CN113337215A - 隧道路面用阻燃型涂层材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道路面用阻燃型涂层材料及其制备方法，属于道路工程领域。所述涂层材料由特定配比的主溶剂一、沥青胶结料、功能填料、改性母料、稳定剂、催干剂制备而成，20℃时的涂层材料测试的布氏粘度为2000‑4000cPs，涂料蒸发后残留物测试极限氧指数≥27％。和现有技术相比，本发明提供的涂层材料能够大幅度的提高路面阻燃、防水、抗滑和耐磨性能，提高了隧道内行车的安全性，且实施工艺简便、性能稳定，具有很好的推广应用价值。

Description

隧道路面用阻燃型涂层材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及道路工程领域，具体提供一种隧道路面用阻燃型涂层材料及其制备方法。

背景技术

随着我国公路网的不断完善，公路建设得到蓬勃的发展，公路隧道的里程也不断增加，由于沥青路面具有优良的路用性能且易于养护，被广泛应用于道路建设中，隧道空间相对封闭，通风条件相对很差，沥青是易燃材料，如果隧道内发生交通事故引起沥青路面着火，燃烧产生的毒气、烟雾和热量很难散失，导致人员逃生困难，往往造成灾难性事故。因而，降低或避免隧道沥青路面火灾，研究隧道沥青混凝土路面的阻燃技术非常重要。

阻燃技术的研究主要集中两个方面，一个是结合沥青混合料的路用性能开展阻燃剂材料的选择研究，一个是具备阻燃性能的养护新材料研发，后者属于当前研究的空白和热点区域。

阻燃剂的作用是通过释放易燃惩成分或降低助燃条件达到降低或减缓充分燃烧的机率。阻燃剂种类繁多，性能各异，通常按照化学组成和使用方式进行分类。若按使用方式，阻燃剂可分为添加型和反应型两类。若按化学组成可分为无机和有机阻燃剂两大类，常用的阻燃剂按有效元素分类，可分为：溴系、氯系、磷系、氮系和锑基、铝(镁)基、硼基阻燃剂等等；根据阻燃有效元素将阻燃剂分为无卤阻燃剂、卤(含氯、溴)系阻燃剂；还可分成有机阻燃剂和无机阻燃剂；根据协同作用可再分成若干种复合阻燃剂。

(1)填料型阻燃剂

填料型阻燃剂多为粉末状无机化合物，常用的品种有氢氧化铝(ATH)、氢氧化镁(MH)、陶土、水合硅酸镁、碳酸钙等。主要优点是可以同时起到阻燃和填充作用，燃烧时不产生有毒或腐蚀性气体，价格低廉且有抑烟功效，缺点是阻燃效率比较低，通常需填充很大量时才能满足阻燃要求，往往会影响沥青材料的物流性能和加工性能。

(2)化学阻燃剂

化学阻燃剂主要有以下几类：卤素系、磷系、氮系、锑系、硼系和硅系等。既可以单独使用也可以几种阻燃剂复合使用，形成协效阻燃体系，常用的阻燃锑系有：卤-锑、卤-磷、溴-氮、溴-氮、磷-氮、磷-磷、卤-硼、锑-磷等。

1)锑、硅、锡体系

锑类阻燃剂是一种传统的阻燃剂，主要包括Sb₂O₃、Sb₂O₅以及一些有机锑的化合物，Sb₂O₃应用和研究最多。这类阻燃剂属于辅助型阻燃剂，单独使用阻燃效果不佳，必须与含卤阻燃剂复配使用才能发挥它的阻燃作用。

2)铜、锌体系

大量的研究表明铜的化合物是十分有效的抑烟剂，主要有CuO、Cu₂O、Cul、Cu₂O₄等，大量试验发现铜离子加快了PVC的热讲解和脱HCL的速度，促进了分子链更早更快地交联。但铜、锌体系的化合物很少单独的用作阻燃剂，一般用作消烟剂。

