CN104629389A

CN104629389A - 改性阻燃沥青、阻燃沥青混凝土及其制备方法、以及消石灰作为阻燃剂的应用

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Publication number: CN104629389A
Application number: CN201510052907.7A
Authority: CN
Inventors: 吴珂; 朱凯; 康诚; 黄志义
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2035-02-02
Also published as: CN104629389B

Abstract

本发明公开了一种改性阻燃沥青，其添加的消石灰质量为原未改性沥青质量的25％～80％。本发明还公开了一种阻燃沥青混凝土，原料的质量百分比的组成为：集料86％～93％，沥青3％～6％，消石灰0.6％～4.8％，石灰石矿粉3％～7％，原料质量百分比之和为100％。本发明还公开了一种阻燃沥青混凝土的制备方法：将沥青加热至140℃～170℃后加入到180℃～200℃的集料中拌和85～95秒，然后同时加入消石灰和石灰石矿粉，再次拌和85～95秒，再经成型工序，制得阻燃沥青混凝土。本发明还公开了消石灰作为沥青阻燃剂的应用。采用消石灰作为改性阻燃沥青和沥青混凝土的阻燃剂时，可提升沥青氧指数，延长沥青点燃时间，降低沥青燃烧热释放速率和CO释放率；可提高沥青混凝土的高、低温性能和水稳定性，具有良好的应用价值。

Description

改性阻燃沥青、阻燃沥青混凝土及其制备方法、以及消石灰作为阻燃剂的应用

技术领域

本发明涉及阻燃沥青的技术领域，尤其是涉及改性阻燃沥青、阻燃沥青混凝土及其制备方法、消石灰作为沥青阻燃剂的应用。

背景技术

由于具有噪音低、长期抗滑性好、易维修、行车舒适等优点，沥青混凝土路面被越来越多地应用于公路隧道。沥青是由碳、氢等元素组成的可燃性有机物，当隧道发生火灾时，在对流和辐射传热的共同作用下，隧道路面温度将远超沥青的燃点，从而引燃一定范围路面中的沥青材料。沥青燃烧在释放热量的同时产生大量有毒烟气，会严重妨害隧道逃生和救援的进行。

早期常用的卤素阻燃剂虽具有无可比拟的高效性，但其燃烧时会产生大量的烟雾和有毒腐蚀性气体，因此目前阻燃剂无卤化已是国际发展趋势。无机金属氢氧化物是环保型阻燃剂的典型代表，具有无毒、抑烟等优点，其中氢氧化镁和氢氧化铝已在沥青阻燃中得到一定的应用。其阻燃作用主要表现在两方面：一是金属氢氧化物受热会发生吸热分解反应(氢氧化铝分解温度约270～320℃，氢氧化镁分解温度约300～400℃)，吸收沥青燃烧释放的部分热量，抑制热量的回馈累积，降低沥青材料的温度，从而减缓燃烧速率。同时，分解产生的水分蒸发形成水蒸气降低了沥青材料表面的氧气浓度，一定程度上隔绝空气；二是金属氢氧化物受热分解形成的活性氧化物是良好的耐火材料，并促进沥青表面成碳，从而在沥青表面形成隔离层，起到阻燃抑烟的作用。但是，上述金属氢氧化物在提高材料阻燃抑烟性能的同时，往往会不同程度的影响沥青的力学性能。此外，传统阻燃剂成本较高，并不适合隧道路面铺装的大规模使用。因此，有待于研发一种在保证沥青混凝土路用性能的前提下，可有效提升沥青阻燃性能的高性价比产品与技术。

消石灰作为一种活性矿粉可以有效提高沥青混合料的抗水损坏、抗霜冻、抗老化性能。若消石灰能有效提升沥青的阻燃性，无疑为沥青阻燃提供了一套全新的思路。但是，根据传统金属氢氧化物阻燃剂的经验，消石灰(主要成分氢氧化钙)的分解温度较高，约为360～540℃，该温度高于一般道路沥青的燃点(约250～330℃)，故消石灰不能像氢氧化镁和氢氧化铝一样在沥青的初始燃烧阶段发生吸热的脱水反应，因此其在沥青阻燃方面的应用也一直未引起研究者的关注。

