一种纳米镁铝水滑石对沥青混合料阻燃效果的评价方法与流程

本发明是一种纳米镁铝水滑石对沥青混合料阻燃效果的评价方法，属于沥青混合料技术领域。

背景技术：

沥青是一种具有流变性和不可渗透性的粘弹性液体和半固体。它已被广泛应用在道路铺装、屋面防水和复合材料等。然而，沥青材料在300℃以上是易燃的。在隧道火灾过程中产生的热量和有毒气体将会促进火灾的蔓延，隧道内温度可以迅速升至1000℃，严重危害身处火灾环境的人员生命财产安全。因此，研究沥青材料可燃性的具有重要现实意义。

作为建筑材料的基础，沥青被广泛应用于隧道道路、地下车库、加油站、建筑以及防水材料，其中使用最多的是沥青混凝土路面。因为沥青混凝土路面具有低噪音、行车舒适、抗滑性好、建设周期短、方便维修和养护等优点，沥青已成为道路建设的主要材料。但是，沥青在高温环境下是易燃的，散发大量的烟气，与其它常用的聚合物材料相比，沥青燃烧易流淌、滴落，导致火灾的迅速蔓延。此外，在沥青燃烧过程中产生了大量的烷烃、苯和甲苯，这些气体不仅可以加速燃烧还可以导致窒息死亡。这些危害限制了沥青路面在隧道工程中的应用，因此有必要抑制沥青的燃烧特性。最简单的方法是将阻燃剂添加到沥青中制备一种复合材料，抑制沥青的燃烧。

目前，常用的有机卤素、磷系阻燃剂等在聚合物材料中使用是有毒的，这些阻燃剂在高温下经常挥发释放出有毒刺激性气体。这些有毒的刺激性气体危害沥青混合料拌和站和道路施工过程中工作人员的健康。更严重的是，在隧道发生火灾时，由于隧道内的通风不畅，烟雾和有毒气体产生了严重的阻碍了人员逃生和火灾营救。

镁铝水滑石是一种层状无机材料，兼有氢氧化铝和氢氧化镁的结构组成，如图1所示。镁铝水滑石比氢氧化镁、氢氧化铝阻燃剂具有更宽的热分解温度区间，也具有更好的阻燃性能。其热分解过程主要分两个阶段：第一阶段为层间水和吸附水的脱除；第二阶段包括羟基缩合脱水和层间阴离子的热分解。整个热分解过程能够吸收大量的热，从而降低燃烧体系的温度，同时还能释放出大量水蒸气和二氧化碳稀释可燃气体，起到隔绝氧气和降低沥青表面温度的作用，它是一种消烟型无卤阻燃剂。镁铝水滑石主要通过以下三种途径达到阻燃效果，一是通过吸热分解降低材料的温度；二是在材料表面形成一层炭化层，阻隔材料燃烧；三是通过释放出水或不燃气体稀释可燃气体和氧气浓度。

阻燃剂掺量不仅要保证其具有较高的阻燃性能，还要考虑其对沥青及其混合料路用性能的影响。国内外研究学者发现阻燃剂的添加量为8％～10％时，阻燃剂的阻燃效果达到最佳，随着无机阻燃剂掺量的增加，阻燃沥青的软化点提高，针入度降低，黏度增加，延度下降。有研究者认为，8％阻燃剂用量是合理的，不仅考虑到了其经济型而且考虑到阻燃沥青混合料的路用性能。

目前我国常用的阻燃性能评价方法主要包括水平垂直燃烧法、极限氧指数法、锥形量热仪法和红外热重联用分析等方法。水平、垂直燃烧法和极限氧指数法能简单评价改性沥青的阻燃情况，但难以用于沥青混合料的阻燃性能测试，且测试参数单一。与传统的测试方法相比，锥形量热仪的燃烧环境类似于真实的燃烧环境，且能反映真实的火灾工况下材料的燃烧性能，测得的试验结果与大型足尺寸模拟火灾试验存在良好的相关性，不但可以进行阻燃和抑烟机理方面的研究，还能将所测得的试验数据用于数值模拟，为预防火灾、火灾建模和材料设计等提供可靠的数据。采用锥形量热仪评价阻燃剂对沥青混合料阻燃性能，可获得引燃时间、热释放速率、质量损失速率、有效燃烧热、比消光面积、生烟速率、生烟总量等参数，更全面评价阻燃剂对沥青混合料的阻燃性能。

锥形量热仪试验是基于耗氧原理，在燃烧过程中是单面燃烧，不存在火焰的传播过程，样品四周被铝箔包裹，加上燃烧盒的固定作用避免了熔融物质的流失，不受材料熔融的影响。且燃烧时材料一直受到辐射器和表面燃烧火焰两部分的热流，使得材料长时间处于较高的，温度场温度较高，持续时间较长，环境接近于正常火灾。目前已有的评价方法没有考虑到隧道火灾的复杂性，所采用的评价方法难以模拟沥青路面火灾工况、测试燃烧参数较少、不能更全面、准确评价镁铝水滑石对沥青混合料阻燃效果。

另外，为了片面追求阻燃效果，目前主要采用有机、含卤阻燃剂，虽其阻燃效果好，但燃烧时产生大量有毒烟气，导致严重的次生灾害，即使采用无机阻燃剂，添加量太大，影响了沥青混合料的路用性能，用于沥青路面阻燃具有较大局限性。因此，本发明提出一种纳米镁铝水滑石对沥青混合料阻燃效果的评价方法，采用环保型的阻燃剂抑制沥青混合料燃烧，并采用更全面、客观的试验方法评价阻燃剂对沥青混合料燃烧的抑制行为，对提高火灾时沥青路面安全性具有重要意义。