3)磷、卤系

磷系阻燃剂在室温下多为液态，发烟量大，要求被阻燃结构中含有大量H，O元素才能脱水形成碳化层，因而其应用受到很大限制。卤系阻燃剂主要包括氯系和溴系两大类。从使用情况看，含溴阻燃剂使用更加普遍。这主要是由于溴化物热分解后腐蚀性和毒性相对较小，而且阻燃效果比氯化物好。

4)膨胀型阻燃剂

膨胀型阻燃剂(IFR)一般是以P，N，C元素为核心成分的复合阻燃剂。通常由碳源(成炭剂)、酸源(脱水剂)和气源(膨胀剂)三部分组成。燃烧时，各组分间发生化学反应生成多孔膨胀炭层，该炭层能起到隔热、隔氧、抑烟和防熔滴作用，从而达到阻燃的目的。但膨胀型阻燃剂必须与阻燃的聚合物相匹配才能发挥好的阻燃效果。

发明内容

本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种能够大幅度的提高路面的阻燃性能和防水性能，增加了隧道内行车的安全性的隧道路面用阻燃型涂层材料。

本发明的技术任务是按以下方式实现的：一种隧道路面用阻燃型涂层材料，主要由以下重量配比的原料制成：

所述主溶剂一为有机溶剂；

所述沥青胶结料为低标号、高软化点沥青；

所述功能填料由阻燃填料和耐磨填料组成；

涂层材料20℃时的布氏粘度为2000-4000cPs，蒸发后残留物测试极限氧指数≥27％。

各原料的重量配比优选为：

作为优选，所述改性母料由主溶剂二、改性剂、抗渗剂、偶联剂制得，

主溶剂二、改性剂、抗渗剂、偶联剂的重量比为(30-55):(8-17):(7-19):(4-11)，特别优选为(40-55):(12-17):(12-19):(8-11)；

所述主溶剂二为120#溶剂油、140#溶剂油、200#溶剂油、轻柴油、汽油中的一种或多种物质的混合物；

所述改性剂优选为苯乙烯-丁二烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物和和氯丁胶乳中的一种或几种的混合物；

所述抗渗剂为不饱和脂肪酸类物质，熔点≤20℃，数均分子量≤400，用于改善界面粘结，优选为油酸、棕榈油酸和大豆油酸中的一种或多种物质的混合物；

所述偶联剂为乙烯基硅烷类偶联剂。

进一步的，改性母料的制备方法优选为：

在密闭容器内充氮保护条件下，主溶剂二、抗渗剂在30-60℃下搅拌至完全溶解，然后依次加入偶联剂、改性剂，继续搅拌一定时间后，自然降至室温，然后超声处理一定时间，得到活化的改性母料。

超声处理的处理时间优选为10-30min，特别优选15-25min；振动频率优选为30-40KHz，特别优选23-27KHz。

主溶剂一优选为120#溶剂油、140#溶剂油、200#溶剂油、轻柴油、汽油中的一种或多种物质的混合物。

为了保证涂层材料在高温条件下的稳定性，作为优选，所述沥青胶结料25℃时针入度≤50(0.1mm)，软化点≥65℃，特别是优选为岩沥青、特立尼达湖沥青、50#沥青、40#沥青、30#沥青、20#沥青和10#沥青中的一种或多种物质的混合物。

作为优选，功能填料中阻燃填料和耐磨填料的重量比为(10-15):(25-65)，优选为(10-15):(40-50)；

所述阻燃填料包括细度不低于1200目的氢氧化铝和/或十溴二苯乙烷，所述耐磨填料包括细度不低于200目的磨碎石灰岩、玄武岩、滑石粉、金刚砂和/或钢渣粉。

作为优选，阻燃填料为氢氧化铝和十溴二苯乙烷的混合物时，氢氧化铝占阻燃填料总重量的50％以上。

作为优选，所述稳定剂为木质纤维素，其纤维长度100-500微米；所述催干剂为环烷酸皂和亚硫酸盐(如亚硫酸钠、亚硫酸镁等)中的一种或两种的混合物。

为了提升涂层材料的其它施工特性，本发明涂层材料中还可以添加调味剂，以乙酸乙酯为优选；添加着色剂，优选为丙烯酸树脂类、环氧树脂类有机着色剂，或者炭黑、氧化铁、二氧化锰、氧化铬、酞青蓝、群青蓝等无机着色剂。

