Tourmaline改性沥青的阻燃抑烟性能-有色金属在线

毒、抑烟、高效的新型环保型沥青阻燃剂的发展要求，开发Tourmaline阻燃改性沥青，借助极限氧指数试验初步评价Tourmaline阻燃改性沥青的阻燃性能，基于沥青混合料燃烧试验，系统研究Tourmaline掺量、类型、细度和负离子释放量等因素对沥青阻燃性能的影响规律，并进一步研究Tourmaline改性沥青混合料的路用性能。研究结果表明：沥青的流淌和Tourmaline的离析造成Tourmaline改性沥青的氧指数偏低； Tourmaline改性沥青具有较好的阻燃抑烟效果，在Tourmaline种类相同的条件下，Tourmaline改性沥青的阻燃性能随Tourmaline掺量、细度和负离子释放量的增大而提高；不同类型的Tourmaline改性沥青阻燃性能不同，Tourmaline负离子粉的阻燃改善功效比Tourmaline粉的优；Tourmaline的掺入能够显著改善沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性等路用性能。

关键词：

道路工程；Tourmaline改性沥青；阻燃性能；路用性能；

中图分类号：U414 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)10-3685-09

Flame retardant and smoke suppression performance of Tourmaline modified asphalt

LI Yanwei^{1, 2}, WANG Chaohui ¹, SUN Xiaolong¹, YANG Lu³

(1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China;

2. Bureau of Transportation in Shijiazhuang, Shijiazhuang 050051, China;

3. Luyang Expressway Corporation in Zhengzhou, Zhengzhou 475000, China)

Abstract: For the flame retardant properties to meet the halogen free, non-toxic, smoke suppression and efficient standards, tourmaline flame retardant modified asphalt was developed and its flame retardant effect was tested firstly by oxygen index limit test. The effect of tourmaline dosage, type, fineness and negative ion release quantity on asphalt flame retardant property was systematically studied. Tourmaline modified asphalt mixture road performance was explored. The results show that the flow of asphalt and isolation of tourmaline is the cause of low oxygen index of tourmaline modified asphalt. The tourmaline modified asphalt has good flame and smoke suppression performance. The flame retardant performance of modified asphalt and mixture with different dosage of tourmaline increases when the dosage of tourmaline increases in certain dosage range. The increase of tourmaline fineness and negative ion release quantity lead to the improvement of tourmaline modified asphalt and performance of mixture flame retardant property. Improvement on the flame retardant effect of tourmaline anion powder is better than that of tourmaline powder. The tourmaline can improve the high temperature, low temperature performance and the water stability of road performance of asphalt mixture.

Key words: road engineering; Tourmaline modified asphalt; flame retardant performance; road performance

近年来，随着我国交通运输业的迅猛发展，高等级公路正逐步从平原微丘区向山岭重丘区延伸，出现了大量的隧道和隧道群，因此，隧道建设取得了快速发展^[1]。沥青路面材料因具有行车舒适、抗滑性能好、噪音低、交通安全性高等特点而广泛在隧道中使用^[2]。但作为一种有机高分子材料，沥青具有明显的可燃性，当在隧道中由于故障车辆相互碰撞、货物的自燃等事故发生时极易造成隧道火灾事故^[3-4]。隧道内发生火灾时，沥青参与燃烧会产生大量的烟雾，使隧道内能见度急剧下降；同时会伴有高温和毒气，给安全疏散和救援工作带来很大困难，会给人民的生命和财产造成巨大损失^[5-6]。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。目前隧道沥青路面阻燃领域主要采用最有效的卤-锑、磷-氮、卤-磷协效阻燃剂等与热沥青混合制备成成品使用，从而使改性沥青以达到阻燃目的^[7-8]。虽然阻燃效果明显，但仍然存在如下一些问题：氧指数测试结果差异较大；阻燃剂毒性大；沥青燃烧发烟量大^[9-11]：因此，无卤、无毒、抑烟、高效且不影响沥青性能的沥青阻燃剂是未来新型沥青阻燃剂的主要发展方向。本研究提出将Tourmaline作为外掺剂加入沥青中制备新型阻燃改性沥青。研究发现，Tourmaline具有极强的热电性能，在受热时会使晶体表面产生电荷。产生的电荷对固体降解区外层和预燃区附近的气相可燃物和沥青烟产生吸附作用，降低挥发出的可燃气体的产生和沥青烟的排放，从而阻止了可燃气体继续参与燃烧和沥青烟的排放，达到阻燃和抑烟的双重功效^[12-15]：因此，系统地研究该新型Tourmaline阻燃沥青的阻燃性能，对沥青阻燃剂未来发展方向具有重要的导向意义。本文作者借助极限氧指数试验初步评价了Tourmaline阻燃改性沥青的阻燃性能，采用沥青混合料的燃烧试验，综合分析了沥青混合料的燃烧时间、燃烧后的质量损失等试验结果，对Tourmaline阻燃沥青的阻燃性能进行了系统研究，并进一步对Tourmaline改性沥青混合料的路用性能进行试验研究，以便为新型路用阻燃剂Tourmaline在隧道工程应用提供参考依据。