技术实现要素：

(1)技术问题

本发明目的是提供一种纳米镁铝水滑石对沥青混合料阻燃效果的评价方法，解决目前沥青混合料阻燃效果评价方法难以模拟沥青路面火灾工况、测试燃烧参数较少、不能更全面、准确评价镁铝水滑石对沥青混合料阻燃效果、且常用阻燃剂添加量大、影响沥青混合料路用性能的问题，从而为研发更高效的镁铝水滑石阻燃剂提供技术支撑。

(2)技术方案

鉴于目前沥青混合料阻燃效果评价方法存在难以模拟沥青路面火灾工况、测试燃烧参数较少、不能更全面、准确评价镁铝水滑石对沥青混合料阻燃效果、且常用阻燃剂添加量大、影响沥青混合料路用性能的问题，本发明提供一种纳米镁铝水滑石对沥青混合料阻燃效果的评价方法。技术方案如下：首先将占沥青质量分数的8％的镁铝水滑石阻燃剂添加至沥青中，制备纳米镁铝水滑石阻燃改性沥青；再分别采用沥青和阻燃改性沥青为胶结料制备常规型和纳米镁铝水滑石阻燃型车辙板试件冷却至室温后拆模；然后，以车辙板上表面对角线交点为中心切割锥形量热仪试件，确保每个试件保留原车辙板的上表面；其次，用铝箔纸包裹锥形量热仪试件底部和侧面，锥形量热仪试件试件上保留的原车辙板上表面依然向上，作为锥形量热仪试验辐射加热面，模拟实际沥青路面火灾时的受热工况设定相应的热辐射强度，并用导管将燃烧释放的烟气通入傅里叶红外光谱仪中，同步分析烟气成分；最后，点燃样品表面，采集试样燃烧参数，综合分析常规型和纳米镁铝水滑石阻燃型试验结果，揭示纳米镁铝水滑石阻燃剂对沥青混合料燃烧过程中的质量变化、吸放热特性、挥发物析出动态过程、挥发物成分及含量、烟气毒性和腐蚀性的影响，更全面、客观评价阻燃剂对沥青混合料的阻燃效果。

(3)有益效果

随着我国交通基础建设的快速发展，隧道建设作为公路和城市立体交通建设中的重要组成部分也得到了快速发展。相较于隧道外的普通路段，隧道是半封闭结构、空间狭小、通风不畅、纵深较长、出入口数量少，尤其对行车速度较快的公路隧道，交通事故率远大于洞外普通路段，由此引发的火灾事故率显著增长。一旦发生火灾事故，造成的后果不堪设想，因此隧道的火灾安全问题亟待解决。本发明提出提供的纳米镁铝水滑石对沥青混合料阻燃效果的评价方法，能更好模拟沥青路面上的火灾工况、测得引燃时间、热释放速率、质量损失速率、有效燃烧热、总释放热量、比消光面积、生烟速率、生烟总量等燃烧参数、更全面、准确评价镁铝水滑石对沥青混合料阻燃效果；况且，本发明采用的阻燃剂是纳米镁铝水滑石，它是一种新型低毒、抑烟的阻燃添加剂，符合环保的要求，粒径小，添加量少，对沥青混合料路用性能影响小，从而改善隧道沥青路面的耐火性能，提高沥青路面的耐久性，受到了阻燃行业的广泛关注，具有巨大社会和经济效益。

附图说明：

图1纳米镁铝水滑石结构示意图

1-oh^-离子；2-al³⁺离子；3-h2o；4-co3²⁺离子；5-mg²⁺离子

具体实施方式

本发明提供一种纳米镁铝水滑石对沥青混合料阻燃效果的评价方法，具体实施步骤如下：

(1)加热沥青至165℃，倒入160℃的高剪切机乳化杯中，加入占沥青质量分数8％的纳米镁铝水滑石阻燃剂，先以800r/min搅拌20min，再以5000r/min转速搅拌1h，制得纳米镁铝水滑石阻燃改性沥青；

(2)分别采用沥青和阻燃改性沥青拌和ac-13f型沥青混合料，制备常规型和纳米镁铝水滑石阻燃型车辙板试件，长度为30cm，宽度为30cm，厚度为5cm，冷却至室温后拆模；

(3)以车辙板上表面对角线交点为中心用粉笔画垂直四边的十字线，每块车辙板切割长度为10cm，宽度为10cm，厚度为2cm的锥形量热仪试件4个，每个试件保留原车辙板的上表面；

(4)用铝箔纸包裹锥形量热仪试件底部和侧面，锥形量热仪试件上保留的原车辙板上表面向上，作为锥形量热仪试验辐射加热面，模拟实际沥青路面火灾时的受热工况；

(5)将包裹铝箔纸的试件放在锥形量热仪承载池里的陶瓷纤维垫上，用钢网栅压在试样上面，防止加热过程试件翘曲，模拟沥青路面上不同火灾规模，设定相应的热辐射强度，并用导管将燃烧释放的烟气通入傅里叶红外光谱仪中，同步分析烟气成分；

(6)点燃样品表面，采集试件燃烧参数，包括引燃时间、热释放速率、质量损失速率、有效燃烧热、总释放热量、比消光面积、生烟速率和生烟总量，当试件上火焰完全熄灭，继续采集试验数据10min，关掉量热仪排风管和锥形加热器，当加热器冷却至室温关掉水源；

(7)综合分析常规型和纳米镁铝水滑石阻燃型试件的试验结果，揭示纳米镁铝水滑石阻燃剂对沥青混合料燃烧过程中的质量变化、吸放热特性、挥发物析出动态过程、挥发物成分及含量、烟气毒性和腐蚀性的影响，更全面、客观评价阻燃剂对沥青混合料的阻燃效果。