但我们通过大量的试验发现，消石灰可以在沥青燃烧初期抑制可燃挥发分的析出，从而延缓沥青的着火。同时，在沥青燃烧过程中，与氢氧化镁和氢氧化铝通过热分解产生氧化镁和三氧化二铝阻隔层不同，消石灰会进一步发生碳酸化反应，形成更加致密的碳酸钙阻隔物，起到阻隔热质交换的作用，从而进一步抑制热量和有毒烟气的释放。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种改性阻燃沥青，不仅使沥青更难被点燃，且可以抑制沥青的燃烧速率，提高了发生火灾时沥青的安全性。

一种改性阻燃沥青，其添加的消石灰质量为原未改性沥青质量的25～80％。

消石灰不仅使沥青更难被点燃，还可以抑制沥青燃烧时有毒烟气释放率，因此，消石灰可进一步降低发生火灾时沥青燃烧带来的危害。

本发明改性阻燃沥青制备时，先将沥青加热到150℃～170℃；然后对沥青进行搅拌，搅拌的同时加入消石灰，然后以4000～6000转/min的转速搅拌20～40min；再以400～600转/min搅拌10～20min以驱赶气泡，最后冷却并得到改性阻燃沥青。

其中，对沥青进行搅拌时，优选采用高剪切混合乳化机。

防止改性阻燃沥青发生离析，优选地，在冷却过程中采用手动搅拌。

作为优选，所述添加的消石灰质量为原未改性沥青质量的30～50％。消石灰在该用量范围内，对沥青的阻燃性价比最高。

作为优选，所述消石灰是纯度为72％～100％、颗粒中位径为0.3μm～55μm的消石灰粉末。

消石灰的纯度提高有利于提高对沥青的阻燃效果。除了纯度，消石灰的颗粒大小对阻燃性能也有影响，由于在实际情况下消石灰颗粒不可能完全一样大小，所以采用中位径来表示消石灰的颗粒平均粒径。

消石灰颗粒过大会对沥青的阻燃效果产生不利影响，而消石灰颗粒过小会增加颗粒制备成本，增加拌合难度。

作为进一步优选，所述消石灰是纯度为90％～100％、颗粒中位径为0.8μm～12μm的消石灰粉末。

针对消石灰对沥青的阻燃作用，本发明进一步提供了一种阻燃沥青混凝土，其方案为：

一种阻燃沥青混凝土，原料的质量百分比的组成为：集料86％～93％，沥青3％～6％，消石灰0.6％～4.8％，石灰石矿粉3％～7％，原料质量百分比之和为100％。

本发明的阻燃沥青混凝土中添加有消石灰，不仅对阻燃沥青混凝土中的沥青具有显著的阻燃性，而且所述消石灰还提升了阻燃沥青混凝土的高、低温性能和水稳定性。

作为优选，所述消石灰的质量为阻燃沥青混凝土原料总质量的1.2％～3.5％。

消石灰的质量为阻燃沥青混凝土原料总质量的1.2％～3.5％时，沥青的综合性能更佳。

所述消石灰为粉末状。所述粉末状的消石灰经粉碎和过筛后得到。

作为优选，所述消石灰是纯度为90％～100％、颗粒中位径为0.8μm～12μm的消石灰粉末。

本发明还提供了上述阻燃沥青混凝土的制备方法：

将所述沥青加热至140℃～170℃后加入到180℃～200℃的集料中拌和85～95秒，然后加入消石灰和石灰石矿粉，再次拌和85～95秒，再经成型工序，制得阻燃沥青混凝土。

