CN112552696A - 一种适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青及其制备方法 - Google Patents

一种适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青及其制备方法 Download PDF

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CN112552696A CN202011364173.3A CN202011364173A CN112552696A CN 112552696 A CN112552696 A CN 112552696A CN 202011364173 A CN202011364173 A CN 202011364173A CN 112552696 A CN112552696 A CN 112552696A
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Abstract

本发明公开一种适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，原料按重量份包括基质沥青100份、硅系阻燃剂2～10份、协同剂1～5份、抑烟剂1～4份。所述硅系阻燃剂为聚硼硅氧烷，所述协同剂为无分支的长链聚合物聚磷酸铵，所述抑烟剂为经硅烷偶联剂表面改性的超细硼酸锌。充分利用其良好的协同阻燃作用，达到特长隧道热拌沥青混合料施工时低烟化的目的。这种“低烟”不仅包括特长隧道运营过程中在火灾发生时沥青燃烧产生的烟量低，而且还包括特长隧道在释放的沥青烟量低，前者可为特长隧道的运营提供了安全保障，后者可为特长隧道沥青路面施工提供了质量保障。相较于通过添加价格昂贵的温拌剂达到特长隧道沥青路面施工过程中低烟的目的，更节约经济成本。

Description

一种适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青及其制备 方法
技术领域
本发明涉及沥青材料，特别涉及一种适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青及其制备方法。
背景技术
随着我国经济实力的增强，以高速公路为代表的基础设施建设也得到了快速的发展。尤其是当下的高速公路越来越向地势险峻的深山峡谷地区延申，不仅隧道比例和隧道规模越来越大，而且往往是以隧道群或者特长隧道的形式出现。与传统的水泥混凝土路面相比，沥青路面具有灰尘小、噪声低、养护快捷等诸多优点已经成为当今隧道路面的主流。然而，特长隧道沥青路面铺装主要存在以下3方面的技术难题：如何解决施工难度大的问题、如何保证其施工质量的问题以及如何保证隧道群安全运营的问题。首先，对于长大隧道及隧道群来说，如果采用传统的热拌沥青路面铺装，施工时混合料释放的大量烟雾会弥漫在隧道内，一方面严重影响施工人员的视线和呼吸，严重危害施工人员的身心健康，另一方面也会通过影响施工人员的状态和干扰施工人员的视线而影响施工质量，因此施工难度极大，并严重污染环境；其次，隧道运营过程中一旦发生交通事故，隧道沥青路面在汽油或柴油的诱发下就可能着火燃烧并产生浓烟，同时释放出大量的有害物质，不仅直接威协着人们的生命财产安全，而且严重影响人们的逃生和救援工作。目前虽然有研究成果通过添加温拌剂降低沥青混合料的拌和温度而实现了施工过程中沥青烟的显著减少，但温拌剂价格十分昂贵。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青及其制备方法，通过特定的阻燃剂和抑烟剂，并充分利用其良好的协同阻燃作用，达到特长隧道热拌沥青混合料施工时低烟化的目的。
本发明的一种适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，原料按重量份包括以下组分：基质沥青100份、硅系阻燃剂2～10份、协同剂1～5份、抑烟剂1～4份，所述硅系阻燃剂为聚硼硅氧烷。
进一步，所述聚硼硅氧烷的制备方法包括以下步骤：
a.将甲苯、水和酸催化剂混合加热至75～85℃，然后加入硅烷反应17～23min，再加入三甲基甲氧基硅烷充分反应；
b.将步骤a中的反应物冷却至室温后洗涤至中性，经真空蒸馏制得聚硼硅氧烷；
进一步，所述硅烷为苯基三甲氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷的混合物，其中有机基团与Si原子的摩尔比为1：2；苯基与甲基的摩尔比为60：40；
