火灾工况沥青热解燃烧特性及纳米粘土/金属氢氧化物复合阻燃体系研究

Asphalt is playing an important role as a binder or matrix precursor in road pavements, buildings, composites, etc. However, asphalt materials can be ignited at a comparatively low temperature, and release significant toxic fumes which seriously endanger any personnel within an affected area. Pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry and thermo-gravimetry coupled with Fourier transform infrared spectroscopy tests will be used to study the pyrolysis/combustion characteristics and smoke release rules under oxygen-depleted environment with high heating rate. And the kinetic model of each stage will be analyzed by dynamic mechanical thermal analysis. Based on the combustion characteristics of asphalt, the synergistic performance of nano-clay with metal hydroxides will be studied, the influence of nano-clay on asphalt's viscosity will be used to analyze the flame retardant mechanism of nano-clay. In order to further enhancing the flame retardant properties of asphalt, hydrated lime will be added to replace parts of the fillers, and a flame retardant system with nano-clay/ metal hydroxides will be establish. At last, pavement performance will be used to optimize the flame retardant system, and a pavement with good flame retardancy and pavement performance is developed.

沥青作为粘结剂和基体前驱体被广泛应用于路面、住用建筑和复合材料制备等领域，然而沥青具有易燃性，且燃烧释放出大量有毒烟气，将极大的影响人员的安全。本项目拟采用快速裂解-色谱/质谱联用、热重-红外光谱联用等测试分析手段，研究高升温速率和贫氧反应气氛下沥青的热解燃烧特性和烟气释放规律，再结合热分析动力学方法，建立沥青燃烧各阶段反应动力学模型。在此基础上，研究纳米粘土与金属氢氧化物的协同阻燃作用，通过分析纳米粘土对沥青粘度变化的影响规律，揭示其阻燃机理。然后，进一步利用消石灰替代部分矿粉以提升沥青的阻燃性能，建立纳米粘土/金属氢氧化物复合阻燃体系。最后，通过路用性能试验对该复合阻燃体系进行优化，使其同步具有较好的阻燃性能和路用性能。

沥青作为粘结剂和基体前驱体被广泛应用于路面、住用建筑和复合材料制备等领域，然而沥青具有易燃性，且燃烧释放出大量有毒烟气，将极大的影响人员的安全。本项目采用热重-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，研究火灾环境下沥青热解燃烧特性及烟气释放规律；同时，探索纳米蒙脱土(MMT)和氢氧化钙(HL)的阻燃抑烟作用及机理；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. 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，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。.2. 纳米蒙脱土(MMT)可在高温下显著增加沥青的粘度，延长分解产物的停留时间，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。.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。HL主要起凝聚相阻燃作用，其在沥青燃烧过程中HL会发生并行的脱水和碳酸化反应，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。.4. 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)。在25%添量下，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，总热释放量和CO产率均下降40%以上；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。