2024, Vol. 41扩展功能
文章信息
- 李永琴, 高学凯, 贾丽涛.
- LI Yong-qin, GAO Xue-kai, JIA Li-tao
- ZIF-8/GO协同聚磷酸铵复合改性沥青阻燃性能及机理
- Flame Retardant and Mechanism of Composite Asphalt Modified with ZIF-8/GO Synergistic Ammonium Polyphosphate
- 公路交通科技, 2024, 41(6): 18-27
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2024, 41(6): 18-27
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2024.06.003
-
文章历史
- 收稿日期: 2024-01-29
, 2. 山西省交通科技研发有限公司, 山西 太原 030032;
3. 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室, 山西 太原 030032;
4. 中国科学院山西煤炭化学研究所 煤转化国家重点实验室, 山西 太原 030001
2. Shanxi Transportation Technology Research & Development Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030032, China;
3. Key Laboratory for Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region of Ministry of Transport, Taiyuan, Shanxi 030032, China;
4. State Key Laboratory of Coal Conversion, Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Taiyuan, Shanxi 030001, China
沥青路面由于其施工方便、抗滑性好、低噪音及维修养护便捷等特点，近年来成为路面发展的主流，中国高速公路中大多路面结构采用的是沥青路面[1-2]。但沥青易燃，且在燃烧时释放出大量烟雾和有害气体，给逃生和消防救援工作带来不能忽视的负面影响[3]。同时，沥青燃烧时伴随着严重的熔滴现象，易引发二次燃烧[4]。特别是隧道中发生火灾时，温度可迅速达到800 ℃以上，经常造成高热、浓烟等危险情况，隧道空间的狭长性和有限的出口增加了火灾控制的难度，严重阻碍了救援人员对伤员的及时救助，因此研究改性沥青阻燃材料有着重要的现实意义和社会价值。
隧道火灾抢救的黄金时间是起火初期的5~10 min，在黄金时间内控制住火势和浓烟的蔓延，对保护生命财产和高速公路隧道设备设施安全有重要意义[5]。聚磷酸铵(APP)是一种常用的磷系阻燃剂，其优点是高效防火、抑烟性能好且对环境友好[6]。APP在燃烧时生成的不同价位的磷酸化合物具有很强的催化成炭作用，可促使聚合物生成高质量的炭层，避免火情进一步扩大[7-8]。苟宏伟等[9]研究了APP对改性沥青阻燃抑烟效果及流变性能的影响，试验结果表明APP阻燃沥青具有较好的抑烟效果且APP的加入能够减缓燃烧过程中热量的释放，可明显提高沥青在高温下的热变形能力，对保障公路隧道安全具有重要意义。考虑到APP极性强，在沥青中的分散性和相容性都很差，导致APP阻燃效果受限，且对沥青的路用性能也有一定程度的影响，所以常在使用前对其进行表面改性。