进一步，所述抑烟剂为经偶联剂表面改性的超细硼酸锌，所述超细硼酸锌的分子式为B2O6Zn3，平均粒径为70～80nm，比表面积为24.3～31.5m2/g；
进一步，所述偶联剂为硅烷KH550；
进一步，所述超细硼酸锌的制备方法包括以下步骤：
a1.将超细硼酸锌在温度为120℃～140℃下烘干后加入硅烷偶联剂，在400～600r/min的转速下搅拌27～33min；
b1.将步骤a1中的溶液过滤后在温度为100～110℃下烘干；
进一步，将超细硼酸锌完全浸泡于用乙醇按体积比1：100稀释后的硅烷偶联剂中；
进一步，所述协同剂为无分支的长链聚合物聚磷酸铵，其分子结构通式为(NH4)n+ 2PnO3n+1，其中n的取值为75～80；
进一步，所述基质沥青为70#石油沥青。
本发明还公开一种适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
a2.将基质沥青缓慢加热至温度为140～145℃后加入硅系阻燃剂和协同剂，手动搅拌均匀后在温度为140～145℃下恒温10～15min，然后加入抑烟剂手动搅拌均匀后升温至150～160℃并在剪切速率为3000～5000r/min下高速剪切10～16min，
b2.停止加热并逐渐降低剪切速率至500～1000r/min低速剪切继续至气泡完全消失。
本发明的有益效果：本发明的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青及其制备方法，通过特定的阻燃剂和抑烟剂，并充分利用其良好的协同阻燃作用，达到特长隧道热拌沥青混合料施工时低烟化的目的。这种“低烟”不仅包括特长隧道运营过程中在火灾发生时沥青燃烧产生的烟量低，而且还包括特长隧道在释放的沥青烟量低，前者可为特长隧道的运营提供了安全保障，后者可为特长隧道沥青路面施工提供了质量保障。相较于通过添加价格昂贵的温拌剂达到特长隧道沥青路面施工过程中低烟的目的，更节约经济成本。
具体实施方式
实施例一
本实施例的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，原料按重量份包括以下组分：
基质沥青100份、硅系阻燃剂4份、协同剂2份、抑烟剂3份，所述硅系阻燃剂为聚硼硅氧烷。
本实施例中，所述聚硼硅氧烷的制备方法包括以下步骤：
a.在1000ml的三口烧瓶中,将120g甲苯、水和酸催化剂混合加热至80℃，然后加入120g硅烷反应20min，再加入少量三甲基甲氧基硅烷充分反应；
b.将步骤a中的反应物冷却至室温后用去离子水洗涤至中性，经真空蒸馏制得聚硼硅氧烷。
本实施例中，所述硅烷为苯基三甲氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷的混合物，其中有机基团与Si原子的摩尔比为1：2；苯基与甲基的摩尔比为60：40。
本实施例中，所述抑烟剂为经偶联剂表面改性的超细硼酸锌，所述超细硼酸锌的分子式为B2O6Zn3，平均粒径为75nm，比表面积为24.3m2/g；所述偶联剂为硅烷KH550。
本实施例中，所述超细硼酸锌的制备方法包括以下步骤：
a1.将超细硼酸锌在温度为130℃下烘干2h后加入用乙醇按体积比1：100稀释后的硅烷偶联剂，用量为将硼酸锌完全浸泡为宜，在500r/min的转速下搅拌30min；
b1.将步骤a1中的溶液过滤后在温度为105℃下烘干2h；
本实施例中，所述协同剂为无分支的长链聚合物聚磷酸铵，其分子结构通式为(NH4)n+2PnO3n+1，其中n的取值为75；所述基质沥青为70#石油沥青。
本实施例的用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
a2.将基质沥青缓慢加热至温度为142℃后加入硅系阻燃剂和协同剂，手动搅拌均匀后在温度为142℃下恒温13min，然后加入抑烟剂手动搅拌均匀后升温至155℃并在剪切速率为4000r/min下高速剪切14min，
b2.停止加热并逐渐降低剪切速率至700r/min低速剪切继续至气泡完全消失。
实施例二
本实施例的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，原料按重量份包括以下组分：
基质沥青100份、硅系阻燃剂5份、协同剂2份、抑烟剂2份，所述硅系阻燃剂为聚硼硅氧烷。
本实施例中，所述聚硼硅氧烷的制备方法包括以下步骤：
a.在1000ml的三口烧瓶中,将120g甲苯、水和酸催化剂混合加热至75℃，然后加入120g硅烷反应17min，再加入少量三甲基甲氧基硅烷充分反应；
