基于瀝青多組分燃燒特性的鈣基納米復(fù)合阻燃體系研究.pdf

1、伴隨著瀝青路面在長(zhǎng)大隧道的大規(guī)模應(yīng)用，瀝青材料的火災(zāi)安全性被國(guó)內(nèi)外學(xué)者所廣泛關(guān)注。利用阻燃劑提升瀝青的阻燃抑煙性能是解決這一問題的主流技術(shù)手段。目前，阻燃劑的發(fā)展趨勢(shì)是無毒、抑煙、高效、復(fù)配化。因此，研究瀝青的熱解燃燒特性，并結(jié)合阻燃劑的發(fā)展趨勢(shì)，開發(fā)一種阻燃與路用性能俱佳的高性價(jià)比無機(jī)復(fù)合阻燃體系，無疑具有重要的意義和價(jià)值。
　　本研究采用熱重-差熱-紅外光譜聯(lián)用、錐形量熱儀等測(cè)試分析手段，結(jié)合熱分析動(dòng)力學(xué)方法，研究瀝青多組分的

2、熱解燃燒特性及動(dòng)力學(xué)特征，分析氧濃度對(duì)瀝青熱解燃燒特性及煙氣釋放規(guī)律的影響;同時(shí)，探索微米級(jí)氫氧化鈣(HL)和納米蒙脫土(MMT)的阻燃抑煙作用及機(jī)理，并分析二者與氫氧化鋁(ATH)的協(xié)同阻燃作用;最后，提出一種新型的HL/ATH/MMT復(fù)合瀝青阻燃體系(HAM)，并對(duì)HAM的阻燃抑煙性能與路用性能進(jìn)行研究。得到的主要結(jié)論如下:
　　1.瀝青四組分的熱解均呈明顯的單峰特征，且各組分間熱解的相互影響較弱。其中，飽和分、芳香分和膠質(zhì)均

3、為氣化擴(kuò)散機(jī)理控制，而飽和分的初始熱解溫度最低、失重速率最大、殘余質(zhì)量最小，是決定瀝青點(diǎn)燃特性的關(guān)鍵。瀝青燃燒具有兩階段特征，其中飽和分和瀝青質(zhì)分別主要在第一和第二階段發(fā)生反應(yīng)，而芳香分和膠質(zhì)在瀝青燃燒兩階段中的失重占比均較大，抑制芳香分和膠質(zhì)的燃燒對(duì)控制瀝青燃燒過程和煙氣釋放極為關(guān)鍵。
　　2.隧道火災(zāi)中燃燒通常在貧氧環(huán)境下進(jìn)行，隨著氧氣濃度的降低，瀝青非氧化熱解比例增加，燃燒的熱釋放速率明顯下降;燃燒第一階段的活化能增加，反應(yīng)

4、出現(xiàn)滯后，甲烷、醛類、烯烴類、芳香族化合物等有機(jī)揮發(fā)分相對(duì)析出量增加;而第二階段燃燒強(qiáng)度明顯降低，CO2、CO等燃燒產(chǎn)物的析出量減少，殘?jiān)吭黾?。此外，隨著升溫速率的增加，瀝青的燃燒速度同步提高，燃燒出現(xiàn)滯后，第一階段失重比例增加，燃燒不完全程度增加。
　　3.氫氧化鈣(HL)在氧指數(shù)和熱釋放速率等指標(biāo)表現(xiàn)出與氫氧化鎂(MH)相當(dāng)?shù)淖枞甲饔?，但抑制總發(fā)煙量和CO產(chǎn)率的效果更佳。與MH以氣相阻燃作用為主不同，HL主要起凝聚相阻燃作用

5、，一方面可以抑制飽和分等輕質(zhì)組分的熱解析出，另一方面在瀝青燃燒過程中HL會(huì)發(fā)生并行的脫水和碳酸化反應(yīng)，碳酸化反應(yīng)生成的CaCO3可促進(jìn)瀝青表面形成致密的惰性層，促進(jìn)芳香分和膠質(zhì)發(fā)生交聯(lián)與稠環(huán)化，從而抑制瀝青的燃燒與煙氣釋放。同時(shí)，由于HL和氫氧化鋁(ATH)具有不同的阻燃機(jī)理和阻燃作用溫區(qū)，兩者復(fù)配可展現(xiàn)出較好的協(xié)同阻燃作用。
　　4.納米蒙脫土(MMT)可促進(jìn)瀝青燃燒表面阻隔層的生成，降低熱釋放速率，延長(zhǎng)燃盡時(shí)間，但提升瀝青氧指

6、數(shù)的效果不明顯。MMT與ATH具有協(xié)同阻燃的效果，兩者復(fù)配可進(jìn)一步降低瀝青燃燒的熱釋放速率和燃盡率。
　　5.采用MMT制備改性瀝青，并使用HL和ATH替代部分礦粉，形成復(fù)合瀝青阻燃體系(HAM)。當(dāng)HL、ATH和MMT的摻量分別為瀝青質(zhì)量的12.5％、12.5％和3％時(shí)，瀝青氧指數(shù)達(dá)25.0％;相比基質(zhì)瀝青混合料，HAM點(diǎn)燃時(shí)間延長(zhǎng)73 s，平均熱釋放速率和總熱釋放量分別下降35.1％和45.3％，總發(fā)煙量和CO產(chǎn)率分別下降48