1 试验原材料与方法

1.1 试验原材料

1.1.1 材料组成

试验所用沥青为SBS改性沥青，其基本性能参数见表1。

表1 SBS改性沥青的技术性能

Table 1 SBS modified asphalt technical performance

试验所用Tourmaline粉是由河北省灵寿县提供的，分别为不同细度Tourmaline粉和不同负离子释放量的Tourmaline粉，其中，不同细度的Tourmaline粉分为75，45，18和7.5 μm；不同类型Tourmaline负离子粉的离子释放量分别为2 000，5 000和8 000个。Tourmaline负离子粉的相关技术指标如表2所示。

1.1.2 配合比设计

沥青混合料级配统一采用已被成功应用于河北省多条道路的混合料级配GAC-13，该级配沥青混合料表现出良好的路用性能。混合料级配GAC-13如表3所示。

根据我国JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》规定，参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用马歇尔试验方法确定的最佳沥青用量为：掺量为14%，17%和20% 的45 μm Tourmaline-SBS复合改性沥青混合料的最佳沥青用量分别为5.45%，5.53%和5.60%。相同掺量下的Tourmaline负离子粉复合改性沥青混合料的最佳沥青用量分别为5.50%，5.58%和5.67%。

表2 Tourmaline负离子粉化学指标

Table 2 Chemical index of tourmaline anion powder

表3 GAC-13混合料矿料级配范围要求与合成级配

Table 3 GAC-13 mixture aggregate gradation scope requirements and synthetic grading

1.2 Tourmaline阻燃改性沥青制备方法

首先，将SBS改性沥青升温并保持在(160±5) ℃，将干燥的Tourmaline粉缓慢、分批加入到SBS改性沥青中，然后加入适量的助剂，一边加入一边搅拌，加入后匀速搅拌5 min，采用高速剪切仪，先以1 000 r/min的转速搅拌10 min，再以4 000 r/min的转速搅拌30 min，最后在转速为1 000 r/min下缓慢搅拌10 min，以排除高速搅拌时产生的气泡，使Tourmaline粉均匀分布于沥青中，最后得到路用Tourmaline阻燃改性沥青。

1.3 阻燃性能试验

Tourmaline阻燃改性沥青阻燃性能测试包括以下试验：

1) Tourmaline复合阻燃改性沥青极限氧指数试验，采用承德大加仪器公司生产的JF-3型氧指数测定仪，参照GB/T 2408—2008《塑料燃烧性能试验方法——氧指数法》进行。

2) Tourmaline复合阻燃改性沥青混合料燃烧试验方法如下：

① 采用相同的级配和最佳沥青用量，分别制备不同类型Tourmaline改性沥青混合料的车辙板试件。其中，同一种类型改性沥青Tourmaline车辙板试件一种掺量为1组，每组4个。为进行对比，同时成型一组SBS沥青混合料车辙板试件，称量各个试件的重量并进行记录。

② 再将每组试件分为两小组，车辙板试件每小组2个，向第1小组车辙板上均匀浇洒50 mL汽油，立即点燃，测量其燃烧时间，并观察其燃烧现象，等自熄后将车辙板放入60 ℃烘箱10 h烘干，称其质量损失，并进行动稳定度试验。

