9 的要求 试 验参照高聚物测试方法进行 其试验结果如下 表3 3 复合阻燃剂用量对氧指数的影响 复合阻燃剂用量g 氧指数 62 6 2 82 7 9 1 02 8 9 1 23 2 1 43 3 6 氧指数高 说明材料燃烧需氧量大 难燃 反之则易燃 一般认为l o i 在2 0 2 7 为可燃 小于2 0 为易燃 大于2 7 为难燃 日本j i s k 7 2 0 1 则把大于 3 0 2 7 3 0 2 4 2 7 2 1 2 4 和小于2 1 分为难燃1 级 5 级标 准 综合考虑各方面的要求 可以