为了达到更好的混合效果，所述消石灰和石灰石矿粉同时添加。

本发明还提供了消石灰在上述改性阻燃沥青和阻燃沥青混凝土中作为阻燃剂的应用。

作为优选，所述消石灰的添加及拌和方式为干拌法。

本发明的优点在于：

(1)本发明对已知物质消石灰(氢氧化钙)发掘了新的用途，开拓了消石灰在沥青阻燃方面应用的新领域。

(2)本发明采用消石灰作为改性阻燃沥青和阻燃沥青混凝土的阻燃剂，经大量试验表明可有效提升沥青氧指数，延长沥青点燃时间，降低沥青燃烧热释放速率和CO释放率。证明消石灰阻燃抑烟效果显著。

(3)本发明的消石灰阻燃抑烟效果明显，无毒无害，是一种高效的沥青无卤阻燃剂。

(4)本发明中作为沥青混凝土阻燃剂的消石灰来源广泛，相比氢氧化镁在内的传统阻燃剂价格更加低廉，同时可有效提高和改善沥青混凝土的高、低温性能和水稳定性，具有良好的实际工程应用价值。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

下面采用消石灰作为阻燃剂制备阻燃沥青，并将阻燃沥青的测试结果与添加石灰石矿粉和氢氧化镁的阻燃沥青对比，说明消石灰在沥青中的阻燃作用。

实施例1

一种改性阻燃沥青，其制备方法如下：

取一定量的沥青加热到160±5℃；然后将沥青加入高剪切混合乳化机中搅拌，搅拌的同时缓慢加入消石灰(d₅₀＝7μm，Ca(OH)₂含量为96％)，消石灰的用量为原未改性沥青质量的40％，然后以5000转/min的转速搅拌30min；再以500转/min搅拌15min以驱赶气泡，停止加热进行冷却；在冷却过程中手动搅拌以防止离析，最终制得改性阻燃沥青。

实施例2

一种改性阻燃沥青，其制备方法如下：

取一定量的沥青加热到160±5℃；然后将沥青加入高剪切混合乳化机中搅拌，搅拌的同时缓慢加入消石灰(d₅₀＝7μm，Ca(OH)₂含量为96％)，消石灰的用量为原未改性沥青质量的30％，然后以5000转/min的转速搅拌30min；再以500转/min搅拌15min以驱赶气泡，停止加热进行冷却；在冷却过程中手动搅拌以防止离析，最终制得改性阻燃沥青。

实施例3

一种改性阻燃沥青，其制备方法如下：

取一定量的沥青加热到160±5℃；然后将沥青加入高剪切混合乳化机中搅拌，搅拌的同时缓慢加入消石灰(d₅₀＝7μm，Ca(OH)₂含量为96％)，消石灰的用量为原未改性沥青质量的50％，然后以5000转/min的转速搅拌30min；再以500转/min搅拌15min以驱赶气泡，停止加热进行冷却；在冷却过程中手动搅拌以防止离析，最终制得改性阻燃沥青。

对比例1

一种含有石灰石矿粉的沥青，其制备方法如下：

取一定量的沥青加热到160±5℃；然后将沥青加入高剪切混合乳化机中搅拌，搅拌的同时缓慢加入石灰石矿粉(d₅₀≈42μm)，石灰石矿粉的用量为原未改性沥青质量的40％，然后以5000转/min的转速搅拌30min；再以500转/min搅拌15min以驱赶气泡，停止加热进行冷却；在冷却过程中手动搅拌以防止离析，最终制得含有石灰石矿粉的沥青。

对比例2

一种含有氢氧化镁的沥青，其制备方法如下：

取一定量的沥青加热到160±5℃；然后将沥青加入高剪切混合乳化机中搅拌，搅拌的同时缓慢加入氢氧化镁(d₅₀≈21μm)，氢氧化镁的用量为原未改性沥青质量的40％，然后以5000转/min的转速搅拌30min；再以500转/min搅拌15min以驱赶气泡，停止加热进行冷却；在冷却过程中手动搅拌以防止离析，最终制得含有氢氧化镁的沥青。

