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西部地區(qū)大都處于地形險(xiǎn)峻地貌復(fù)雜的丘陵、高 原地帶，山區(qū)高速公路橋隧比通常高達(dá) 50%~80%，據(jù) 統(tǒng)計(jì)，截至 2020 年底我國(guó)總公路隧道已建有 21316 座， 總長(zhǎng)度高達(dá) 21999.3km 。隧道屬空間狹小、通風(fēng)能力 較差的公路設(shè)施，且現(xiàn)階段我國(guó)隧道路面基本均采用瀝 青材料進(jìn)行鋪裝，瀝青膠結(jié)料在火災(zāi)高溫作用下將融化 形成助燃劑，因此隧道內(nèi)發(fā)生交通事故產(chǎn)生火災(zāi)將造成 致命后果。如何防治、抑制隧道火災(zāi)燃燒事故發(fā)生，對(duì) 交通安全風(fēng)險(xiǎn)管理具有重要意義 。

阻燃劑作為一種可摻入易燃物中阻斷火災(zāi)發(fā)生、抑 制火勢(shì)程度的改性劑，自 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始應(yīng)用于瀝 青油氈與瀝青涂料中 ，在 20 世紀(jì) 70 年代，有研究人 員將阻燃劑添加至瀝青路面材料中以提高其阻燃性能， 早期常采用鹵素、磷系阻燃劑等有機(jī)阻燃劑 [5] ，其具有 阻燃效率較高的優(yōu)點(diǎn)，但其燃燒過(guò)程中產(chǎn)生瀝青煙量較 大，并且具有毒性， 因此近年來(lái)逐步采用了無(wú)機(jī)阻燃劑、復(fù)合改性阻燃劑替代了無(wú)機(jī)阻燃劑?，F(xiàn)階段對(duì)阻燃瀝 青研究成果頗豐，但不同阻燃劑對(duì)瀝青混合料的阻燃機(jī) 理各異，并且現(xiàn)行規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試 驗(yàn)規(guī)程》中針對(duì)瀝青阻燃性能的試驗(yàn)方法尚缺失，各學(xué) 者通常采用其他行業(yè)規(guī)范阻燃性能試驗(yàn)方法或自制阻燃 評(píng)價(jià)設(shè)備對(duì)瀝青阻燃效果進(jìn)行研究，各試驗(yàn)適用場(chǎng)景不 盡相同。因此，本文主要綜述現(xiàn)階段常用阻燃劑的種 類，對(duì)其機(jī)理進(jìn)行闡述，并介紹了目前應(yīng)用較廣泛的阻 燃瀝青效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)，以期對(duì)后續(xù)相關(guān)研究有所啟示。

1     阻燃劑機(jī)理

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常將瀝青材料分為瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、  芳香分與飽和分四組分，其中瀝青質(zhì)與膠質(zhì)兩類大分子  化合物占比越高，芳香分與飽和分占比越低，其燃點(diǎn)越  高，反之燃點(diǎn)越低，一般基質(zhì)瀝青的燃點(diǎn)在 300℃ 左右。 瀝青燃燒的過(guò)程主要分為兩階段：第一階段當(dāng)瀝青溫度 達(dá)到 300℃ 時(shí)，瀝青四組分中的輕質(zhì)組分開(kāi)始燃燒并且釋放出二氧化碳、一氧化碳、水、甲烷、甲醛、碳?xì)浠衔铩?芳香族化合物等氣體；第二階段瀝青溫度繼續(xù)升高達(dá)到  520℃ 時(shí)，第一階段中釋放的易燃?xì)怏w被點(diǎn)燃開(kāi)始燃燒，  并且瀝青四組分中的瀝青質(zhì)與膠質(zhì)等大分子物質(zhì)進(jìn)一步 開(kāi)始燃燒，并將產(chǎn)生如醇類、酚類等物質(zhì)。從物質(zhì)  燃燒的機(jī)理可知，燃燒發(fā)生包含氧氣、可燃物、熱量三  要素，因此阻燃劑的作用機(jī)理主要是通過(guò)阻斷或抑制該  三要素的產(chǎn)生與聚合。根據(jù)目前針對(duì)瀝青阻燃劑的研究  將其機(jī)理分為以下四類，其機(jī)理作用如圖 1 所示。