b.将步骤a中的反应物冷却至室温后用去离子水洗涤至中性，经真空蒸馏制得聚硼硅氧烷。
本实施例中，所述硅烷为苯基三甲氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷的混合物，其中有机基团与Si原子的摩尔比为1：2；苯基与甲基的摩尔比为60：40。
本实施例中，所述抑烟剂为经偶联剂表面改性的超细硼酸锌，所述超细硼酸锌的分子式为B2O6Zn3，平均粒径为80nm，比表面积为31.5m2/g；所述偶联剂为硅烷KH550。
本实施例中，所述超细硼酸锌的制备方法包括以下步骤：
a1.将超细硼酸锌在温度为120℃下烘干2h后加入用乙醇按体积比1：100稀释后的硅烷偶联剂，用量为将硼酸锌完全浸泡为宜，在400r/min的转速下搅拌27min；
b1.将步骤a1中的溶液过滤后在温度为100℃下烘干2h；
本实施例中，所述协同剂为无分支的长链聚合物聚磷酸铵，其分子结构通式为(NH4)n+2PnO3n+1，其中n的取值为80；所述基质沥青为70#石油沥青。
本实施例的用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
a2.将基质沥青缓慢加热至温度为140℃后加入硅系阻燃剂和协同剂，手动搅拌均匀后在温度为140℃下恒温10min，然后加入抑烟剂手动搅拌均匀后升温至150℃并在剪切速率为3000r/min下高速剪切10min，
b2.停止加热并逐渐降低剪切速率至500r/min低速剪切继续至气泡完全消失。
实施例三
本实施例的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，原料按重量份包括以下组分：
基质沥青100份、硅系阻燃剂6份、协同剂2份、抑烟剂2份，所述硅系阻燃剂为聚硼硅氧烷。
本实施例中，所述聚硼硅氧烷的制备方法包括以下步骤：
a.在1000ml的三口烧瓶中,将120g甲苯、水和酸催化剂混合加热至85℃，然后加入120g硅烷反应23min，再加入少量三甲基甲氧基硅烷充分反应；
b.将步骤a中的反应物冷却至室温后用去离子水洗涤至中性，经真空蒸馏制得聚硼硅氧烷。
本实施例中，所述硅烷为苯基三甲氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷的混合物，其中有机基团与Si原子的摩尔比为1：2；苯基与甲基的摩尔比为60：40。
本实施例中，所述抑烟剂为经偶联剂表面改性的超细硼酸锌，所述超细硼酸锌的分子式为B2O6Zn3，平均粒径为75nm，比表面积为26m2/g；所述偶联剂为硅烷KH550。
本实施例中，所述超细硼酸锌的制备方法包括以下步骤：
a1.将超细硼酸锌在温度为140℃下烘干2h后加入用乙醇按体积比1：100稀释后的硅烷偶联剂，用量为将硼酸锌完全浸泡为宜，在600r/min的转速下搅拌33min；
b1.将步骤a1中的溶液过滤后在温度为110℃下烘干2h；
本实施例中，所述协同剂为无分支的长链聚合物聚磷酸铵，其分子结构通式为(NH4)n+2PnO3n+1，其中n的取值为78；所述基质沥青为70#石油沥青。
本实施例的用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
a2.将基质沥青缓慢加热至温度为145℃后加入硅系阻燃剂和协同剂，手动搅拌均匀后在温度为145℃下恒温15min，然后加入抑烟剂手动搅拌均匀后升温至160℃并在剪切速率为5000r/min下高速剪切16min；
b2.停止加热并逐渐降低剪切速率至1000r/min低速剪切继续至气泡完全消失。
实施例四
本实施例的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，原料按重量份包括以下组分：
基质沥青100份、硅系阻燃剂7份、协同剂3份、抑烟剂3份，所述硅系阻燃剂为聚硼硅氧烷。
本实施例中，所述聚硼硅氧烷的制备方法包括以下步骤：
a.在1000ml的三口烧瓶中,将120g甲苯、水和酸催化剂混合加热至75℃，然后加入120g硅烷反应23min，再加入少量三甲基甲氧基硅烷充分反应；
b.将步骤a中的反应物冷却至室温后用去离子水洗涤至中性，经真空蒸馏制得聚硼硅氧烷。
本实施例中，所述硅烷为苯基三甲氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷的混合物，其中有机基团与Si原子的摩尔比为1：2；苯基与甲基的摩尔比为60：40。
