隧道沥青砼路面阻燃剂种类及阻燃机理研究综述

(重庆交通大学 重庆 400074)

隧道沥青砼路面阻燃剂种类及阻燃机理研究综述

马青

(重庆交通大学重庆400074)

公路隧道内采用沥青砼路面结构形式具有噪声低、抗滑性好、易养护和平整性等优点。但是沥青是一种易燃材料，因而一旦发生火灾，再加上隧道特殊位置和空间局限性的影响，必然会使燃烧更剧烈，沥青在汽油的助燃下会产生大量的有毒气体和黑烟，后果将不堪设想。因此提出针对隧道路面沥青混合料阻燃剂种类和阻燃特性及机理的研究综述，具有重要意义。

隧道；沥青砼路面；阻燃剂；阻燃机理；综述

引言

近年来，我国新建公路隧道大多采用沥青砼路面，而由于隧道空间封闭、狭窄，沥青易燃的特点，火灾频发。阻燃沥青路面阻燃首先以沥青中加入有机溴化阻燃剂等技术路线，其次是采取通过OGFC结构技术的燃料，实现毛孔粗大退路阻燃沥青。使用阻燃沥青矿物纤维成沥青混合料的方法，涂覆有硼砂，钠硅酸盐作为含有阻燃剂沥青膨胀颗粒的主要成分的矿物颗粒表面后早期的研究，都是阻燃沥青更多的发展研究方向。

一、阻燃剂

(一)沥青阻燃剂研究进展。在20世纪50年代，针对沥青防水材料的防火安全要求，比如在沥青中掺入难燃矿物纤维，以减少沥青中可燃物的比重，使沥青受热流淌起到一定的阻碍作用，但阻燃效果较差。20世纪60年代末，母鹿释放阻燃沥青硅酸钠，硼砂作为含膨胀的主要成分发泡粒子。这在防火阻燃沥青，膨胀颗粒以形成多孔物质会发生热膨胀，并且因此可以吸收沥青，以防止火焰传播因子的流动所造成的熔融沥青。

2001年，重庆交通科研设计院陈辉强、陈仕周等将SBS改性沥青使用有机卤系阻燃剂和复合系统，成功应用于重庆西山坪北碚隧道沥青路面工程，并在日本、德国等有关国外隧道中的改性沥青路面的有关规定，首次提出对阻燃沥青工程技术隧道方面的要求，但制备的阻燃SBS改性沥青极限氧指数不高，仅为23%。

(二)常见沥青阻燃剂的种类

(1)填料型阻燃剂。填料型阻燃剂是添加型阻燃助剂的一种，经常使用的类型有氢氧化铝(ATH)、氢氧化镁(MH)、陶土、碳酸钙等。阻燃机理是能够使可燃物的浓度降低，延长燃烧，促进成碳作用。

(2)化学阻燃剂。常用的化学阻燃剂主要有以下几类:锑系、磷系、卤素系、氮系、硼系和硅系等。单独使用或几种阻燃剂复合使用都可以，形成协效阻燃体系。锑基阻燃剂辅助阻燃剂，含卤素阻燃剂与混合使用，以发挥其阻燃作用。通常是硅，锡化合物作为防烟剂等阻燃剂是复合的使用，但锡化合物的烟雾和阻燃性能为比硅化合物显著更好。卤阻燃剂包括氯和溴两大类。更一般地，使用溴化阻燃剂，其原因是溴化腐蚀性和有毒性在热分解后比较小并且阻燃效果与氯化物而言也会有提高。磷系阻燃剂是室温下为液体的更多，烟量大，高温可能释放出有毒气体，所以其应用受到很大限制。溴化阻燃剂效率高，相对小的添加量，而不是在衬底和电性质的物理和机械性能的严重恶化。溴化阻燃剂是目前使用的是世界上最大的有机阻燃剂之一。有十溴二苯醚，四溴双酚三氧化二锑石蜡等。

(3)膨胀型阻燃剂。膨胀型阻燃剂(IFR)是以磷、氮为主要成分的无卤阻燃剂。膨胀型阻燃剂主要是由碳化，碳化的催化剂，广阔的三部分组成。多磷酸铵(APP)中的碳化的催化剂是常用的。当膨胀剂受热时会放出惰性气体的化合物，主要由胺类和酞胺类这两种物质构成。