③ 第2小组试件作对比试验不进行燃烧，车辙板试件放入烘箱中10 h，然后将车辙板试件分别进行稳定度试验和动稳定度试验。将第1小组燃烧后的试验结果分别与第2小组未燃烧的试验结果对比，得出燃烧残留动稳定度。

2 结果与讨论

2.1 基于极限氧指数试验的Tourmaline阻燃抑烟性能研究

Tourmaline粉和Tourmaline负离子粉属于2个种属的Tourmaline，因此，在发挥阻燃抑烟性能的时候，其反应也略有不同，为对比不同Tourmaline类型对改性沥青阻燃性能的影响，现绘制不同类型Tourmaline改性沥青氧指数的对比图，如图1所示。其中，SBS改性沥青的氧指数为19.7%，Tourmaline阻燃改性沥青中Tourmaline掺量均为20%。

由图1可以看出：不同类型的Tourmaline改性沥青氧指数差异不大：在掺量为20%时，45 μm Tourmaline，18 μm Tourmaline和Tourmaline负离子粉(5 000个)改性沥青的氧指数分别为19.8，19.9和20.1，相互之间差异较小。Tourmaline改性沥青氧指数偏小，原因在于在氧指数试验进行过程中，燃烧的沥青存在流淌现象(见图2)，同时由于其密度要大于沥青密度，Tourmaline在流态的沥青中产生离析，无法在沥青的燃烧面停留，从而很难在沥青的燃烧过程中发挥阻燃作用，这就使Tourmaline的阻燃改善效能力无法直观的从氧指数试验中体现。

图1 不同类型Tourmaline改性沥青氧指数的对比

Fig. 1 Contrast of oxygen indexes of different types of tourmaline modified asphalt

图2 氧指数试验沥青流淌现象

Fig. 2 Asphalt flow phenomenon in limit oxygen index test

2.2 基于马歇尔试件燃烧试验的Tourmaline阻燃抑烟性能验证

本文初步采用马歇尔试件燃烧试验来验证沥青混合料的阻燃性能，分别采用SBS改性沥青和不同Tourmaline种类及掺量的Tourmaline-SBS复合改性沥青混合料成型马歇尔试件进行燃烧试验。其中，试验中选用3种不同细度的Tourmaline和3种不同负离子释放量的Tourmaline：45 μm Tourmaline粉、18 μm Tourmaline和7.5 μm Tourmaline，Tourmaline负离子粉(2 000个)、Tourmaline负离子粉(5 000个)和Tourmaline负离子粉(8 000个)。不同类型Tourmaline改性沥青马歇尔试件与SBS沥青马歇尔试件燃烧对比见图3。由图3可知：Tourmaline改性沥青马歇尔试件燃烧火焰及发烟量明显比SBS沥青马歇尔试件的小。

图3 Tourmaline改性沥青马歇尔试件与SBS沥青马歇尔试件燃烧对比图

Fig. 3 Combustion contrast diagram between Tourmaline modified asphalt Marshall specimen and SBS asphalt Marshall specimen

2.3 基于车辙板试件燃烧试验的Tourmaline阻燃抑烟性能

本文已初步采用马歇尔试件验证了Tourmaline改性沥青混合料良好的阻燃性能，在此采用路表面积更大的车辙板试件进行燃烧试验，可以更加真实模拟在车辆燃油泄漏后沥青发生火灾的情况，评价Tourmaline改性沥青混合料的阻燃性能。不同类型Tourmaline改性沥青车辙板试件与SBS沥青车辙板试件燃烧对比见图4。由图4可知：Tourmaline改性沥青车辙板试件燃烧火焰及发烟量明显比SBS沥青车辙板试件的小。

图4 Tourmaline改性沥青车辙板与SBS沥青车辙板燃烧对比图

Fig. 4 Combustion contrast diagram between Tourmaline modified asphalt rutting plate and SBS asphalt rutting plate