沥青性能测试

按照NB/SH/T 0815-2010沥青燃烧性能测定标准对以上实施例1～3和对比例1～2获得的沥青的极限氧指数进行测试，试验结果见表1。

表1.沥青的氧指数

基质沥青的极限氧指数仅为19.8％，小于空气中的氧气浓度，因此可在常温空气中直接用明火点燃，并持续稳定燃烧。

随着矿粉的添加，沥青的极限氧指数随之增大，其中添加石灰石的沥青胶浆极限氧指数增幅最小，添加40％的石灰石后，沥青胶浆的极限氧指数仅升至21.1％，与空气中的氧气浓度相近，其在空气中依然极易被点燃。

添加氢氧化镁的沥青胶浆极限氧指数增幅最大，其在40％掺量下的极限氧指数可达23.8％，此时沥青胶浆已较难在空气中被点燃。

与氢氧化镁相比，在相同掺混比下，添加消石灰的沥青胶浆极限氧指数略低——在40％掺量下的极限氧指数为23.1％。

从极限氧指数指标判断，消石灰有效降低了沥青的点燃性和可燃性，消石灰在沥青中的阻燃性和氢氧化镁接近。

分别对实施例1～3和对比例1～2获得的沥青进行锥形量热仪试验

试验样品形状为浇筑形成的圆饼(内径为70mm、厚度为10mm)，测试的热辐射强度为50kW/m²。试验结果如表2所示。

表2.沥青的锥形量热仪试验

由表2可以看出，添加40％消石灰后的改性阻燃沥青点燃时间为60s，较基质沥青和添加石灰石矿粉的沥青分别延长37s和11s。同时，添加消石灰后的沥青的平均热释放速率为191kW·m^-2，较基质沥青和添加石灰石的沥青分别减小34.2％和8.5％，仅比添加氢氧化镁的沥青增加4.0％。

热释放速率是评价材料火灾危害的重要参数，平均热释放速率越大，材料的火灾危害越大。可见，消石灰不仅使沥青更难被点燃，且抑制了沥青的燃烧速率，提升沥青火灾安全性的效果突出。

此外，添加消石灰的改性阻燃沥青的CO产率最小，当添加量为40％时(实施例1)，CO释放率仅为基质沥青的78.3％，较添加石灰石的沥青和添加氢氧化镁的沥青分别进一步减小21.6％和10.9％。考虑到火灾事故中，超过半数的人员死亡是由CO导致的。因此，在抑制有毒烟气释放方面，消石灰作用显著，可进一步降低沥青的火灾危害性。

下面采用消石灰作为阻燃剂制备阻燃沥青混凝土，进一步说明消石灰在沥青中的阻燃作用。

实施例4

一种阻燃沥青混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：按照以下质量百分比选择原料：集料88.8％，沥青5.2％，消石灰1.3％，石灰石矿粉4.7％；原料质量百分比之和为100％；

步骤二：将消石灰粉碎和过筛后得到消石灰粉，其中位径为7μm，Ca(OH)₂纯度为96％；

步骤三：将沥青加热至160℃后加入到180℃的集料中拌和90秒，然后同时加入消石灰、石灰石矿粉，再次拌和90秒，再经成型工序，制得阻燃沥青混凝土。

实施例5

一种阻燃沥青混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：按照以下质量百分比选择原料：集料89.8％，沥青4.8％，消石灰2.2％，石灰石矿粉3.2％；原料质量百分比之和为100％；

实施例6

一种阻燃沥青混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：按照以下质量百分比选择原料：集料88.6％，沥青5.4％，消石灰4.1％，石灰石矿粉1.9％；原料质量百分比之和为100％；