本发明进一步的技术任务是提供一种隧道路面用阻燃型涂层材料的制备方法。

隧道路面用阻燃型涂层材料的制备方法，其特点是涂层材料的制备过程在密闭容器内氮气保护下进行，包括以下步骤：

S1.主溶剂二、抗渗剂在30-60℃下搅拌至完全溶解，然后依次加入偶联剂、改性剂，继续搅拌一定时间后，自然降至室温，然后超声处理一定时间，得到活化的改性母料；

S2.将沥青胶结料加热至120-150℃，然后冷却至维持流动可输送状态，得到组分A；

S3.将主溶剂一与改性母料在30-60℃温度下混合、搅拌均匀，得到组分B；

S4.将组分A缓慢加入组分B中混合，然后依次加入稳定剂、催干剂、功能填料，搅拌均匀制得沥青路面长效疏水涂层材料，

各原料重量配比为：

所述主溶剂为有机溶剂；

所述沥青胶结料为低标号、高软化点沥青；

所述功能填料包含阻燃填料和耐磨填料；

20℃时的涂层材料测试的布氏粘度为2000-4000cPs，涂料蒸发后残留物测试极限氧指数≥27％。

为了使涂层材料满足粘度和干燥时间的指标要求，在制备过程中可以采用以下方法进行调控：

(1)在温度20℃时，用Bookefield(主轴6号)测试制得的沥青路面长效疏水涂层材料的粘度，如果粘度高于所需材料的控制指标，则按照制得的沥青路面长效疏水涂层材料总量的1％的比例递增，加入主溶剂一或主溶剂二，搅拌均匀，通过反复粘度试验，直到达到所需的粘度；如果材料的粘度低于控制指标，则按照制得的沥青路面长效疏水涂层材料总量的1％的比例递增，加入功能填料，搅拌均匀，通过反复粘度试验，直到达到所需的粘度；

(2)将涂层材料进行预铺设试验，若干燥时间不满足要求，则铺设使用前按照涂层材料总量的1％比例加入催干剂，直至满足使用要求。

表1干燥时间与环境温度要求

40℃	30℃	20℃	15℃
				30～45min	约60min	约90min	超过180min

(3)对涂层材料蒸发后的残留物进行难燃性检测，用极限氧指数表征，涂料蒸发后残留物的极限氧指数≥27％。如极限氧指数＜27％，调整功能填料中阻燃填料的重量比例，或阻燃填料中氢氧化铝重量比例。

本发明长效疏水涂层材料可利用常规的高压喷洒车进行喷洒施工，可直接喷洒在下层路面结构层，也可在喷洒前对下层路面结构进行抛丸等预处理。

喷洒量优选为0.6-1.3Kg/m²。

不同路面类型和病害情况下的最佳喷洒量见表2。

表2不同路面类型和病害情况下的最佳喷洒量

路面类型	主要病害描述	洒布量范围(Kg/m<sup>2</sup>)
			AC沥青混凝土路面	磨光、松散、沥青膜缺失	0.6～0.85
SMA沥青混凝土路面	松散、沥青膜缺失	0.9～1.3
			沥青碎石路面	松散	1.0～1.3
AK沥青混凝土路面	松散、沥青膜缺失	1.0～1.3

实施过程中，沥青路面的抗滑能力和构造纹理可分为“粗糙”、“适中”、“光滑”三种状态，一般情况下，偏“光滑”状态宜采用洒布量推荐范围的低限。

所述高压喷洒车，泵的喷洒压力优选为18-22Kg，混合料的流量控制优选为320-350Kg/min，行车速度宜控制在7-9Km/h，喷洒时，喷洒设备应保持速度和喷洒量的稳定，在整个洒布宽度范围内，应喷洒均匀。喷洒车的喷洒管，离地高度优选为350～450mm并能予以固定，相邻喷油嘴间距优选为200～400mm，喷油嘴的喷雾宽度应相互重叠，同一地点接受两个或三个喷油嘴喷洒的材料，并不得出现花白条。