沸石类咪唑框架材料(ZIF-8)是由有机配体二甲基咪唑和金属锌离子组成的具有周期性网络结构的配位聚合物[10-11]，其优势在于其自身的有机-无机结构，可改善APP与沥青之间的相容性，且ZIF-8结构中的锌离子在燃烧过程中生成的ZnO对抑制烟雾释放具有积极的作用[12]。此外ZIF-8结构中的有机配体二甲基咪唑富含阻燃N元素，可以与APP形成良好的P-N协效阻燃，具有良好的气相阻燃效应[11]。氧化石墨烯(GO)是一种很好的成炭剂，可利用其自身的片状阻塞效应[13]减少热传导，延缓热量的释放，起到很好的阻燃作用。Zhang等[14]合成了含ZIF-8/GO和苯基次磷酸的阻燃剂GPZ，试验结果表明ZIF-8/GO和苯基次磷酸在PLA基体中发挥了催化和交联作用，有利于减少有毒气体含量，延迟引燃时间，降低热释放速率，从而表现出优越的阻燃和抑烟性能。虽然ZIF-8和GO具有良好的阻燃潜力，但目前鲜有将其用于沥青阻燃的研究。
基于此，本研究制备了ZIF-8/GO与APP的复配阻燃剂对沥青进行阻燃抑烟改性，主要是利用P，N，Zn这3种元素之间的协同效应，实现凝聚相和气相共同阻燃沥青的目的。通过氧指数法(LOI)、锥形量热仪(CCT)和热重红外气质联用仪(TG-IR)来评估复配阻燃剂对沥青的阻燃抑烟效果；利用激光拉曼光谱仪(Raman)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分析燃烧后的炭层结构，以此来探究复配阻燃剂在沥青中的作用机理，这对提高沥青路面火灾安全具有重要的指导意义。由于复配阻燃剂与沥青之间只是简单的物理共混，因此还需考虑添加复配阻燃剂之后对沥青材料常规性能的影响，确保复配阻燃剂在发挥良好阻燃效果的同时，不显著影响沥青的应用性能。
1 原材料与试验方法 1.1 原材料SBS改性沥青主要基本性能指标如表 1所示。六水合硝酸锌、2-甲基咪唑、甲醇、APP均为分析纯；GO为实验室自制。
| 指标 | 规范要求 | 试验结果 |
| 针入度(25 ℃, 100 g, 5 s)/(0.1 mm) | 30~60 | 53.2 |
| 软化点(环球法)/℃ | ≥60 | 74.4 |
| 延度(5 ℃, 5 cm/min)/cm | ≥20 | 31.3 |
1.2 试验方法
(1) 扫描电子显微镜试验：将试样进行真空喷金后测试，加速电压为20 kV；
(2) 透射电子显微镜试验：将试样溶液均匀铺在铜网上进行测试，加速电压为120 kV；
(3) 傅里叶变换红外光谱仪试验：采用溴化钾压片方法进行测试，测试范围为4 000~700 cm-1，步长为4 cm-1；
(4) X射线衍射光谱分析仪试验：测试范围为5~80°，Cu靶(Kα=0.154 18 nm)，管电流为100 mA，管电压为40 kV；
(5) 激光拉曼光谱仪试验：扫描范围为500~3 000 cm-1；
(6) X射线光电子能谱分析试验：以Al靶为X射线源，以C元素1 s轨道电子特征峰(284.8 eV)作为内标峰进行结合能位置校正；
(7) 氧指数测定仪试验：参照《沥青燃烧性能测定：氧指数法》(NB/SH/T 0815—2010)标准进行测试，每个试样测量至少5次以上；
(8) 锥形量热仪试验：根据美国标准《用微燃烧量热仪测定塑料和其他固体材料的易燃特性用标准试验方法》(ASTMD 7309—2007)进行燃烧性能的测试，测试条件为从室温升至900 ℃，升温速率为1 ℃/s，氧气和氮气的气流速度分别为20 mL/min和80 mL/min，试样尺寸为100 mm×100 mm×10 mm，辐射功率为35 kW/m2；
(9) 热重红外气质联用仪试验：测试温度范围为从室温升至800 ℃，氮气流量设置为20 mL/min；
(10) 高温抗车辙性能测试：车辙试验温度设置为60 ℃，试验时间设置为60 min，车轮加载速度设置为42次/min，试样尺寸为50 mm×300 mm×300 mm；
(11) 水稳定性能测试：根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中规定的方法，采用冻融劈裂试验来评估沥青阻燃材料的水稳定性；
(12) 低温流变性能测试：采用弯曲梁流变试验进行测试，试样尺寸为127.0 mm×12.70 mm×6.35 mm，试验过程中荷载为980 mN，荷载时间为240 s。