1.1    吸熱阻燃

吸熱阻燃機(jī)理主要是通過(guò)在瀝青材料中摻入金屬氧 化物或金屬氫氧化物（氫氧化鎂、氫氧化鋁等） 進(jìn)行改性， 其在燃燒過(guò)程熱解產(chǎn)生大量的水蒸氣、二氧化碳等物質(zhì)，  帶走燃燒中大量的熱量，進(jìn)而抑制了燃燒的發(fā)展 。

1.2    凝聚相阻燃

凝聚相阻燃機(jī)理主要是通過(guò)在瀝青材料中摻入如膨 脹石墨等物質(zhì)進(jìn)行改性，其在燃燒過(guò)程中將脫水形成具 有高熱穩(wěn)定性的多孔碳化層，可以隔絕可燃物與氧氣接 觸，進(jìn)而中斷燃燒過(guò)程 。

1.3   氣相稀釋阻燃

氣相稀釋阻燃機(jī)理主要是通過(guò)摻入鹵系、氮系阻燃  劑改性瀝青，其在瀝青燃燒過(guò)程中生成水蒸氣、二氧化碳、 氮?dú)獾入y燃性氣體，稀釋了空氣中的氧氣與可燃?xì)怏w濃  度，進(jìn)而抑制燃燒進(jìn)程 [11-12]。

1.4   協(xié)同阻燃

目前絕大多數(shù)的阻燃劑的阻燃作用機(jī)理通常包含上 述吸熱、凝聚相或氣相稀釋三種機(jī)理中的多種協(xié)同作用， 如氫氧化鋁的阻燃機(jī)理包含吸熱、氣相稀釋阻燃兩種， 并且現(xiàn)階段針對(duì)阻燃劑的研發(fā)通常采用多元復(fù)配技術(shù)， 因此協(xié)同阻燃機(jī)理將成為今后研發(fā)阻燃劑的主要考慮作 用原理 [3,12-13]。

2     阻燃劑分類

瀝青路面用阻燃劑按物質(zhì)化學(xué)成分分類，可分為有 機(jī)類、無(wú)機(jī)類兩大類， 其中有機(jī)類主要包括鹵素阻燃劑、 氮系阻燃劑以及磷系阻燃劑， 無(wú)機(jī)類主要包括以鋁、鎂、 鈣等為金屬元素的化合物阻燃劑，并包含現(xiàn)階段研究前 沿的蒙脫石、膨脹石墨為主的納米無(wú)機(jī)阻燃劑。阻燃劑的發(fā)展進(jìn)程如圖 2 所示

3    瀝青阻燃性能試驗(yàn)方法

針對(duì)瀝青材料的阻燃特性主要從易燃程度、燃燒速 率、瀝青煙產(chǎn)生過(guò)程、煙氣毒性、燃燒后產(chǎn)物等方面進(jìn) 行研究 [5,6,10,14] ，目前現(xiàn)行規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混 合料試驗(yàn)規(guī)程》中針對(duì)阻燃瀝青的燃燒特性相關(guān)試驗(yàn)及 評(píng)價(jià)方法主要為瀝青閃點(diǎn)與燃點(diǎn)試驗(yàn) [3] ，國(guó)際上阻燃性 能評(píng)價(jià)試驗(yàn)及方法主要仍然參照傳統(tǒng)聚合物材料阻燃測(cè) 試方法 [15] ，本文匯總了國(guó)內(nèi)外不同的試驗(yàn)方法及研究成 果。

3.1    瀝青閃點(diǎn)及燃點(diǎn)試驗(yàn)