和现有技术相比，本发明的隧道路面用阻燃型涂层材料及其制备方法具有以下突出的有益效果：

(一)采用的沥青胶结料具有低标号、高软化点等特性，与主溶剂相容性较好，施工期间具有良好的和易性，施工后能够缩短干燥时间，使用期间能保障良好的高温稳定性；

(二)采用环保型有机溶剂为主溶剂，具有较高的溶解性和工后挥发性，较市场上传统的乳化类“水性”沥青基涂料，疏水性和水稳定性均得到提高；

(三)以特定方法得到的活化改性母料具有较高粘合强度，并有优良的耐气候、防渗和耐久等特性；

(四)以阻燃型填料为涂层材料的主要成分，在活化的改性母料作用下，可以很好地与沥青胶结料相互结合，既提高了涂层材料的稳定性、耐磨抗滑性，又提高了路面材料的阻燃性。具体机理如下：改性母料中不饱和脂肪酸中的双键在超声活化过程中发生交联聚合形成低聚的两亲性表面活性物质，其中长链部分可以很好的与沥青质胶团相互融合，形成溶凝胶型结构，而亲水性部分可以与阻燃型填料的无机盐相同融合，因此，活化母料的存在增强了阻燃型填料与沥青粘结料之间的紧密结合度，提高了涂层材料的稳定性、耐磨性和抗滑性；而阻燃剂氢氧化铝遇热分解，吸收大量热量，起到冷却作用，分解产生的水蒸气可以稀释可燃气体，抑制燃烧的蔓延；分解产生的氧化铝具有较高的活性，会在材料表面形成一层炭化膜，减弱燃烧时的传热、传质效应，从而起到阻燃作用。

(五)采用木质纤维素作为稳定剂，由于其优良的柔韧性及分散性，与沥青胶结料混合后可形成三维网状结构，进一步增加了沥青粘结料和功能填料之间的粘附性，避免了分层离析，提高了涂层材料的稳定性和耐久型；

(六)催干剂的添加，是在涂层材料作用于破损的沥青路面时起到提高沥青混合涂层材料膜化速度、加速固化的作用；

(七)当涂层材料作用于破损的沥青路面时，各种组分会均匀的分散于裸露的集料表面起到有效的保护作用：其中涂层材料中的功能填料和沥青粘结料在裸露的集料表面会形成高劲度沥青玛蹄脂，提高了路面的耐磨性；涂层材料中硅烷偶联剂的烷氧基会与功能填料表面的碳酸基团发生羰基反应，硅醇键之间相互缔合形成表面膜附着于裸露的集料表面，进一步增强了涂层材料与裸露集料之间的紧密融合；

(八)涂层材料中各物料相互作用，不仅使得涂层材料具备稳定存储、均匀喷涂、喷涂后溶剂挥发快、良好的粘附性(粘附等级5级)、优良的耐磨性(寿命6-10年)，还能够保证涂层材料具体适当的流动性，可以实现喷洒作业，降低施工难度，提高工作效率。

(九)采用环保型的无机阻燃剂和溴系阻燃剂复合，按照“同时同地”理论发挥协效作用，即有机卤素阻燃剂在沥青燃烧初期发挥很大的阻燃作用；在沥青燃烧的中期和后期，无机金属化合物发挥主导阻燃作用，使涂层材料在发挥防水、防松散的养护作用同时，兼备了防火阻燃的功能，提升了隧道内行车安全系数，采用的阻燃材料资源丰富、价格低廉且实施工艺简单，具有良好的性价比和市场推广潜力。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定，即所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：改性母料的制备。