1.3 沥青阻燃材料的制备 1.3.1 复配阻燃剂的制备采用改进Hummers法制备GO[15]。称取一定量的GO和Zn (NO3)2·6H2O倒入甲醇溶液中，超声分散使其形成均匀的分散液；然后将分散液倒入2-甲基咪唑的甲醇溶液中，室温下搅拌2 h；直到有深棕色固体产生，静置沉淀，抽滤洗涤，在80 ℃下干燥48 h；最后得到阻燃剂ZIF-8/GO。将ZIF-8/GO和APP按比例(见表 2)混合均匀，备用。
| 试样 | A | A-1 | A-2 | A-3 | A-4 |
| 沥青 | 100 | 95 | 95 | 95 | 95 |
| ZIF-8/GO | 0 | 0 | 1 | 3 | 5 |
| APP | 0 | 10 | 9 | 7 | 5 |
1.3.2 复合改性沥青阻燃材料的制备
将沥青在温度设置为120 ℃的烘箱中干燥2 h进行脱水，然后将干燥后的沥青在180 ℃下保温2 h，沥青此时呈流动态，将流动态的沥青和复配阻燃剂依次加入到剪切机中，根据不同添加比例的ZIF-8/GO和APP，将复合改性沥青阻燃材料简写为A-1，A-2，A-3，A-4。剪切机的剪切温度设置为175 ℃，转速设置为3 000 r/min，在此温度和转速下剪切15 min，然后将已制备好的复合改性沥青阻燃材料手动搅拌5 min以去除试样内部的气泡[16]，制得复合改性沥青阻燃材料。
2 结果与分析 2.1 阻燃剂ZIF-8/GO的结构表征ZIF-8/GO的FTIR图见图 1(a)，相应波峰与基团的对应关系如表 3所示，其中位于1 632 cm-1处的特征峰是GO中 
|
| 图 1 ZIF-8/GO的结构表征 Fig. 1 Structural characteristics of ZIF-8/GO |
| |
| 波峰/cm-1 | 1 632 | 1 573 | 1 420 | 1 310，1 143，991 | 754 |
| 基团 | 
|
|
咪唑环伸缩 | 咪唑环面内弯曲 | 咪唑环面外弯曲 |
| 所属化合物 | GO | ZIF-8 | ZIF-8 | ZIF-8 | ZIF-8 |
采用XRD和Raman观察ZIF-8/GO的晶体结构，ZIF-8/GO的XRD谱图见图 1(b)，ZIF-8/GO的所有衍射峰都与ZIF-8的衍射峰一一对应，在2θ(θ为X射线的入射角)为7.38°，10.43°，12.71°，14.72°，16.51°，18.07°，24.56°，26.83°处的特征峰分别对应于ZIF-8的011，002，112，022，013，222，114，134晶面，这说明GO的存在并没有破环ZIF-8的晶体结构。此外，ZIF-8/GO谱图中属于GO的晶面特征峰(2θ=10.85°)却未出现，这可能是由于ZIF-8的存在使得GO有序堆叠的结构被破坏[19]。
ZIF-8/GO的Raman谱图见图 1(c)，ZIF-8/GO的所有特征峰中既包含ZIF-8的特征峰，也包含GO的特征峰(D峰和G峰)[20]。XRD和Raman结果进一步证明了ZIF-8/GO的成功制备。
ZIF-8/GO的XPS谱图见图 1(d)，ZIF-8/GO含有C，O，N，Zn这4种元素，其中电子结合能(Bonding Energy，BE)值为285 eV，对应C原子1 s轨道电子的特征峰；BE值为399 eV，对应N原子1 s轨道电子的特征峰；BE值为531 eV，对应O原子1 s轨道电子的特征峰；BE值为1 021 eV，对应Zn原子2 p3轨道电子的特征峰，经计算可得，ZIF-8/GO中Zn原子含量约为4.4%，且Zn元素具有良好的阻燃抑烟效果[12]。ZIF-8/GO中N原子含量约为14.8%，且N元素具有良好的气相阻燃效果[11]。