2.3.1 Tourmaline掺量对沥青阻燃性能的影响规律

Tourmaline改性沥青车辙板平均燃烧时间、质量损失和残留稳定度随Tourmaline掺量的变化如图5所示。其中SBS改性沥青马歇尔试件的燃烧时间为165 s，燃烧后质量损失为16 g，残留稳定度为79.4%。

由图5可知：

1) Tourmaline阻燃改性沥青车辙板的燃烧时间随Tourmaline的掺量的增加而逐渐缩短，而且均比SBS沥青混合料车辙板的小，其中，掺加20%Tourmaline负离子粉(5 000个)的阻燃改性车辙板燃烧时间最短，仅为124s，相对SBS改性沥青车辙板减少了24.8%；而掺加14% 45 μm Tourmaline改性沥青车辙板燃烧时间最长，相对于SBS改性沥青车辙板减少了4.2%，这表明掺入的不同种类的Tourmaline对沥青的燃烧有显著的阻燃作用，能够在不同程度上减少沥青的燃烧时间。

图5 Tourmaline改性沥青车辙板试件燃烧时间、质量损失和残留动稳定度随掺量变化

Fig. 5 Change of combustion time, mass loss and residual stability of tourmaline modified asphalt rutting plate specimen with different tourmaline dosages

2) Tourmaline-SBS复合改性沥青车辙板试件的质量损失随Tourmaline掺量的增加而减小，在10.0 g上下浮动。掺加20%Tourmaline负离子粉(5 000个)的改性沥青车辙板平均质量损失为7 g，为不同类型Tourmaline-SBS改性沥青车辙板中质量损失最小的，相对于SBS改性沥青车辙板试件质量损失降低了56.3%；不同类型Tourmaline-SBS改性沥青车辙板中质量损失最大的是掺加14% 45 μm Tourmaline的改性沥青车辙板，相对于未掺加Tourmaline的SBS改性沥青车辙板试件质量损失降低了12.5%。

3) Tourmaline-SBS复合改性沥青车辙板试件的残留动稳定度随Tourmaline掺量的增加逐渐增大。与SBS改性沥青车辙板试件的残留动稳定度相比，不同类型Tourmaline-SBS复合改性沥青车辙板试件的残留动稳定度均有所提高，这表明Tourmaline的掺入车辙板在燃烧之后残留动稳定度保持在较高的水平，仍然可以保证表面通车需求。

2.3.2 Tourmaline类型对沥青阻燃性能的影响规律

不同类型Tourmaline改性沥青车辙板平均燃烧时间、质量损失和残留稳定度的对比如图6所示。根据图6可知：

1) 不同类型的Tourmaline改性沥青车辙板试件燃烧时间具有较大的差异，但均低于SBS改性沥青车辙板试件。其中，掺加Tourmaline负离子粉(5 000个)的阻燃改性沥青车辙板试件的最短燃烧时间为124 s，相对于SBS改性沥青车辙板试件燃烧时间减少了24.8%。由以上分析可知，当掺量大于17%时， Tourmaline负离子粉(5 000个)对沥青混合料阻燃性能的改善效果较优于45 μm Tourmaline粉。

2) 对于掺加Tourmaline的Tourmaline-SBS复合改性沥青车辙板试件，质量损失均比SBS改性沥青的车辙板试件的小，均在10.0 g上下浮动。掺加Tourmaline负离子粉(5 000个)的阻燃改性沥青车辙板最小平均质量损失为7 g，相对于未掺加Tourmaline的SBS改性沥青车辙板试件质量损失降低了56.7%，为不同类型Tourmaline-SBS改性沥青车辙板中质量损失中最小的。

3) 不同类型Tourmaline的掺入从不同程度提高了在燃烧之后车辙板的残留动稳定度，使其均高于SBS改性沥青车辙板试件的残留动稳定度。掺加Tourmaline负离子粉(5 000个)的阻燃改性沥青车辙板试件残留动稳定度要比掺加45 μm Tourmaline的阻燃改性沥青车辙板试件的高，这表明Tourmaline负离子粉(5 000个)对车辙板试件的残留动稳定度改善效果较好。

