含氢氧化镁阻燃剂的沥青混合料性能研究外文翻译资料

含氢氧化镁阻燃剂的沥青混合料性能研究

摘要：在这项研究中，进行了水平燃烧，极限氧指数（LOI）和直接燃烧测试，以评估氢氧化镁（MH）对沥青阻燃性的影响。还使用马歇尔稳定性试验和间接拉伸强度试验评估了MH对沥青混合料机械性能的影响。结果表明，MH（氢氧化镁）提高了沥青的热稳定性。MH的存在将沥青的水平燃烧分类从FH-3降低到FH-1，并且LOI（极限氧指数）也增加了。观察到平均燃烧时间和质量损失的减少。减少了沥青释放的易燃挥发物的量。通过用等量的MH代替沥青中的某些矿物填料，可以提高马歇尔稳定性，并减少其损失。同样，间接拉伸强度（ITS）有所增加，但ITS损失略有增加。结论是，MH可以用作沥青混合料的阻燃剂，而不会显着降低原始路面性能。这可以提供新颖和更安全的道路材料，尤其是用于隧道道路的材料。

关键词：沥青粘结剂； 氢氧化镁； 阻燃性； 路面性能

1. 介绍

由于沥青路面具有驾驶舒适性和安全性，低噪音水平，快速施工，易于维护等优点，因此已广泛用于大型公路隧道^[1]。然而，沥青部分地由碳氢化合物组成，并且沥青粘合剂材料在大约300℃时开始分解，例如在隧道火灾中^[2,3]。沥青燃烧时会释放出大量有毒烟雾^[2]。火灾中有百分之八十五的死亡是由于吸入有毒烟雾^[4]。因此，建议用于隧道路面的沥青的阻燃性成为越来越重要的研究考虑^[5-7]。

一些研究表明，有几种方法可以达到阻燃目标，特别是通过掺入添加剂^[8-10]。到目前为止，卤素基阻燃剂已被广泛使用，并且已显示出良好的阻燃效果，但是含卤素的材料由于燃烧产物的腐蚀性和毒性而引入了环境和健康问题^[11,12]。特别是，这些导致在隧道火灾中沥青燃烧期间形成有毒烟雾和腐蚀性烟雾^[5]。另外，在路面施工期间将阻燃剂混合到沥青中所需的技术很复杂。阻燃剂的制造或应用通常需要专用设备。迄今为止，很少有将阻燃剂直接与沥青混合料混合的研究。

由于环境保护和安全问题，要求新型阻燃剂必须不含卤素，无毒并能抑制烟雾的产生^[13]。大多数无卤配方均基于无机填料，例如氢氧化镁，氢氧化铝，可膨胀石墨等^[14,15]。近年来，MH作为一种环保型阻燃剂，已成为卤素基阻燃剂的最广泛替代品之一，并已用于多种聚合物材料中^[16-18]。此外，与其他无机阻燃剂相比，MH具有吸热量大，炭化作用强，中和作用和吸附，抑烟性能等优点^[19]。另外，MH的初始分解温度为约300 ℃。在此温度下，沥青粘合剂通常开始分解^[2]。因此，MH能够及时地抑制沥青基质的温度升高和燃烧。此外，MH粉可以作为一种填料直接添加到沥青混合料中，以在沥青路面施工过程中部分替代矿物粉。然而，尽管MH已被广泛用于聚合物材料中，但是MH对沥青的阻燃性和机械性能的影响尚未得到充分研究。

在目前的工作中，使用水平燃烧，极限氧指数（LOI）和直接燃烧测试来评估MH对沥青阻燃性的影响，然后使用马歇尔稳定性估算MH对沥青混合物的机械性能的影响 以及其损耗和间接拉伸强度（ITS）及其损耗。基于目前的研究，尤其是在隧道沥青路面中，含MH的沥青可提供一种新型，更安全的道路材料。

1. 实验

2.1材料

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）聚合物改性的沥青粘合剂购自中国广东省壳牌沥青有限公司。 其特征如下：针入度为7.2mm（ASTM D5-61），在5℃下的延展性为36.5cm（ASTM D113-86），软化点为75.5 ℃（ASTM D36-26），在135℃下的粘度为2.6 Pa·s（ASTM D4402）和闪点323℃（ASTM D92）。

阻燃剂MH是由中国广州亚信化工有限公司生产的。阻燃剂是白色粉末，平均粒径为2.2–3.0mm，密度为2.36g/cm³，结晶水含量为1.0％。

粉碎的角闪石骨料（增城骨料有限公司，中国广东）用于制备沥青混合料。 骨料和矿物的性能总结在表1中。作为矿物填料，比重为2.773g/cm3，CaO含量为48.2％，SiO₂含量为1.46％。矿物粉末的粒径在0-0.3毫米范围内，合格率分别为0.3毫米为99.1％，0.15毫米为93.5％和0.075毫米为79.5％。由于通常使用13号沥青混凝土（AC-13）作为沥青路面的顶层，因此选择本研究。在制备用于沥青混合料设计的沥青粘合剂和集料之后，使用马歇尔法（ASTM D1559）设计沥青混合料。如表2所示，选择了可接受的最终组合骨料级配。表3给出了沥青混合料的设计结果。