2.2 ZIF-8/GO和APP的复配阻燃剂对沥青材料阻燃性能的影响 2.2.1 复合改性沥青阻燃材料的氧指数试验按照行业标准《沥青燃烧性能测定：氧指数法》(NB/SH/T 0815—2010)对复合改性沥青阻燃材料进行测试，试样的氧指数(LOI)值见图 2。由图可知，沥青的氧指数仅为19.2%。当只添加APP时，试样A-1的氧指数有所上升，提高至22.4%；当同时加入ZIF-8/GO和APP时，试样的氧指数进一步提高；当添加质量分数为3%的ZIF-8/GO和质量分数为7%的APP时，试样A-3的氧指数最高，可达到25.8%。根据行业标准《路用阻燃改性沥青》(NB/SH/T 0821—2010)中规定，沥青材料达到难燃的要求是其氧指数超过23%，因此，添加不同配比ZIF-8/GO和APP的复合改性沥青阻燃材料均达到了规范标准。当进一步增大ZIF-8/GO的添加量时，试样A-4的氧指数反而略有下降，这可能是因为ZIF-8/GO的添加量过大，少部分在沥青中发生团聚，影响了复合改性沥青试样的阻燃性。沥青和只添加了质量分数为10%的APP的试样A-1在燃烧之后生成的炭层数量较少而且比较容易脱落。而在添加ZIF-8/GO和APP后，试样所生成的炭层致密且维持一定的几何形状，不易脱落，且炭层覆盖程度更密更广，这对复合改性沥青的阻燃性能有积极的影响，这表明ZIF-8/GO与APP有良好的协同阻燃作用。
|
| 图 2 复合改性沥青阻燃材料的LOI值 Fig. 2 LOI value of composite modified asphalt flame retardant materials |
| |
2.2.2 复合改性沥青阻燃材料的锥形量热试验
锥形量热测试是指通过模拟真实的燃烧环境，对真实火灾中材料的燃烧行为进行评估，进而衡量阻燃剂的阻燃效果。利用锥形量热仪进一步探究ZIF-8/GO和APP对沥青燃烧行为的影响。试样A，A-1，A-3的热释放速率和残留质量随燃烧时间变化曲线见图 3。试样A，A-1，A-3沥青试样在整个燃烧过程中相对应的峰值热释放速率、峰值热释放时间、总生烟量及有效燃烧热数据见表 4。试样A，A-1，A-3的热释放速率图见图 3(a)，沥青的热释放速率曲线为单峰，峰高且峰型尖锐，峰值出现在321 s处，pHRR值达到243.36 kW/m2。相较于沥青的热释放速率曲线，试样A-1和A-3的热释放速率曲线峰型较为平缓且范围变宽，峰值热释放速率值也有明显的降低且峰值热释放速率值出现的时间也相对延后，试样A-1的峰值热释放速率值为175.60 kW/m2，较沥青试样降低了27.84%；试样A-3的峰值热释放速率值为133.92 kW/m2，较沥青试样降低了44.97%。这表明ZIF-8/GO和APP的添加起到了良好的阻燃效果，能显著减缓复合改性沥青的燃烧，使得燃烧相对缓和地进行，从而降低了路面沥青在实际应用中的火灾危险性。
|
| 图 3 复合改性沥青阻燃材料锥形量热测试曲线 Fig. 3 Cone calorimeter test curves of composite modified asphalt flame retardant materials |
| |
| 试样 | 峰值热释放速率/(kW·m-2) | 峰值热释放时间/s | 总生烟量/m2 | 有效燃烧热/(kJ·g-1) |
| A | 243.36 | 321 | 3.5 | 10.48 |
| A-1 | 175.60 | 334 | 2.8 | 8.35 |
| A-3 | 133.92 | 340 | 2.4 | 6.74 |
试样A-1和A-3的残留质量图见图 3(b)，燃烧初期试样的曲线相似且接近重合，在100~200 s内试样质量迅速下降；燃烧中后期试样A-1和A-3的曲线趋势变缓且残留质量明显多于沥青试样，这可能是因为ZIF-8/GO和APP的存在使得试样A-1和A-3在燃烧过程中生成的稳定炭层覆盖在沥青的表面，阻止了进一步的燃烧，从而对燃烧起到了一定的抑制作用。此外，试样A-1和A-3的总生烟量和有效燃烧热值也明显降低，这表明ZIF-8/GO和APP的加入能够有效地减少烟雾的排放以及降低燃烧过程中释放的热量，从而赋予了沥青优异的阻燃性能。
