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李 捷1，吴 鹏2 （1Ʊ开封市建设工程质量检测站，河南开封 475000；2Ʊ河南开大工程管理有限公司，河南开封 475000） 摘 要：为了研究贫氧条件下阻燃沥青燃烧时的热重行为，通过试验绘制了阻燃沥青在不同氧气浓度和升温速率下的热解反应特征曲线，研究两者对阻燃沥青热重行为的影响。试验结果显示：有氧条件下，阻燃沥青燃烧时存在2个失重阶段，分别发生在350℃～600℃之间和600℃之后；阻燃沥青燃烧率随升温速率的增大大幅提高；随着升温速率的增大，TG曲线和DSC曲线逐渐向右偏移，出现明显的燃烧滞后现象。 关键词：道路工程；阻燃沥青；氧气浓度；升温速率 0 引 言沥青路面由于良好的舒适性、抗滑性和降噪性能，在长大隧道中的应用越来越广泛［1⁃3］，但同时沥青材料的火灾安全性也在考验着道路工作者。氧气作为物质燃烧的三大要素之一，其在燃烧气氛中的含量直接影响着沥青材料的燃烧特性［4⁃6］。由于隧道沥青路面处于一个管束状封闭结构中［7⁃9］，当火灾发生时，随着沥青材料的燃烧，隧道内部氧气含量急速降低，同时沥青燃烧热解产生的挥发性气体与浮力引发的气流相混合，产生较大的浓度梯度，阻碍了外界氧气的补给。随着燃烧的继续进行，隧道内部温度急剧升高，加之氧气浓度的改变，沥青的着火温度、燃烧速率以及燃烧时释放的热量均发生改变［10⁃12］。阻燃沥青材料虽然从组成方面很好地改善了沥青的燃烧特性，然而外界因素的改变也直接影响着沥青的燃烧特性。在隧道火灾发生或形成的过程中，贫氧燃烧是沥青材料面对的主要状态［13］。因此，研究贫氧条件下沥青材料的热解燃烧特性，对分析阻燃沥青材料燃烧时的物理化学状态具有重要意义。基于此，本文通过试验研究不同氧气浓度和升温速率下阻燃沥青燃烧的热重行为，为进一步优化阻燃材料组成和预防隧道火灾的发生提供参考。 1 试 验1．1 原材料 沥青选用AS70＃基质沥青，其主要技术指标如表1所示。阻燃剂选用济南泰星精细化工有限公司生产的氢氧化铝粉末，目数为320目。 1．2 阻燃沥青制备 将基质沥青加热至165℃后，加入20%的氢氧化铝粉末，以3 000 r·min－1的转速搅拌30 min即可制得阻燃沥青。 1．3 试验方法 采用美国TA公司生产的SDT⁃O600热分析仪分析贫氧条件下阻燃沥青的热重行为。 表1 基质沥青的技术指标  试验项目针入度（25℃，100 g，5 s）／0．1mm软化点／℃延度（5 cm·min－1，15℃）／cm闪点／℃RTFOT后质量损失／%实测值62．5 46．5＞150 286．0 0．45技术标准60．0～80．0≥46．0＞150≥260．0 ±0．8 2 试验结果及分析2．1 氧气浓度对阻燃沥青热重行为的影响 氧气浓度分别选用0、10%、14%、18%和21%，以10℃·min－1的速率将阻燃沥青试样从室温加热至900℃，并绘制阻燃沥青的热解反应特征曲线，试验结果如图1～3所示。  图1 不同氧气浓度下阻燃沥青失重曲线  图2 不同氧气浓度下阻燃沥青的微商热重曲线  图3 不同氧气浓度下阻燃沥青的释热曲线 从图1可以看出，当氧气浓度大于0时，随着温度的升高，阻燃沥青存在2个失重阶段：第1个失重阶段主要发生在350℃～600℃之间，此阶段随着温度的升高，阻燃沥青中的芳香分、饱和分等轻质组分逐渐析出，阻燃沥青残余质量逐渐下降；第2个失重阶段主要发生在600℃之后，此阶段由于温度的急剧升高，沥青中的胶质和芳香分发生热聚反应生成重组组分，且重组组分和沥青质持续燃烧，再次造成阻燃沥青残余质量的急剧降低。相同条件下，随着氧气浓度的降低，阻燃沥青第1阶段的失重比例逐渐增加，例如当氧气浓度由21%降低至10%和0时，沥青第1阶段的失重比例分别从59Ʊ2%增大至72Ʊ5%和82Ʊ1%；当氧气浓度较低时，大量的轻质组分直接发生热解析出，并未发生交联反应生成较为稳定的沥青质类物质；当氧气浓度接近0时，沥青第2阶段的失重基本消失，仅存在第1阶段的失重。随着氧气浓度的降低，沥青第1阶段的热重曲线向右偏移，初始燃烧温度升高，如氧气浓度为21%（空气氧含量）时，沥青发生第1阶段失重的反应温度约为320℃～540℃，而氧气浓度降为0时，沥青发生第1阶段失重的反应温度升高至380℃～600℃，表明在低氧气浓度下，阻燃沥青发生非氧化热解反应的起始温度低于氧化热解温度。 从图2可以看出，随着氧气浓度的降低，阻燃沥青第1阶段最大失重速率逐渐增大。氧气浓度为0时的最大失重速率为－13．5%·min－1，而氧气浓度增大至10%和21%时，最大失重速率分别为－12．5% ·min－1和－9%·min－1。其原因主要为：氧气浓度越低，沥青分子发生热氧交联的可能越小，分子中更多的链段发生断裂，小分子析出加剧，失重速率增大。第2阶段燃烧的最大失重速率随氧气浓度的变化规律与第1节阶段相反，这是因为在高氧气浓度下，更多的芳香族化合物发生交联反应，生成更多较为稳定的沥青质类物质。 从图3可以看出，有氧条件下，阻燃沥青燃烧时将释放出大量的热，但阻燃沥青在燃烧的第1阶段释放的热量较少。这是因为此阶段的燃烧主要以沥青中轻质组分的热分解为主。