表3改性母料物料配比及参数控制

材料说明：

油酸：分子量282.46，熔点13-14℃；

棕榈油酸：分子量254.41，熔点0.5℃；

大豆油酸：280≤分子量≤284，熔点15℃。

【制备方法】

将配方量的主溶剂二、抗渗剂加入到小型反应釜中，在50℃下搅拌20min使之溶解完全，然后依次加入硅烷偶联剂、改性剂，维持温度继续搅拌40min，自然降至室温后，超声处理一定时间，得到活化的改性母料，分别记为母料1、母料2、母料3、母料4、母料5、母料6、母料7、母料8。试验全过程在密闭反应容器中进行，试验前进行充氮除氧。

实施例二：隧道路面用阻燃型涂层材料的制备。

表4涂层材料物料配比

材料说明：

青川岩沥青：25℃时针入度3(0.1mm)，软化点220℃；

50#沥青：25℃时针入度45(0.1mm)，软化点67℃；

40#沥青：25℃时针入度38(0.1mm)，软化点70℃；

30#沥青：25℃时针入度28(0.1mm)，软化点72℃；

【制备方法】

A1、将沥青胶结料加热至135℃，然后冷却至维持流动可输送状态，得到组分A；

A2.将主溶剂一与改性母料在50℃温度下混合、搅拌均匀，得到组分B；

A3.将组分A缓慢加入组分B的主搅拌器中混合，然后依次加入稳定剂、催干剂、功能填料，搅拌均匀制得最终的沥青路面长效疏水涂层材料,记为实例一、实例二、实例三、实例四、实例五、实例六、实例七、实例八。

步骤A1-A3均在密闭容器内氮气保护下进行。

【成品调控】

(1)在温度20℃时，用Bookefield(主轴6号)测试制得的沥青路面长效疏水涂层材料的粘度，如果粘度高于所需材料的控制指标，则按照制得的沥青路面长效疏水涂层材料总量的1％的比例递增，加入主溶剂一或主溶剂二，搅拌均匀，通过反复粘度试验，直到达到所需的粘度；如果材料的粘度低于控制指标，则按照制得的沥青路面长效疏水涂层材料总量的1％的比例递增，加入功能填料，搅拌均匀，通过反复粘度试验，直到达到所需的粘度。

(2)将涂层材料进行预铺设试验，若干燥时间不满足要求，则铺设使用前按照涂层材料总量的1％比例加入催干剂，直至满足使用要求。

(3)对涂层材料蒸发后的残留物进行难燃性检测，用极限氧指数表征，涂料蒸发后残留物的极限氧指数≥27％。如极限氧指数＜27％，调整功能填料中阻燃填料的重量比例，或阻燃填料中氢氧化铝重量比例。

【性能测定】

将上述各制备方法得到的涂层材料灌入喷洒设备容器罐内，搅拌均匀后进行路面洒布试验,喷洒量1Kg/m²。

控制参数为：

作业车辆：Halik-CH-32000I专业高压喷洒车；

喷洒流量：347Kg/min；

喷洒压力：20Kg；

作业时速：8Km/h；

洒布管的离地高度：400mm；

相邻喷油嘴间距：300mm。

【检测结果】

表5.检测结果

由表5检测数据可以看出，上述所有实施例材料的各种性能均符合施工质量要求。其中，涂层材料布氏粘度数据(3000-3500cPs)，表明材料具有适当的流动性，可实现连续喷洒作业；极限氧指数(LOI)均在30-38范围内，表明，阻燃剂填料的加入可极大地提高路面的阻燃性；同时，构造深度、摩擦系数、粘结强度和耐磨性数据均远优于标准质量要求，表明活化改性母料的加入使路面耐磨抗滑性能得到提升；疏水系数测试结果表明路面的疏水性能得到提高。

综上所述，采用该方法制备的隧道路面用阻燃型涂层材料可以极大地提高路面阻燃、抗滑、疏水、耐磨等，提升路面的综合性能，延长路面使用寿命。

Claims (10)