2.3 ZIF-8/GO和APP的复配阻燃剂对沥青材料气相阻燃分析热重红外气质联用仪被用来探究复合改性沥青阻燃材料在热降解过程中释放的气态分解产物分析。复合改性沥青阻燃材料在不同温度范围内热降解过程中分解出气态产物的3D谱图见图 4。在整个降解过程中，试样A-3的整体峰值最低，这表明试样A-3的气相产物的总释放量要低于沥青和试样A-1，说明试样A-3在燃烧过程中燃烧能力变弱，整个燃烧过程变缓，危险性降低。
|
| 图 4 沥青阻燃材料的热重红外气质联用仪3D图 Fig. 4 3D TG-IR results of asphalt flame retardant materials |
| |
复合改性沥青阻燃材料在最大降解速率时所对应的温度下气相产物的红外光谱图见图 5(a)，整个热降解过程中的主要气相产物有芳香族化合物(3 018，1 630，1 495，1 430 cm-1)、烷烃C—H(2 933 cm-1)和羰基化合物 
|
| 图 5 复合改性沥青阻燃材料在燃烧过程中气相产物的红外光谱图 Fig. 5 FTIR curves of gas phase products for composite modified asphalt flame retardant material during combustion process |
| |
2.4 ZIF-8/GO和APP的复配阻燃剂对沥青材料固相阻燃分析
复合改性沥青阻燃材料残炭的激光拉曼光谱曲线如图 6所示。在残炭的激光拉曼光谱曲线中，在1 368 cm-1和1 595 cm-1处的吸收峰分别对应于石墨相的D带和G带，计算D带和G带的峰强比(ID/IG)可用来评估残炭结构的有序性[23]，计算可得沥青试样残炭的峰强比为0.87，表明沥青试样残炭的石墨化程度低。试样A-3的峰强比下降到0.74，这表明ZIF-8/GO和APP的添加使得沥青残炭的石墨化程度明显提高，残炭结构的规整度提高，炭层结构的稳定性提高，有助于改善炭层的热屏蔽效率，对沥青的阻燃有利。
|
| 图 6 复合改性沥青阻燃材料残炭的激光拉曼光谱图 Fig. 6 Raman spectra of residual carbon for composite modified asphalt flame retardant materials |
| |
残炭的FTIR测试结果如图 7所示，其中1 450~1 600 cm-1的峰归属于残余苯环的骨架伸缩振动峰；在试样A-1的红外曲线中，位于1 021 cm-1处的吸收峰为P—O—C的伸缩振动峰，磷酸盐类官能团的面内弯曲振动峰出现在672 cm-1处。此外，在试样A-3的红外曲线中检测到ZnO的吸收峰[24]。残炭的傅里叶变换红外光谱仪的结果表明，复合改性沥青阻燃材料的残炭主要成分包含残余芳环化合物、ZnO和磷酸盐等。
|
| 图 7 复合改性沥青阻燃材料残炭的FTIR测试结果 Fig. 7 FTIR result of residual carbon for composite modified asphalt flame retardant materials |
| |
2.5 ZIF-8/GO和APP的复配阻燃剂对沥青材料的阻燃机理分析
复合改性沥青阻燃材料的阻燃机理如图 8所示，APP和ZIF-8/GO的复配实现了凝聚相和气相共同阻燃。首先，在气相方面，APP经燃烧释放出PO·和HPO·自由基，这些自由基可以捕获复合改性沥青阻燃材料周围的H·和HO·自由基，终止燃烧连锁反应的进行；ZIF-8/GO经燃烧释放出NH3，H2O和CO2等不可燃气体[25]，稀释了复合改性沥青阻燃材料周围可燃气体的浓度，减缓了燃烧速率，同时分解反应吸收了复合改性沥青阻燃材料周围大量的热量，降低了复合改性沥青阻燃材料表面温度，减缓了燃烧进程从而起到抑烟的作用；此外ZIF-8/GO和APP的受热分解吸收了很大一部分的热量，从而降低了复合改性沥青阻燃材料周围的温度，进而延缓了燃烧反应的进行。其次，在凝聚相方面，APP受热分解生成的焦磷酸盐和ZIF-8/GO受热分解生成的ZnO起到催化复合改性沥青吸热脱水成炭的作用，在燃烧时有P—N—P，P—O—P，P—C等化合键生成，促使在复合改性沥青阻燃材料表面形成交联且连续的炭层，覆盖在复合改性沥青阻燃材料的表面，起到了阻隔复合改性沥青阻燃材料与外界之间热量与物质的交换[26]。另外，粒径较小的ZnO填充在炭层的空隙中，对炭层起到了进一步的支撑、增强的作用，提高了炭层的质量，起到屏蔽外界热辐射的作用，这促使复合改性沥青材料点燃的难度和自熄性能得到很大的提升。同时，金属离子Zn2+的存在具有较好的抑烟作用，进而表现出良好的阻燃性能。
