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原文传递氢氧化铝/层状硅酸盐阻燃沥青的制备及其协同阻燃机理研究

论文题名：	氢氧化铝/层状硅酸盐阻燃沥青的制备及其协同阻燃机理研究
关键词：	隧道路面;阻燃沥青;氢氧化铝;层状硅酸盐;协同阻燃效应;混合料制备
摘要：	沥青路面以其优良的路用性能和良好的行车舒适性，已在公路隧道中被广泛使用，但沥青易燃，一旦隧道着火，不仅会加剧火灾的蔓延，还会造成隧道路面的严重损坏，导致交通的长时间中断，并将造成大量的人员伤亡。为提高隧道沥青路面的防火性能，阻燃沥青及其混凝土的制备与应用已受到国内外的高度重视。添加阻燃剂是提高沥青阻燃性能一种重要方法。目前沥青阻燃剂主要是卤素阻燃剂和无机氢氧化物阻燃剂，卤素阻燃剂对沥青的阻燃效果较好，但在阻燃沥青混合料施工和沥青路面燃烧时会产生大量有毒、腐蚀性气体和烟雾，严重危害施工人员身体健康，并导致火灾发生时被困人员窒息身亡，而无机氢氧化物阻燃剂用量大，导致阻燃沥青成本较高，并对沥青混合料的路用性能带来不利影响。因此，开发抑烟、无毒、环保、成本低、综合性能好的阻燃沥青及其混合料已成为隧道阻燃沥青路面铺装亟待解决的课题。　　本文首先以不同产地和种类的基质沥青及SBS改性沥青为研究对象，采用氧指数、燃闪点和热性能对沥青的燃烧性能和热性能进行了评价，探讨了沥青化学组分与燃烧性能的关系;然后分别研究了无机氢氧化物、层状硅酸盐(膨胀蛭石、有机化蛭石、蒙脱土、有机化蒙脱土及累托石)以及无机氢氧化物/层状硅酸盐对SBS改性沥青和基质沥青氧指数、燃闪点和热性能的影响，并采用X-射线衍射(XRD)和热-质连用技术(TG-DSC-MS)对无机氢氧化物/层状硅酸盐的协同阻燃机理进行了探讨;最后，研究了无机氢氧化物/层状硅酸盐协同阻燃剂对沥青混合料的体积性能、路用性能和阻燃性能的影响。主要研究结论如下: 　　 (1)沥青的化学组分对氧指数影响很小，但对燃闪点影响较大，饱和分高的沥青，燃闪点较低，但如其胶质含量也较高，则其燃闪点也会较高;沥青的化学组分对其热性能也有明显影响，饱和分高的沥青，初始热失重温度较低。　　 (2) SBS改性剂对沥青的燃烧性能和热性能均有较大影响。随着SBS改性剂的掺入，沥青的氧指数降低，而燃闪点和热稳定性均提高。氧指数的降低是因为SBS仅含有C、H元素，比沥青更易燃烧，燃闪点和热稳定性则可归因于SBS在沥青中形成了交联网络结构，增大了沥青粘度，抑制了沥青中轻组分的挥发。　　 (3)氢氧化铝对沥青的阻燃效果明显优于氢氧化镁。这是因为氢氧化铝脱去结晶水的温度较低，且其最高吸热峰温度与沥青初始热失重温度相近，其脱水吸热正好可以抑制沥青温度的升高，形成的水蒸气可以稀释沥青的挥发组分，而氢氧化镁的脱水起始温度和最高吸热峰温度均较高，对沥青温度的降低和挥发组分的稀释作用较小，阻燃效果较差。　　 (4)单一的膨胀蛭石、有机化蛭石、蒙脱土、有机化蒙脱土及累托石对沥青氧指数的改善效果均有限，其中膨胀蛭石对沥青阻燃性能的改善效果优于蒙脱土和累托石，而有机化蛭石又略优于膨胀蛭石。　　 (5)氢氧化铝与膨胀蛭石、有机化蛭石、蒙脱土、有机化蒙脱土及累托石复合用于沥青阻燃，复合阻燃剂对沥青氧指数的提高显著大于单一阻燃剂，表现出非常明显的协同阻燃效应，其中尤以氢氧化铝与膨胀蛭石复合阻燃剂对沥青的协同阻燃效应最强。