瀝青閃點(diǎn)指標(biāo)通常用以表征瀝青存儲(chǔ)安全性能，燃 點(diǎn)表征施工安全性能，紀(jì)倫等 [16]  采用閃點(diǎn)及燃點(diǎn)試驗(yàn)對(duì) 比了基質(zhì)瀝青與 ATH 阻燃改性瀝青的易燃性，結(jié)果表明 ATH 作為阻燃劑在加熱時(shí)將產(chǎn)生氣泡，考慮為水分的析 出導(dǎo)致。穆勇攀等 [17]  采用閃點(diǎn)及燃點(diǎn)試驗(yàn)對(duì)比了 SBS 瀝青與阻燃 SBS 復(fù)合改性瀝青的易燃性，發(fā)現(xiàn)摻入阻燃 劑可有效提高 10℃ 左右閃點(diǎn)溫度。梁永勝采用閃點(diǎn)及燃 點(diǎn)試驗(yàn)對(duì)比了不同四組分的瀝青材料可燃性， 結(jié)果表明， 飽和分占比較高的瀝青燃閃點(diǎn)較低。焦曉龍等 [18]  通過(guò)試 驗(yàn)對(duì)比了 APP 、PER 兩種阻燃劑不同摻量阻燃瀝青的閃 點(diǎn)溫度，發(fā)現(xiàn)阻燃劑摻量越高其閃點(diǎn)溫度越高，當(dāng)復(fù)合 摻量達(dá)到 20% 左右，其閃點(diǎn)溫度可提高至 380℃ 左右。

3.2   極限氧指數(shù)試驗(yàn)

極限氧指數(shù)試驗(yàn)主要用以測(cè)試試樣燃燒時(shí)所需的最 低氧含量指數(shù)，從而評(píng)價(jià)材料的易燃程度 [19] ，Li 等 [20] 針對(duì)不同摻量下 Sasobit 溫拌劑與阻燃劑復(fù)合改性瀝青進(jìn) 行極限氧指數(shù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入 Sasobit 將降低極限氧指 數(shù)指標(biāo)，對(duì)瀝青混合料產(chǎn)生助燃效果，而摻入阻燃劑將 提高極限氧指數(shù)指標(biāo)而產(chǎn)生阻燃效果。Li 等 [21]  采用正 交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)不同摻量阻燃劑、溫拌劑、改性溫度進(jìn) 行了研究，并采用極限氧指數(shù)表征不同因素影響的瀝青 阻燃效果，最后優(yōu)選了試驗(yàn)組合。丁慶軍等 [22]  采用氫氧 化鋁、氫氧化鎂等阻燃劑復(fù)配制備阻燃瀝青，發(fā)現(xiàn)摻量 20% 的阻燃瀝青極限氧指數(shù)可由基質(zhì)瀝青的 22% 提高至29.2%。

3.3    垂直燃燒試驗(yàn)

垂直燃燒試驗(yàn)主要通過(guò)記錄試樣燃燒時(shí)間、燃燒速 率、燃燒溶滴來(lái)評(píng)價(jià)材料可燃級(jí)別，目前國(guó)際電工委員 會(huì)標(biāo)準(zhǔn) IEC 60695-11-20 的試驗(yàn)步驟如下：首先采用點(diǎn) 燃器產(chǎn)生 20mm 高藍(lán)色火焰，將樣品點(diǎn)燃并持續(xù) 10s 后 移走點(diǎn)燃器，記錄試樣明燃時(shí)間為 t1 ，如果試樣在 30s 內(nèi)熄滅，則將點(diǎn)燃器再次點(diǎn)燃試樣并持續(xù) 10s 后移走， 記錄試樣明燃時(shí)間為 t2 ，陰燃時(shí)間為 t3 ，并且試樣如有 溶滴現(xiàn)象點(diǎn)燃棉花則記錄試驗(yàn)情況，主要將材料可燃等 級(jí)分為 3 級(jí).