|
| 图 8 复合改性沥青阻燃材料的阻燃机理 Fig. 8 Flame retardant mechanism of composite modified asphalt flame retardant materials |
| |
2.6 ZIF-8/GO和APP的复配阻燃剂对沥青材料应用性能的影响 2.6.1 复合改性沥青阻燃材料的基本性能
复合改性沥青阻燃材料的基本性能数据如表 5所示。
| 指标 | A | A-1 | A-2 | A-3 | A-4 | 规范要求 |
| 针入度/(0.1 mm) | 53.2 | 51.8 | 50.4 | 49.7 | 48.1 | 30~60 |
| 软化点/℃ | 74.4 | 76.2 | 77.3 | 78.5 | 79.1 | ≥60 |
| 延度/cm | 31.3 | 29.6 | 28.2 | 27.5 | 26.1 | ≥20 |
(1) 针入度。由图11可见，APP和ZIF-8/GO复配阻燃剂的添加量与沥青针入度的数值呈负相关变化趋势，随着APP和ZIF-8/GO复配阻燃剂添加量的增加，复合改性沥青的针入度依次下降，但下降幅度有限，这反映出APP和ZIF-8/GO复配阻燃剂的添加在一定程度上可以使复合改性沥青材料内部变得更加密实，提高了其抵御内部破坏的性能。
(2) 软入点。沥青的软化点温度为78.4 ℃，添加复配阻燃剂后的复合改性沥青材料的高温热稳定性得到显著的改善，且复合改性沥青阻燃材料的软化点随着ZIF-8/GO含量的增加而升高。这主要是由于APP和ZIF-8/GO的加入增强复合改性沥青共混体系的刚性，从而破坏复合改性沥青阻燃材料所需的温度较高，说明APP和ZIF-8/GO复配阻燃剂的加入能改良复合改性沥青材料的高温破坏性质。
(3) 延度。添加复配阻燃剂后的复合改性沥青材料的延度值均有所下降，但均符合规范标准。
2.6.2 复合改性沥青阻燃材料的路用性能复合改性沥青阻燃材料的路用性能主要从高温稳定性(动稳定度)、水稳定性能(冻融劈裂强度比)、低温稳定性(破坏弯拉应变)这3个方面进行分析。在实验室内成型AC-13沥青混合料并进行试验研究，相应的路用性能数据如表 6所示。
| 试样 | 动稳定度/(次·mm-1) | 冻融劈裂强度比/% | 最大弯曲应变/με |
| A | 5 985 | 88.3 | 3 325 |
| A-1 | 6 521 | 89.1 | 2 996 |
| A-2 | 6 564 | 89.4 | 2 820 |
| A-3 | 6 639 | 89.8 | 2 735 |
| A-4 | 6 608 | 89.5 | 2 512 |
由表 6可知，添加APP和ZIF-8/GO复配阻燃剂的复合改性沥青混合料的动稳定度值均高于原沥青混合料，这说明APP和ZIF-8/GO复配阻燃剂的添加有助于提高复合改性沥青的高温稳定性。当添加质量分数为3%的ZIF-8/GO和质量分数为7%的APP时，试样A-3的动稳定度最大，且相较于原沥青混合料提高了9.4%，表明APP和ZIF-8/GO复配阻燃剂具有良好的抗高温变形能力。沥青路面在水的剥蚀与压力作用下，容易被破坏，造成路面耐久度的降低，因此采用冻融劈裂强度比来评估复合改性沥青阻燃材料的水稳定性。