2.2样品的准备

2.2.1 沥青样品

将沥青粘合剂放入不锈钢杯中，用带有石棉垫片的电炉加热。当将沥青粘合剂加热至（170plusmn;5）℃时，将阻燃剂粉末以10％，15％，20％和25％的质量百分比添加到热沥青粘合剂中。使用FM200剪切机（FLUKO Equipment Co.，Ltd。，德国）在（170plusmn;5）℃下将沥青粘合剂搅拌15分钟，然后以5000rpm的较高速度搅拌30分钟，然后以较低的速度搅拌。以500 rpm的转速旋转15分钟，以排出沥青粘合剂中的气泡。最后，将阻燃沥青混合料倒入干净的容器中，在冷却至室温的过程中，保持手动搅拌以防止分离。

2.2.2 沥青混合物样品

MH改性沥青混合物的制备如下：在沥青混合物设计之后，除去所需量的填料，并用等量的MH粉代替。使用Marshall压实机制造相同的圆柱试样（直径101.6毫米，高63.5plusmn;1.3毫米），每侧具有75次吹塑压实能量，以进行Marshall稳定性及其损耗测试，每侧具有50次吹塑压实能量，以间接拉伸强度和它的损失测试。这可能会使试样中的气孔在6％到8％的范围内，这与野外沥青路面中的实际气孔相似。

2.3实验方法

2.3.1 水平燃烧测试

根据ASTM D 635-77使用CZF-3型仪器（江宁分析仪器厂，中国南京）进行水平燃烧测试。 在水平燃烧试验中，将样品水平放置，并用天然气点燃的火点燃样品的一端。测量了火从第一参考标记（距离末端25毫米）扩散到第二参考标记（距离末端100毫米）的时间。

2.3.2 极限氧指数测试

极限氧指数（LOI）测试可测量支持燃烧所需的最低氧浓度。具有高阻燃性的样品需要更高的氧气浓度才能燃烧。LOI方法被广泛用于表征聚合物的可燃性并研究阻燃剂的有效性。在这项研究中，使用极限氧指数仪（JF-3型，江宁分析仪器厂，南京）根据标准氧指数测试ASTM D2863评估了沥青粘合剂的阻燃性。按照参考文献^[11]制备测试样品。测试程序如下：样品顶部被瓦斯火点燃，一旦发生点燃便停止燃烧，然后最低的氧气浓度可以支持在流动的氮气和氧气混合物中持续燃烧，由最低氧气浓度所决定。通过临界氧浓度的变化来评估阻燃剂的有效性。

2.3.3 直接燃烧测试

为了模拟由于汽油泄漏到沥青路面上而引起的隧道火灾的情况，直接燃烧测试中使用了含有各种MH含量的标准沥青马歇尔混合物样品。首先，测量每个样品的质量，然后将样品浸入90＃汽油中10秒钟。其次，将样品取出并立即在燃烧锅中点燃。记录从每个样品着火到燃尽的时间。最后，再次测试燃烧的样品质量，并计算质量损失。测试了四组样品，每组三个样品。第一组作为没有MH的对照组。其他三组沥青混合物的MH浓度按质量计分别为15％，20％和25％。

2.3.4 马歇尔稳定性及其损失

沥青混合物的水分敏感性定义为混合物被水破坏的趋势。当水分聚集在沥青基质中时，会破坏沥青粘合剂与骨料之间的粘合力，从而导致剥离。马歇尔稳定性和间接抗拉强度测试及其损失可用于评估MH对沥青混合料耐潮性的影响。

马歇尔稳定性及其损失测试是在压实试样上按设计的粘合剂含量进行的。该测试是根据马歇尔程序的经验测试，其中将来自每种混合物的十个圆柱形压实样品浸入60°C的水中。浸入水中30分钟后，测试了五个样品的马歇尔稳定性值。将其他五个样品浸入水中24小时后，测试其马歇尔稳定性值。在测试中，使用弯曲的钢质加载板沿直径以50 mm / min的恒定压缩率向样品施加载荷，直到样品破裂。马歇尔稳定度值是压缩期间记录的最大力，而流量值（以毫米为单位）是最大力记录的变形。