燃烧的第2阶段，阻燃沥青释放的热量显著增多并出现最大释热峰值，这是因为此阶段沥青中的沥青质、胶质等重组分发生燃烧，使热释放量急剧增大。 2．2 升温速率对阻燃沥青热重行为的影响 将阻燃沥青试样在氧气浓度为0、10%和21%时，分别以10、30、50℃·min－1的速率将其由室温升温至900℃，研究升温速率对阻燃沥青燃烧过程中热重行为的影响，结果如图4～6所示。 从图4可以看出，各氧气浓度下，随着升温速率的增大，失重曲线逐渐右移，阻燃沥青燃烧的初始温度逐渐升高。其原因主要是：沥青内部温度和环境的升温速率不一致，升温速率越高，沥青内部温度滞后环境温度的程度越严重，沥青内部物质的热分解程度越低，从而影响了阻燃沥青的燃烧初始温度。相同条件下，随着升温速率的增大沥青燃烧第1阶段的失重比例逐渐增大，这是因为升温速率越大，沥青结构受到的热冲击越严重，造成沥青分子内更多聚合键的断裂，产生大量自由基碎片并析出烃类化合物，重质组分损失越多，因此失重比例增大。 从图5可以看出，不同氧气浓度下，阻燃沥青燃烧的DTG曲线随升温速率的增大逐渐右移。同时，  图4 不同升温速率下阻燃沥青热解燃烧失重曲线 DTG曲线的峰值随升温速率的增大急剧增大，例如当氧气浓度为21%，升温速率由10℃·min－1增大至30℃·min－1和50℃·min－1时，DTG曲线峰值由7．5%·min－1增大至25Ʊ1%·min－1和55Ʊ2% ·min－1，分别增大了2．35倍和6．36倍，表明随着升温速率的增大，阻燃沥青的燃烧速度逐渐提高。分析原因为：升温速率越大，沥青中轻质组分的热解速度越快，燃烧区域氧气浓度越低，产生的局部贫氧区越多，因此参与非氧化热解的沥青数量越多；而条件相同时，沥青非氧化热解的失重速度明显快于氧化热解，因此沥青燃烧的DTG峰值随升温速率的增大而增大。  图5 不同升温速率下阻燃沥青热解燃烧的微商热重曲线 图6 为升温速率不同时阻燃沥青热解燃烧的DSC曲线，DSC曲线反映了沥青沥青燃烧过程中的热释放特性。当升温速率相同时，随着氧气浓度的增大，阻燃沥青燃烧的DSC值逐渐增大；这是因为随着氧气浓度的增大，沥青燃烧时的非氧化热解减少，放热的氧化热解逐渐增多，燃烧过程中的吸热速率显著减小，而释热速率显著增大，因此DSC值逐渐增大。当氧气浓度相同时，不同升温速率下DSC曲线的放热量差异不大，且随着升温速率的增大，DSC曲线逐渐向右偏移，表现出燃烧的滞后性。  图6 不同升温速率下阻燃沥青热解燃烧的DSC曲线 3 结 语（1）阻燃沥青发生有氧燃烧时存在2个失重阶段，第1个失重阶段发生在350℃～600℃之间，而第2个失重阶段发生在600℃之后；无氧条件下阻燃沥青第2阶段的失重基本消失，仅存在第1阶段的失重。 （2）相同条件下，随着氧气浓度的降低，阻燃沥青燃烧时第1阶段的失重比例逐渐增大，并出现失重滞后现象，第2阶段的失重比例随氧气浓度的降低而减小。 （3）当氧气浓度相同时，随着升温速率的增大，阻燃沥青燃烧速率大幅提高，且沥青燃烧的失重曲线和放热曲线逐渐向右偏移；阻燃沥青燃烧时第1个失重阶段的失重比例随升温速率的增大逐渐增加。 参考文献： ［1］ 杨学良，杨 良，杨 群，等．隧道路面表面抗滑性能的调查与分析［J］．公路，2003（12）：136⁃140． ［2］ 欧育湘．国外阻燃剂发展动态及对发展我国阻燃剂工业之浅见［J］．精细与专用化学品，2003，2（3）：1⁃5． ［3］ 何立平，申爱琴，梁军林，等．阻燃沥青及沥青混合料的阻燃性能及路用性能［J］．公路交通科技，2013，30（12）：15⁃22． ［4］ 黄亚东，朱 凯，吴 珂，等．基于氢氧化镁的沥青阻燃机理研究［J］．消防科学与技术，2013，32（11）：1263⁃1266． ［5］ 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results show that there are two weight loss stages during the combustion of flame retardant asphalt，which occur when the temperature is between 350℃and 600℃and higher than 600℃；the burning rate of flame retardant asphalt increases greatly with the increase of heating rate；when the heating rate becomes higher，the TG curve and the DSC curve gradually shift to the right，and the obvious combustion hysteresis appears． Key words：road engineering；flame⁃retardant asphalt；oxygen concentration；heating rate 中图分类号：U414．03 |
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