步骤二：将消石灰粉碎和过筛后得到消石灰粉，其中位径为23μm，Ca(OH)₂纯度为84％；

步骤三：将沥青加热至170℃后加入到190℃的集料中拌和90秒，然后同时加入消石灰、石灰石矿粉，再次拌和90秒，再经成型工序，制得阻燃沥青混凝土。

实施例7

一种阻燃沥青混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：按照以下质量百分比选择原料：集料90.7％，沥青4.3％，消石灰1.0％，石灰石矿粉4.0％；原料质量百分比之和为100％；

步骤二：将消石灰粉碎和过筛后得到消石灰粉，其中位径为2μm，Ca(OH)₂纯度为98％；

步骤三：将沥青加热至150℃后加入到180℃的集料中拌和90秒，然后同时加入消石灰、石灰石矿粉，再次拌和90秒，再经成型工序，制得阻燃沥青混凝土。

对比例3

一种阻燃沥青混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：按照以下质量百分比选择原料：集料88.8％，沥青5.2％，石灰石矿粉6％；原料质量百分比之和为100％；

步骤二：将沥青加热至160℃后加入到180℃的集料中拌和90秒，然后石灰石矿粉，再次拌和90秒，再经成型工序，制得阻燃沥青混凝土。

沥青混凝土性能测试

将实施例4～7和对比例3制得的阻燃沥青混凝土切割成70mm*70mm*10mm的混凝土块，将混凝土块分别放入锥形量热仪进行锥形量热仪试验，测试时的热辐射强度为50kW/m²，测试结果见表3。

表3.沥青混凝土的锥形量热仪试验

由表3可以看到相比于不含消石灰的沥青混凝土(对比例3)，含有1.3％消石灰的阻燃沥青混凝土(实施例4)点燃时间更长，平均热释放率、CO产率均明显较低，可见添加消石灰后沥青混凝土表现出更为优异的阻燃抑烟特性。

根据JTG E20-2011规定对实施例4～7和对比例3获得的沥青混凝土进行高、低温及水稳性能测试，测试结果见表4。

表4.阻燃沥青混凝土路用性能测试

由表4可以看到相比于不含消石灰的沥青混凝土(对比例3)，含有1.3％消石灰的阻燃沥青混凝土(实施例4)的动稳定度、最大弯拉应变比提高10％以上，冻融劈裂强度比提高4％以上。可见消石灰还有效提升了沥青混凝土的高、低温性能和水稳定性。

Claims

1.一种改性阻燃沥青，其特征在于，添加的消石灰质量为原未改性沥青质量的25％～80％。

2.如权利要求1所述的改性阻燃沥青，其特征在于，所述添加的消石灰质量为原未改性沥青质量的30％～50％。

3.一种阻燃沥青混凝土，其特征在于，原料的质量百分比的组成为：集料86％～93％，沥青3％～6％，消石灰0.6％～4.8％，石灰石矿粉3％～7％，原料质量百分比之和为100％。

4.如权利要求3所述的阻燃沥青混凝土，其特征在于，所述消石灰是纯度为72％～100％、颗粒中位径为0.3μm～55μm的消石灰粉末。

5.如权利要求4所述的阻燃沥青混凝土，其特征在于，所述消石灰是纯度为90％～100％、颗粒中位径为0.8μm～12μm的消石灰粉末。

6.如权利要求3所述的阻燃沥青混凝土，其特征在于，所述消石灰的质量为原料总质量的1.2％～3.5％。

7.如权利要求3～6任一项所述的阻燃沥青混凝土的制备方法，其特征在于，将所述沥青加热至140℃～170℃后加入到180℃～200℃的集料中拌和85～95秒，然后加入消石灰和石灰石矿粉，再次拌和85～95秒，再经成型工序，制得阻燃沥青混凝土。

8.如权利要求7所述的阻燃沥青混凝土的制备方法，其特征在于，所述消石灰的添加及拌和方式为干拌法。

9.消石灰在改性阻燃沥青中作为阻燃剂的应用。

10.消石灰在阻燃沥青混凝土中作为阻燃剂的应用。