2.3.5间接拉伸强度及其损失

为了研究水对压实沥青混合物的影响，测量了间接拉伸强度（ITS）及其损失百分比。使用Marshall压实机制作的10个空气空隙率为6–8％的样品用于测试ITS和ITS的损失。将来自每种混合物的五个样品置于98.5kPa的真空容器中。真空饱和15分钟后，将每个样品用装有10plusmn;0.5ml水的塑料袋包裹并密封。将装有标本的塑料袋放在-18plusmn;3℃温度的冰箱中16plusmn;1 h。冷冻后，将它们在60℃水中融化24plusmn;1h。然后，将每种混合物的八个样品放在25plusmn;0.5℃的水浴中2hplusmn;10分钟。最后，通过以50mm/min的恒定速度将支承板压在一起直到样品破裂，将载荷施加到所有样品上。记录最大负荷。

3．结果与讨论

3.1水平燃烧测试

水平燃烧测试和LOI被广泛用于评估材料的阻燃性能。表4给出了水平燃烧试验的实验结果。

从表4中可以看出，通过包含MH，沥青的水平燃烧分类从FH-3降低到FH-1。 MH改性沥青的燃烧分类要比纯沥青低，这表明MH在沥青燃烧过程中起阻燃作用。 值得注意的是，在沥青中仅添加少量MH后，水平燃烧分类从FH-3升级为FH-1，这表明MH的掺入可以在低填充水平下有效地抑制沥青燃烧^[21]。这表明MH可用作沥青材料的阻燃剂。

3.2极限氧指数测试

LOI结果列于表4。这些结果表明，与不含MH的SBB沥青混合物相比，阻燃（MH）改性的沥青混合物表现出更好的阻燃效果。 随着MH浓度从0％增加到25％，LOI从19.8％增加到25.3％。 注意，MH含量的变化对沥青粘合剂的阻燃性具有明显的影响。

3.3直接燃烧测试

为了直接评估MH对沥青混合料的阻燃效果，进行了直接燃烧试验。测试结果列于表5。从表5可以明显看出，当沥青混合料中不存在MH时，质量损失小于先前的研究^[22]。这是因为平均燃烧时间要短得多，并且沥青含量比以前的研究要少^[22]。另一个原因是实验中使用的材料和测试方法不同。

从表5中可以看出，当MH存在于沥青混合物中时，平均燃烧时间和质量损失降低。 随着MH的比例增加，这种趋势增加。其原因是由于汽油燃烧，当样品温度升至320℃左右时，分散在沥青混合料中的MH开始分解。MH分解阻碍了沥青的热解，因此减少了可用于气相燃烧的易燃挥发物^[23,24]。因此达到了阻燃目的。

为了评估MH对沥青机械性能的影响，下面介绍的MH改性SBS沥青混合物的所有机械测试均掺入20％MH，而不是常规沥青样品中使用的等量矿物填料。表3给出了MH改性沥青混合物的设计结果。结果表明，在最佳沥青含量下，MH对沥青混合物的体积特性影响很小。

3.4马歇尔稳定性及其损失

马歇尔稳定性测试结果和马歇尔稳定性损失如表6中示出了沥青混合物的混合物。结果表明，MH改性的沥青混合物在60℃下30分钟和/或24小时浸入水中后具有更好的马歇尔稳定性和较低的马歇尔稳定性损失。马歇尔稳定性的损失越小，则表示材料强度因浸入水中而受到影响的量越少，即耐水性越高。结果表明，与对照沥青混合料相比，MH提高了马歇尔稳定性，减少了马歇尔稳定性的损失。这种额外的性能可能归因于将MH添加到沥青混合物中后内聚能力的增强和内摩擦的增加^[25]。这表明通过部分替代某些矿物填料而掺入沥青混合料中的MH可以提高马歇尔稳定性并改善混合料的耐湿性，尽管耐湿性的改善并不那么明显。

3.5间接拉伸强度及其损失

间接拉伸强度及其损失的测试结果列于表6。很明显，对照沥青混合料的初始ITS和有条件ITS高于MH改性沥青混合物的ITS。然而，对照沥青混合料的ITS损失低于MH改性沥青混合料的ITS损失。显然，MH可以改善沥青混合料的初始和有条件的ITS，并增加间接拉伸强度的损失。间接拉伸强度的损失在技术指标规定的20％允许损失限度内。结果表明，向沥青混合料中添加MH不会破坏沥青混合料的间接拉伸强度。造成这种情况的主要原因是较大的空气空隙会在MH改性沥青混合物中收集更多的水分。这可能会损坏沥青粘合剂和骨料之间的粘结并导致剥离。

4.结论

通过对实验结果的分析得出以下结论：

（1）沥青混合物中MH的存在将沥青的水平燃烧分类从FH-3降低到FH-1，并且沥青的LOI也显着增加。将MH混合到沥青混合物中后，平均燃烧时间和质量

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