图6 Tourmaline改性沥青车辙板试件燃烧时间、质量损失和残留动稳定度随Tourmaline类型变化

Fig. 6 Change of combustion time, mass loss and residual stability of tourmaline modified asphalt rutting plate specimen with different tourmaline types

2.3.3 Tourmaline细度对沥青阻燃性能的影响规律

Tourmaline改性沥青车辙板平均燃烧时间、质量损失和残留稳定度随Tourmaline细度的变化如图7所示。其中， Tourmaline阻燃改性沥青中Tourmaline 掺量均为20%。根据图7可知：

图7 Tourmaline改性沥青车辙板试件燃烧时间、质量损失和残留动稳定度随Tourmaline细度变化

Fig. 7 Change of combustion time, mass loss and residual stability of tourmaline modified asphalt rutting plate specimen with different tourmaline finenesses

1) Tourmaline阻燃改性沥青车辙板试件平均燃烧Tourmaline负离子粉(5 000个)的阻燃改性沥青车辙板试件残留时间随着Tourmaline细度的增加会逐渐缩短。相对于SBS改性沥青车辙板试件的燃烧时间，掺加45 μm Tourmaline的车辙板试件的燃烧时间减少了21.2%，掺加18 μm Tourmaline的车辙板试件的燃烧时间减少了21.8%，掺7.5 μm Tourmaline的车辙板试件的燃烧时间减少了23.6%。

2) Tourmaline改性沥青车辙板试件燃烧后质量损失随Tourmaline细度的增大而不断减小。掺加不同细度Tourmaline的阻燃改性沥青车辙板试件平均质量损失均小于SBS改性沥青车辙板试件的质量损失。掺加7.5 μm Tourmaline的车辙板试件的质量损失最小，仅为8.0 g，与SBS改性沥青车辙板试件的质量损失相比，降低了50.0%；而质量损失最大的掺加灰45 μm Tourmaline的阻燃改性沥青车辙板试件相比SBS改性沥青车辙板试件降低了12.5%。由此可知，掺加不同细度Tourmaline的阻燃改性沥青车辙板试件可以使平均质量损失发生较大幅度降低。

3) 掺加不同细度Tourmaline的阻燃改性沥青车辙板试件平均残留动稳定度随着Tourmaline细度的增加会逐渐增大，而且残留动稳定度均大于SBS改性沥青车辙板试件的残留动稳定度，其中掺加45 μm Tourmaline的车辙板试件的残留动稳定度增大了14.3%，掺加18 μm Tourmaline的车辙板试件的残留动稳定度增大了15.0%，掺加7.5 μm Tourmaline的车辙板试件的残留动稳定度增大了16.4%。

2.3.4 Tourmaline负离子释放量对沥青阻燃性能的影响规律

Tourmaline改性沥青车辙板平均燃烧时间、质量损失和残留稳定度随Tourmaline负离子释放量的变化如图8所示。其中，Tourmaline阻燃改性沥青中Tourmaline掺量均为20%。根据图8可知：

1) Tourmaline阻燃改性沥青车辙板试件平均燃烧时间随着Tourmaline负离子释放量的增加会逐渐缩短。相对于SBS改性沥青车辙板试件的燃烧时间，掺加Tourmaline负离子粉(2 000个)的车辙板试件的燃烧时间减少了13.3%，掺加Tourmaline负离子粉(5 000个)的车辙板试件的燃烧时间减少了24.8%，掺加Tourmaline负离子粉(8 000个)的车辙板试件的燃烧时间减少了27.3%。

2) Tourmaline阻燃改性沥青车辙板试件平均质量损失随着Tourmaline负离子释放量的增加会逐渐减小。掺加不同负离子释放量Tourmaline的阻燃改性沥青车辙板试件平均质量损失均小于SBS改性沥青车辙板试件的质量损失，其中掺加Tourmaline负离子粉(8 000个)的车辙板试件的质量损失最小，相对于SBS改性沥青车辙板试件的质量损失减小了68.8%。

