基于沥青多组分燃烧特性的钙基纳米复合阻燃体系研究

发布时间：2019-09-02 15:55

【摘要】：伴随着沥青路面在长大隧道的大规模应用,沥青材料的火灾安全性被国内外学者所广泛关注。利用阻燃剂提升沥青的阻燃抑烟性能是解决这一问题的主流技术手段。目前,阻燃剂的发展趋势是无毒、抑烟、高效、复配化。因此,研究沥青的热解燃烧特性,并结合阻燃剂的发展趋势,开发一种阻燃与路用性能俱佳的高性价比无机复合阻燃体系,无疑具有重要的意义和价值。本研究采用热重-差热-红外光谱联用、锥形量热仪等测试分析手段,结合热分析动力学方法,研究沥青多组分的热解燃烧特性及动力学特征,分析氧浓度对沥青热解燃烧特性及烟气释放规律的影响；同时,探索微米级氢氧化钙(HL)和纳米蒙脱土(MMT)的阻燃抑烟作用及机理,并分析二者与氢氧化铝(ATH)的协同阻燃作用；最后,提出一种新型的HL/ATH/MMT复合沥青阻燃体系(HAM),并对HAM的阻燃抑烟性能与路用性能进行研究。得到的主要结论如下：1.沥青四组分的热解均呈明显的单峰特征,且各组分间热解的相互影响较弱。其中,饱和分、芳香分和胶质均为气化扩散机理控制,而饱和分的初始热解温度最低、失重速率最大、残余质量最小,是决定沥青点燃特性的关键。沥青燃烧具有两阶段特征,其中饱和分和沥青质分别主要在第一和第二阶段发生反应,而芳香分和胶质在沥青燃烧两阶段中的失重占比均较大,抑制芳香分和胶质的燃烧对控制沥青燃烧过程和烟气释放极为关键。2.隧道火灾中燃烧通常在贫氧环境下进行,随着氧气浓度的降低,沥青非氧化热解比例增加,燃烧的热释放速率明显下降；燃烧第一阶段的活化能增加,反应出现滞后,甲烷、醛类、烯烃类、芳香族化合物等有机挥发分相对析出量增加；而第二阶段燃烧强度明显降低,CO2、CO等燃烧产物的析出量减少,残渣量增加。此外,随着升温速率的增加,沥青的燃烧速度同步提高,燃烧出现滞后,第一阶段失重比例增加,燃烧不完全程度增加。3.氢氧化钙(HL)在氧指数和热释放速率等指标表现出与氢氧化镁(MH)相当的阻燃作用,但抑制总发烟量和CO产率的效果更佳。与MH以气相阻燃作用为主不同,HL主要起凝聚相阻燃作用,一方面可以抑制饱和分等轻质组分的热解析出,另一方面在沥青燃烧过程中HL会发生并行的脱水和碳酸化反应,碳酸化反应生成的CaC03可促进沥青表面形成致密的惰性层,促进芳香分和胶质发生交联与稠环化,从而抑制沥青的燃烧与烟气释放。同时,由于HL和氢氧化铝(ATH)具有不同的阻燃机理和阻燃作用温区,两者复配可展现出较好的协同阻燃作用。4.纳米蒙脱土(MMT)可促进沥青燃烧表面阻隔层的生成,降低热释放速率,延长燃尽时间,但提升沥青氧指数的效果不明显。MMT与ATH具有协同阻燃的效果,两者复配可进一步降低沥青燃烧的热释放速率和燃尽率。5.采用MMT制备改性沥青,并使用HL和ATH替代部分矿粉,形成复合沥青阻燃体系(HAM)。当HL、ATH和MMT的掺量分别为沥青质量的12.5%、12.5%和3%时,沥青氧指数达25.0%；相比基质沥青混合料,HAM点燃时间延长73 s,平均热释放速率和总热释放量分别下降35.1%和45.3%,总发烟量和CO产率分别下降48.6%和55.1%；HAM的混合料高、低温性能与水稳定性也均有明显提升。HAM不仅阻燃与路用性能俱佳,且性价比优势明显。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U414

【参考文献】