氢氧化铝/膨胀蛭石协同使用不仅具有抑烟、无毒、环保的优点，而且可显著减少氢氧化铝的用量，降低阻燃沥青的成本。　　 (6) XRD分析表明，单独的膨胀蛭石和有机化蛭石经高温烧蚀后，蛭石层状结构被破坏，蛭石片层被剥离，而蛭石中的金云母层状结构未被破坏;膨胀蛭石与沥青及氢氧化铝复合后，体系中蛭石层状结构未被破坏，而有机化蛭石与沥青、氢氧化铝复合体系中蛭石层状结构已被破坏，高温烧蚀后，两个体系中蛭石及金云母片层均已被剥离;蒙脱土与沥青及氢氧化铝复合后，蒙脱土的层状结构已被破坏，蒙脱土成片层剥离分散在沥青中。　　 (7) TG-DSC-MS分析表明，SBS改性沥青/氢氧化铝体系挥发组分中的水蒸气离子流强度在400℃之前高于SBS改性沥青，在400℃之后低于SBS改性沥青，而SBS改性沥青与SBS改性沥青/氢氧化铝体系挥发组分中的二氧化碳离子流强度在350℃之前相近，但之后后者明显低于前者;SBS改性沥青/氢氧化铝/膨胀蛭石体系挥发组分中的水蒸气和二氧化碳离子流强度均明显小于SBS改性沥青及SBS改性沥青/氢氧化铝体系。　　 (8)综合XRD和TG-DSC-MS的分析结果，SBS改性沥青/氢氧化铝/层状硅酸盐体系的协同阻燃机理为:当沥青受热升温到260℃左右，氢氧化铝开始脱水会吸收一部分热量，以降低体系的温度，均匀分散在沥青中的层状硅酸盐会阻隔氢氧化铝释放的水蒸气、沥青中的轻组分及热分解产物的挥发和空气中氧气的渗入，避免沥青发生燃烧;随着温度的进一步升高，氢氧化铝释放的水分和沥青热分解产生的水分越来越多，水蒸气充斥在层状硅酸盐的层间，使其片层剥离，逐渐形成硅酸盐阻隔层，氢氧化铝脱水生成的氧化铝固体颗粒也填充在片层之间，使得阻隔层更为致密，更有效地阻隔沥青热分解产物的挥发，并阻止氧气的扩散渗入，达到协同阻燃目的，此外层状硅酸盐与氢氧化铝协同使用还具有促进沥青燃烧成炭的作用。　　 (9) SBS改性沥青/氢氧化铝/膨胀蛭石与SBS改性沥青/氢氧化铝/有机化蛭石协同阻燃效果的差异主要在于:有机化蛭石在阻燃沥青制备过程中蛭石层状结构已破坏，蛭石片层无序地分散在沥青中，而膨胀蛭石的层状结构未被破坏，容易形成致密的固相阻隔层，从而具有更好的固相阻燃作用;而蒙脱土对沥青阻燃性能比膨胀蛭石差的主要原因在于:与有机化蛭石相同，蒙脱土容易被沥青分子插层，在阻燃沥青制备过程中蒙脱土片层已被剥离，难以形成致密的固相阻隔层，而且蒙脱土的膨胀性和隔热性能弱于蛭石。　　 (10)与SBS改性沥青混合料相比，采用氢氧化铝和膨胀蛭石协同阻燃剂制备的阻燃SBS改性沥青混合料的吸水率、空隙率和矿料间隙率略微减少，毛体积密度和沥青饱和度略微增大，马歇尔稳定度、浸水残留稳定度、冻融劈裂强度比和动稳定度等均得到提高，可在一定程度上改善沥青混合料水稳定性和高温稳定性能。　　 (11)采用氢氧化铝和膨胀蛭石协同阻燃剂制备的SBS改性沥青混合料，燃烧试验后的残留马歇尔稳定度比显著高于普通SBS改性沥青混合料，且燃烧试验时仅表面汽油在燃烧，燃烧后试件破坏程度较轻，表明阻燃剂有效提高了沥青混合料的阻燃性能。
作者：	梁永胜
专业：	建筑材料与工程
导师：	余剑英
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文