3.4   錐形量熱儀試驗(yàn)

錐形量熱儀試驗(yàn)較瀝青閃燃點(diǎn)、傳統(tǒng)極限氧指數(shù)、 垂直燃燒等試驗(yàn)對(duì)真實(shí)火災(zāi)環(huán)境模擬效果更相似，與大 型燃燒試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性良好，其評(píng)價(jià)指標(biāo)包含釋放速率 (HRR)、煙釋放速率（SPR）、總熱量釋放（THR）、 總生煙量（TSR）、總質(zhì)量損失（TML） 、質(zhì)量損失率 （MLR） 、碳氧化物釋放量、以及點(diǎn)燃時(shí)間和燃燒持續(xù) 時(shí)長(zhǎng)等，對(duì)阻燃劑使用效果評(píng)價(jià)更全面。何立平 [7]  采用 錐形量熱儀試驗(yàn)對(duì)膨脹阻燃劑、無(wú)機(jī)阻燃劑、溴系阻燃 劑改性后瀝青阻燃特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)阻燃劑可顯著降 低瀝青混合料燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量和煙氣，并且其與極限 氧指數(shù)試驗(yàn)相關(guān)性良好 [24-26]。

3.5   熱分析試驗(yàn)

熱分析試驗(yàn)主要表征物質(zhì)隨溫度變化而產(chǎn)生的氧化、 還原、脫水、相態(tài)變化等物化反應(yīng)特性，目前在阻燃瀝  青特性研究中常用的兩種熱分析試驗(yàn)為熱重分析法和差 熱分析法。其中，熱重分析法通過(guò)在穩(wěn)定氣體流速下控  制試驗(yàn)溫度，測(cè)定物質(zhì)重量的損失速率以繪制熱失重曲  線，以熱失重曲線來(lái)表征物質(zhì)的熱反應(yīng)特性；差熱分析  法通過(guò)測(cè)定相同加熱溫度速率下物質(zhì)與參照物動(dòng)態(tài)溫度 差變化以繪制差熱曲線，利用差熱曲線的吸熱或放熱峰  來(lái)表征當(dāng)溫度變化時(shí)引起試樣發(fā)生的任何物理或化學(xué)變 化。目前，采用熱分析試驗(yàn)對(duì)阻燃瀝青性能、瀝青煙成  分分析均有顯著成效 [27-29]。

3.6    電鏡掃描

電鏡掃描試驗(yàn)通過(guò)對(duì)待測(cè)物質(zhì)發(fā)射電子束并捕捉反 射后的電子用以表征物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)形態(tài)，目前可用于探 測(cè)燃燒后瀝青混合料的殘?zhí)糠治?。劉圣?/span> [22]  通過(guò)對(duì)比SBS 改性瀝青與阻燃改性瀝青燃燒后的殘留表面物發(fā)現(xiàn)， SBS 改性瀝青燃燒后的殘留物表面分布著松散多孔的顆 粒團(tuán)狀物，表面的孔洞為氣體揮發(fā)或者分解逸出造成。 添加阻燃劑后，阻燃瀝青在燃燒后形成了致密厚實(shí)的高 質(zhì)量片狀炭層結(jié)構(gòu)，其成分為熱膨脹生成的石墨炭層、 氫氧化鋁熱分解生產(chǎn)的保護(hù)層。阻燃瀝青燃燒后的微觀 性狀如圖 3 所示。

本文匯總了不同阻燃瀝青試驗(yàn)方法及優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)價(jià)， 見(jiàn)表 3。

表 3 不同試驗(yàn)方法研究特點(diǎn)

Table 3 Research characteristics of different test methods

4    結(jié)語(yǔ)

本文匯總了國(guó)內(nèi)外阻燃劑作用機(jī)理、常用阻燃劑種 類及阻燃性能試驗(yàn)方法的研究成果，現(xiàn)有成果表明阻燃 劑是基于吸熱、氣相稀釋、凝聚相阻燃或協(xié)同阻燃的原理， 防止或阻斷瀝青混凝土燃燒的建筑材料外摻劑，目前國(guó) 內(nèi)外阻燃劑研發(fā)趨勢(shì)以無(wú)毒性、環(huán)保、多元復(fù)配等為特征， 針對(duì)阻燃瀝青的研究試驗(yàn)也從單一判斷其易燃性逐步向 燃燒速率、燃燒煙氣成分分析等方向發(fā)展。目前針對(duì)阻 燃瀝青研究多處于室內(nèi)試驗(yàn)，缺乏對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)及運(yùn)營(yíng)期 間的阻燃抑煙效果評(píng)價(jià)，今后的研究方向應(yīng)更側(cè)重于實(shí) 際工程應(yīng)用效果。