本实施例中，所述抑烟剂为经偶联剂表面改性的超细硼酸锌，所述超细硼酸锌的分子式为B2O6Zn3，平均粒径为74nm，比表面积为29.7m2/g；所述偶联剂为硅烷KH550。
本实施例中，所述超细硼酸锌的制备方法包括以下步骤：
a1.将超细硼酸锌在温度为120℃下烘干2h后加入用乙醇按体积比1：100稀释后的硅烷偶联剂，用量为将硼酸锌完全浸泡为宜，在600r/min的转速下搅拌27min；
b1.将步骤a1中的溶液过滤后在温度为110℃下烘干2h；
本实施例中，所述协同剂为无分支的长链聚合物聚磷酸铵，其分子结构通式为(NH4)n+2PnO3n+1，其中n的取值为76；所述基质沥青为70#石油沥青。
本实施例的用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
a2.将基质沥青缓慢加热至温度为140℃后加入硅系阻燃剂和协同剂，手动搅拌均匀后在温度为145℃下恒温10min，然后加入抑烟剂手动搅拌均匀后升温至160℃并在剪切速率为3000r/min下高速剪切16min，
b2.停止加热并逐渐降低剪切速率至500r/min低速剪切继续至气泡完全消失。
实施例五
本实施例的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，原料按重量份包括以下组分：
基质沥青100份、硅系阻燃剂8份、协同剂3份、抑烟剂4份，所述硅系阻燃剂为聚硼硅氧烷。
本实施例中，所述聚硼硅氧烷的制备方法包括以下步骤：
a.在1000ml的三口烧瓶中,将120g甲苯、水和酸催化剂混合加热至85℃，然后加入120g硅烷反应17min，再加入少量三甲基甲氧基硅烷充分反应；
b.将步骤a中的反应物冷却至室温后用去离子水洗涤至中性，经真空蒸馏制得聚硼硅氧烷。
本实施例中，所述硅烷为苯基三甲氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷的混合物，其中有机基团与Si原子的摩尔比为1：2；苯基与甲基的摩尔比为60：40。
本实施例中，所述抑烟剂为经偶联剂表面改性的超细硼酸锌，所述超细硼酸锌的分子式为B2O6Zn3，平均粒径为78nm，比表面积为25.5m2/g；所述偶联剂为硅烷KH550。
本实施例中，所述超细硼酸锌的制备方法包括以下步骤：
a1.将超细硼酸锌在温度为140℃下烘干2h后加入用乙醇按体积比1：100稀释后的硅烷偶联剂，用量为将硼酸锌完全浸泡为宜，在400r/min的转速下搅拌33min；
b1.将步骤a1中的溶液过滤后在温度为100℃下烘干2h；
本实施例中，所述协同剂为无分支的长链聚合物聚磷酸铵，其分子结构通式为(NH4)n+2PnO3n+1，其中n的取值为79；所述基质沥青为70#石油沥青。
本实施例的用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
a2.将基质沥青缓慢加热至温度为145℃后加入硅系阻燃剂和协同剂，手动搅拌均匀后在温度为140℃下恒温15min，然后加入抑烟剂手动搅拌均匀后升温至150℃并在剪切速率为5000r/min下高速剪切10min，
b2.停止加热并逐渐降低剪切速率至1000r/min低速剪切继续至气泡完全消失。
实施例六
本实施例的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，原料按重量份包括以下组分：
基质沥青100份、硅系阻燃剂7份、协同剂3份、抑烟剂5份，所述硅系阻燃剂为聚硼硅氧烷。
本实施例中，所述聚硼硅氧烷的制备方法包括以下步骤：
a.在1000ml的三口烧瓶中,将120g甲苯、水和酸催化剂混合加热至78℃，然后加入120g硅烷反应19min，再加入少量三甲基甲氧基硅烷充分反应；
b.将步骤a中的反应物冷却至室温后用去离子水洗涤至中性，经真空蒸馏制得聚硼硅氧烷。
本实施例中，所述硅烷为苯基三甲氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷的混合物，其中有机基团与Si原子的摩尔比为1：2；苯基与甲基的摩尔比为60：40。
本实施例中，所述抑烟剂为经偶联剂表面改性的超细硼酸锌，所述超细硼酸锌的分子式为B2O6Zn3，平均粒径为72nm，比表面积为26.3m2/g；所述偶联剂为硅烷KH550。
本实施例中，所述超细硼酸锌的制备方法包括以下步骤：
a1.将超细硼酸锌在温度为135℃下烘干2h后加入用乙醇按体积比1：100稀释后的硅烷偶联剂，用量为将硼酸锌完全浸泡为宜，在550r/min的转速下搅拌32min；