1.隧道路面用阻燃型涂层材料，其特征在于主要由以下重量配比的原料制成：

所述主溶剂一为有机溶剂；

所述沥青胶结料为低标号、高软化点沥青；

所述功能填料由阻燃填料和耐磨填料组成；

涂层材料20℃时的布氏粘度为2000-4000cPs，蒸发后残留物测试极限氧指数≥27％。

2.根据权利要求1所述的隧道路面用阻燃型涂层材料，其特征在于：所述改性母料由主溶剂二、改性剂、抗渗剂、偶联剂制得，

主溶剂二、改性剂、抗渗剂、偶联剂的重量比为(30-55):(8-17):(7-19):(4-11)，

所述主溶剂二为120#溶剂油、140#溶剂油、200#溶剂油、轻柴油、汽油中的一种或多种物质的混合物；

所述改性剂为苯乙烯-丁二烯共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物和氯丁胶乳中的一种或几种的混合物；

所述抗渗剂为不饱和脂肪酸类物质，熔点≤20℃，数均分子量≤400，为油酸、棕榈油酸和大豆油酸中的一种或多种物质的混合物；

所述偶联剂为乙烯基硅烷类偶联剂。

3.根据权利要求2所述的隧道路面用阻燃型涂层材料，其特征在于改性母料的制备方法为：

氮气保护下，主溶剂二、抗渗剂在30-60℃下搅拌至完全溶解，然后依次加入偶联剂、改性剂，继续搅拌一定时间后，自然降至室温，然后超声处理一定时间，得到活化的改性母料。

4.根据权利要求3所述的隧道用路面反光型封水涂层材料，其特征在于：超声处理的处理时间为10-30min，振动频率为30-40KHz。

5.根据权利要求1所述的隧道路面用阻燃型涂层材料，其特征在于：所述主溶剂一为120#溶剂油、140#溶剂油、200#溶剂油、轻柴油、汽油中的一种或多种物质的混合物。

6.根据权利要求1所述的隧道路面用阻燃型涂层材料，其特征在于：所述沥青胶结料25℃时针入度≤50(0.1mm)，软化点≥65℃，为岩沥青、特立尼达湖沥青、50#沥青、40#沥青、30#沥青、20#沥青和10#沥青中的一种或多种物质的混合物。

7.根据权利要求1所述的隧道路面用阻燃型涂层材料，其特征在于：功能填料中阻燃填料和耐磨填料的重量比为(10-15):(25-65)，

所述阻燃填料包括细度不低于1200目的氢氧化铝和/或十溴二苯乙烷；所述耐磨填料包括细度不低于200目的磨碎石灰岩、玄武岩、滑石粉、金刚砂和/或钢渣粉。

8.根据权利要求7所述的隧道路面用阻燃型涂层材料，其特征在于：阻燃填料为细度不低于1200目的氢氧化铝和十溴二苯乙烷的混合物，氢氧化铝占阻燃填料总重量的50％以上。

9.根据权利要求1所述的隧道路面用阻燃型涂层材料，其特征在于：所述稳定剂为木质纤维素；所述催干剂为环烷酸皂和亚硫酸盐中的一种或两种的混合物。

10.隧道路面用阻燃型涂层材料的制备方法，其特征在于：涂层材料的制备过程在密闭容器内氮气保护下进行，包括以下步骤：

S1.主溶剂二、抗渗剂在30-60℃下搅拌至完全溶解，然后依次加入偶联剂、改性剂，继续搅拌一定时间后，自然降至室温，然后超声处理一定时间，得到活化的改性母料；

S2.将沥青胶结料加热至120-150℃，然后冷却至维持流动可输送状态，得到组分A；

S3.将主溶剂一与改性母料在30-60℃温度下混合、搅拌均匀，得到组分B；

S4.将组分A缓慢加入组分B中混合，然后依次加入稳定剂、催干剂、功能填料，搅拌均匀制得沥青路面阻燃型长效疏水涂层材料，

各原料重量配比为：

所述主溶剂一为有机溶剂；

所述沥青胶结料为低标号、高软化点沥青；

所述功能填料由阻燃填料和耐磨填料组成；

涂层材料20℃时的布氏粘度为2000-4000cPs，蒸发后残留物测试极限氧指数≥27％。