3) Tourmaline阻燃改性沥青车辙板试件平均残留动稳定度随着Tourmaline负离子释放量的增加会逐渐增大，而且平均残留动稳定度均高于88%，这说明燃烧试验并未对Tourmaline阻燃沥青混合料的动稳定度有较大影响。掺加不同负离子释放量Tourmaline的阻燃改性沥青车辙板试件平均残留动稳定度均大于SBS改性沥青车辙板试件的残留稳定度，其中掺加Tourmaline负离子粉(2 000个)的车辙板试件的残留稳定度增大了12.6%，掺加Tourmaline负离子粉(5 000个)的车辙板试件的残留稳定度增大了15.6%，掺加Tourmaline负离子粉(8 000个)的车辙板试件的残留稳定度增大了16.2%。

图8 Tourmaline改性沥青车辙板试件燃烧时间、质量损失和残留动稳定度随Tourmaline负离子释放量变化

Fig. 8 Change of combustion time, mass loss and residual stability of tourmaline modified asphalt rutting plate specimen with different tourmaline anionic release amounts

表4 不同Tourmaline改性沥青混合料路用性能

Table 4 Pavement performance of different Tourmaline modified asphalt mixture

2.4 Tourmaline改性沥青混合料路用性能分析

按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用高温车辙试验、低温小梁弯曲试验(-10 ℃)、冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验等路用性能试验评价Tourmaline对沥青混合料路用性能的影响。试验结果如表4所示。由表4可以得出：Tourmaline改性沥青混合料动稳定度、破坏应变、残留稳定度和冻融劈裂残留强度等路用性能指标较普通SBS改性沥青混合料均有明显的提高，说明Tourmaline不但能明显提高沥青及沥青混合料的阻燃抑烟性能，而且具有改善沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性等路用性能的功效。

3 结论

1) 极限氧指数试验表明，燃烧过程中沥青的流淌和Tourmaline的离析造成了Tourmaline改性沥青的氧指数偏低，这就使Tourmaline的阻燃改善效能力无法直观地从氧指数试验中体现。

2) Tourmaline改性沥青具有较好的阻燃抑烟效果；不同类型的Tourmaline改性沥青及混合料阻燃性能不同，Tourmaline负离子粉的阻燃改善功效优于Tourmaline粉。

3) 在Tourmaline种类相同的条件下，在合理用量范围内不同Tourmaline掺量的改性沥青及混合料阻燃性能随Tourmaline掺量的增加而增强。

4) Tourmaline细度和负离子释放量的增大均可以提高其对改性沥青及混合料阻燃性能的改善功效。

5) 通过对掺加Tourmaline的复合改性沥青混合料与普通SBS改性沥青混合料进行路用性能试验对比，Tourmaline的添加可以显著改善沥青混合料的路用性能。

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(编辑杨幼平)

收稿日期：2013-10-09；修回日期：2014-01-18

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51208045)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110205120007)；中央高校科研业务费专项资金资助项目(CHD2010JC065)(Project (51208045) supported by National Natural Science Foundation of China; Project (20110205120007) supported by Research Fund for Doctoral Program of Higher Education of China; Project (2014G2210002) supported by Fundamental Research Funds for Central Universities)

通信作者：王朝辉(1980-)，男，河南滑县人，副教授，从事道路工程研究；电话：13032924270；E-mail：wchh0205@163.com

摘要：为满足无卤、无毒、抑烟、高效的新型环保型沥青阻燃剂的发展要求，开发Tourmaline阻燃改性沥青，借助极限氧指数试验初步评价Tourmaline阻燃改性沥青的阻燃性能，基于沥青混合料燃烧试验，系统研究Tourmaline掺量、类型、细度和负离子释放量等因素对沥青阻燃性能的影响规律，并进一步研究Tourmaline改性沥青混合料的路用性能。研究结果表明：沥青的流淌和Tourmaline的离析造成Tourmaline改性沥青的氧指数偏低； Tourmaline改性沥青具有较好的阻燃抑烟效果，在Tourmaline种类相同的条件下，Tourmaline改性沥青的阻燃性能随Tourmaline掺量、细度和负离子释放量的增大而提高；不同类型的Tourmaline改性沥青阻燃性能不同，Tourmaline负离子粉的阻燃改善功效比Tourmaline粉的优；Tourmaline的掺入能够显著改善沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性等路用性能。