b1.将步骤a1中的溶液过滤后在温度为102℃下烘干2h；
本实施例中，所述协同剂为无分支的长链聚合物聚磷酸铵，其分子结构通式为(NH4)n+2PnO3n+1，其中n的取值为77；所述基质沥青为70#石油沥青。
本实施例的用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
a2.将基质沥青缓慢加热至温度为141℃后加入硅系阻燃剂和协同剂，手动搅拌均匀后在温度为143℃下恒温12min，然后加入抑烟剂手动搅拌均匀后升温至155℃并在剪切速率为3200r/min下高速剪切13min，
b2.停止加热并逐渐降低剪切速率至800r/min低速剪切继续至气泡完全消失。
以上6个实例制得的低烟型阻燃改性沥青，其路用性能、阻燃性和抑烟性能列于下表。
表1 70#基质沥青与几种低烟型阻燃改性沥青的路用性能和阻燃性能
Figure BDA0002804948080000101
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，其特征在于：原料按重量份包括以下组分：基质沥青100份、硅系阻燃剂2～10份、协同剂1～4份、抑烟剂2～5份，所述硅系阻燃剂为聚硼硅氧烷。
2.根据权利要求1所述的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，其特征在于：所述聚硼硅氧烷的制备方法包括以下步骤：
a.将甲苯、水和硼酸混合加热至75～85℃，然后加入硅烷反应17～23min，再加入三甲基甲氧基硅烷充分反应；
b.将步骤a中的反应物冷却至室温后洗涤至中性，经真空蒸馏制得聚硼硅氧烷。
3.根据权利要求2所述的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，其特征在于：所述聚硼硅氧烷为苯基三甲氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷的混合物，其中有机基团与Si原子的摩尔比为1：2；苯基与甲基的摩尔比为60：40。
4.根据权利要求1所述的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，其特征在于：所述抑烟剂为经偶联剂表面改性的超细硼酸锌，所述超细硼酸锌的分子式为B2O6Zn3，平均粒径为70～80nm，比表面积为24.3～31.5m2/g。
5.根据权利要求4所述的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，其特征在于：所述偶联剂为硅烷KH550。
6.根据权利要求4所述的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，其特征在于：所述超细硼酸锌的制备方法包括以下步骤：
a1.将超细硼酸锌在温度为120℃～140℃下烘干后加入硅烷偶联剂，在400～600r/min的转速下搅拌27～33min；
b1.将步骤a1中的溶液过滤后在温度为100～110℃下烘干。
7.根据权利要求6所述的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，其特征在于：将超细硼酸锌完全浸泡于用乙醇按体积比1：100稀释后的硅烷偶联剂中。
8.根据权利要求1所述的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，其特征在于：所述协同剂为无分支的长链聚合物聚磷酸铵，其分子结构通式为(NH4)n+2PnO3n+1，其中n的取值为75～80。
9.根据权利要求1所述的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青，其特征在于：所述基质沥青为70#石油沥青。
10.根据权利按要求1所述的适用于特长隧道铺装的低烟型阻燃改性沥青的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a2.将基质沥青缓慢加热至温度为140～145℃后加入硅系阻燃剂和协同剂，手动搅拌均匀后在温度为140～145℃下恒温10～15min，然后加入抑烟剂手动搅拌均匀后升温至150～160℃并在剪切速率为3000～5000r/min下高速剪切10～16min，
b2.停止加热并逐渐降低剪切速率至500～1000r/min低速剪切继续至气泡完全消失。
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