(4)纳米阻燃剂。纳米型阻燃剂是由1nm～100nm的颗粒，多层膜或纤维的超微粒凝聚而形成。量子尺寸效应和表面效应的纳米颗粒本身具有一定的作用，以提高界面改变无机和聚合物基体的相容性，从而提高阻燃性。阻燃型中纳米复合材料可以解决含卤素阻燃剂而引起的“二次灾害”，还能够因纳米效应而使材料具有更优异的力学性能、热性能及电性能等。

二、沥青的阻燃机理

聚合物的燃烧过程受其本身性质的影响，通风、引燃源等外界因素也会对此起到一定的制约作用。聚合物的燃烧是循环往复的过程：聚合物吸热分解释放出易燃物质，易燃物质和氧发生燃烧反应并释放热量，热量促进原聚合物继续分解，因此产生循环。阻燃体系的作用机理有以下3种。

(一)气相阻燃机理。气相阻燃的机理是根据阻燃剂受热时产生的气体这一现象来抑制燃烧反应。气相阻燃的主要类型有3种：阻燃剂受热分解产生细微烟粒子和气体化合物，因此抑制了活性基的接触；阻燃剂受热放出大量惰性气体，以此来降低可燃物与氧气的接触面积，而降低燃烧速度；阻燃剂受热产生高密度蒸汽，使可燃气体与氧气隔离，从而中断燃烧。

(二)凝聚相阻燃机理。凝聚相阻燃是通过降低固态物质温度的方式，抑制或防止易燃物质聚合物表面燃烧反应的分解。凝聚相阻燃含有 3 种形式：其一在被阻燃物中添加可以导热和蓄热的无机填料，用来降低被阻燃物的温度，因此使其难以分解；其二阻燃剂分解时吸收燃烧的热量，消耗热源；最后一种形式是在聚合物表面设较宽的孔炭层，隔绝热源和氧气，从而中断聚合物的燃烧。

(三)中断热交换机理。中断热交换指的是中断可燃物质燃烧释放热量和聚合物分解吸收热量的交换过程。在聚合物分解、可燃物燃烧加剧时，熔融滴落等物理过程会转移掉大量的燃烧热，从而使热源减少，这样原聚合物吸收的热量就无法达到其分解温度，也就无法为燃烧提供燃料，最终使燃烧终止。

三、沥青路面阻燃剂存在的问题

(1)不能构建阻燃性能评价指标体系。

(2)抑烟性能不足。

(3)不满足环保要求。

(4)阻燃效果有待加强。

四、沥青阻燃剂的研究展望

低碳环保型必然是未来阻燃剂发展的方向，其中纳米复合材料是阻燃剂发展的一种趋势。纳米阻燃剂采用本身所有的粒径尺寸效应和比表面积来扩大界面影响了聚合物和无机物的相容性。APP-聚磷酸铵是最近发展起来的无机阻燃剂。IFR-膨胀型阻燃剂在受热时形成碳质泡沫层造成隔绝氧气和抑制烟雾的效果。阻燃剂在受到热时发生分解反应吸收热量并产生汽化热组织沥青分解的发生。这种产生的 ATH 为含结晶水的物质吸收大量的热时阻止燃烧的目的生效。

目前认为安全的阻燃材料，金属氢氧化物和氮系阻燃剂中不产生有毒和腐蚀性气体，被称为环境友好的阻燃剂，但大剂量或低功效的，因为没有得到很好的应用，已经引起了工业的研究人员的注意，由表面变质，超微细加工，微胶囊化，接枝技术，提高了阻燃效果。

五、总结

我国目前市场上的隧道路面阻燃剂大多还是水平低、效能差、毒性较高的产品，实际应用中阻燃效果并不突出，而且新型绿色环保低碳阻燃剂的研发还处在起步阶段。与此同时，对阻燃剂的选择也会按照路面材料的使用特点更加偏向于原料丰富、成本低廉以及施工工法的简便，不影响沥青及其混合料的路面使用性能的发挥，这也将成为未来隧道沥青路面阻燃剂研究的主要方向。

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