层状双金属氢氧化物对沥青阻燃及路用性能影响的研究

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随着国家经济的发展,城镇化进程加快,越来越多的隧道沥青路面出现在高速公路和城市快速路的建设中。但由于隧道半封闭的空间,使得隧道内一旦发生火灾,短时间内大量的热量将引燃沥青路面,助力火灾强度,危害人员的人身财产安全,所以进行隧道阻燃沥青研究具有重要意义。本研究工作受国家自然科学基金“沥青燃烧全相态物质变迁规律及靶向型阻燃体系构建”(51808521)以及浙江省自然科学基金“基于沥青组成特性的阻燃性能优化研究”(LQ17E080011)的资助。首先,采用四组分分析法对基质沥青进行了组分分离,并对各组分进行热重分析;采用热重-差热和锥形量热仪试验对基质沥青进行燃烧热分析。其次,选择四种LDHs制备10wt%掺量的沥青胶浆,对其进行样品表征、极限氧指数和锥形量热仪试验,优选了LDHs。然后,采用极限氧指数和锥形量热仪试验,研究了ZnMgAl-CO3-LDHs(Z-LDHs)掺量对沥青阻燃性能的影响,并结合热重-差热和残渣分析揭示了Z-LDHs阻燃机理。最后,基于Superpave体系研究了高Z-LDHs掺量(25wt%)对沥青施工和易性、高温性能、抗老化性能和低温性能的影响。主要研究结果如下:(1)沥青四组分中饱和分热稳定性最差,沥青质的热稳定性最好且燃烧残余百分比最多,而芳香分含量最高对沥青燃烧贡献最大;基质沥青燃烧分为三个主要阶段,各阶段燃烧最大失重速率依次增大,在第三个阶段质量损失百分率和质量损失速率均达最大;在50 kW·m-2的中等火灾规模辐射条件下,基质沥青的燃烧热释放速率峰值可达762 kW·m-2。(2)10wt%LDHs掺量的沥青胶浆中,LDHs并未发生剥离,在沥青中晶相良好,未有沥青进入LDHs层间;LDHs可以提升沥青的氧指数,但10wt%LDHs的掺量对沥青氧指数提升效果并不明显,不能达到隧道阻燃沥青氧指数要求。LDHs的加入可以降低沥青燃烧的热释放速率(HRR)和生烟速率(SPR),且当LDHs的掺量为10wt%时Z-LDHs对沥青的峰值HRR和峰值SPR降低效果最明显。(3)沥青胶浆在Z-LDHs掺量为25wt%时,可达到隧道阻燃沥青氧指数要求。当Z-LDHs掺量低于25wt%时,随着Z-LDHs添量的增加,单位百分比Z-LDHs掺量提升沥青胶浆氧指数的效果先降低再升高、Z-LDHs对沥青峰值HRR和峰值SPR以及单位燃烧量的发烟量的降低效果先升高后降低再升高;Z-LDHs掺量的增加对沥青胶浆平均HRR的降低作用有限。低添量(2wt%)时Z-LDHs对沥青的阻燃作用,主要是通过Z-LDHs的层状阻隔、对表面碳层的完整性、抗氧化性和致密性的提升实现的;高掺量(25wt%)时Z-LDHs对沥青的阻燃机理主要为Z-LDHs的稀释作用和提升表面碳层完整性和抗氧化性,且高掺量的Z-LDHs不利于致密碳层的形成;Z-LDHs在沥青中并不能起到明显的吸热阻燃效果。(4)高Z-LDHs下,沥青胶浆布氏旋转粘度增大,但仍满足规范要求施工条件;Z-LDHs可以提高沥青胶浆的车辙因子和复数剪切模量,提升沥青胶浆的高温性能;降低沥青胶浆的复数剪切模量和车辙因子提升幅度,提高胶浆的抗老化性;小幅增加沥青胶浆的刚度,但回弹性能依然不低于基质沥青,对沥青的低温损害基本可以忽略不计。
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