由表 6可知，APP和ZIF-8/GO复配阻燃剂的添加可以提高复合改性沥青混合料的冻融劈裂强度比，但增加幅度很小，这表明APP和ZIF-8/GO复配阻燃剂能够改善复合改性沥青混合料的水稳定性，但效果不够明显。采用破坏弯拉应变来反映复合改性沥青阻燃材料在既定条件下的变形能力，其值越大表明复合改性沥青材料低温性能越好。添加APP和ZIF-8/GO复配阻燃剂的复合改性沥青混合料的破坏弯拉应变均小于原沥青混合料，这表明APP和ZIF-8/GO复配阻燃剂的使得复合改性沥青混合料低温抗裂性能削弱，但试样A-1和A-2仍然可以满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)冬寒区不低于2 800 με的要求，试样A-3和A-4符合冬冷区不低于2 800 με的要求。
3 结论本研究通过合成沸石类咪唑框架材料/氧化石墨烯(ZIF-8/GO)阻燃剂，将其与APP复配阻燃沥青，并探究了ZIF-8/GO和APP的复配阻燃剂对沥青材料应用性能的影响。主要结论如下。
(1) 已成功制备了ZIF-8/GO阻燃剂，ZIF-8颗粒均匀地分布在GO的表面且结合紧密，ZIF-8/GO中Zn和N原子含量分别为4.4%和14.8%。
(2) ZIF-8/GO和APP的添加赋予了复合改性沥青良好的阻燃性能，当添加质量分数为3%的ZIF-8/GO和质量分数为7%的APP时，试样A-3的氧指数可达到25.8%，已符合行业标准NB/SH/T 0821—2010中沥青难燃的标准。ZIF-8/GO和APP的加入延长了燃烧时间，减缓了复合改性沥青的燃烧，使得整个燃烧过程相对缓和，并且燃烧过程中的烟雾释放量也明显降低，说明ZIF-8/GO和APP的加入起到了良好的抑烟效果。此外，添加了ZIF-8/GO和APP的复合改性沥青试样燃烧后生成的炭层致密且维持一定的几何形状，不易发生弯曲和脱落，炭层覆盖程度更密更广，且石墨化程度更高，有效地隔绝了热量和质量的传递，阻止了火焰的进一步蔓延，以达到阻燃的目的。
(3) 添加了ZIF-8/GO和APP复配阻燃剂使得复合改性沥青材料的针入度降低，软化点升高，延度减小，但均符合规范标准。此外，ZIF-8/GO和APP复配阻燃剂可明显提高复合改性沥青混合料的高温抵抗变形能力，对沥青混合料水稳定性能影响较小，尽管其在一定程度上削弱了复合改性沥青混合料低温抗裂性，但仍可应用于冬寒区与冬冷区。
| [1] |
段川, 王腾, 邹晓翎. 基于空隙空间分布特征的沥青路面渗水成因分析[J]. 公路交通科技, 2023, 40(12): 1-8. DUAN Chuan, WANG Teng, ZOU Xiao-ling. An Analysis on Cause of Asphalt Pavement Permeability Based on Spatial Distribution Characteristics of Void[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2023, 40(12): 1-8. |
| [2] |
王晓军, 权喜忠, 李宏伟, 等. 碳酸钙晶须改性沥青混合料路用性能评价[J]. 公路交通科技, 2023, 40(12): 9-16, 56. WANG Xiao-jun, QUAN Xi-zhong, LI Hong-wei, et al. An Evaluation on Road Performance of Calcium Carbonate Whisker Modified Asphalt Mixture[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2023, 40(12): 9-16, 56. |
| [3] |
QIAN G P, ZHU X, YU H N, et al. The Oil Pollution and Nitric Oxide Photocatalytic Degradation Evaluation of Composite Nanomaterials for Asphalt Pavement[J].
Construction and Building Materials, 2022, 314: 125497.
|
| [4] |
REN Y F, CHEN M Z, YANG T Y, et al. Effect of Steel Slag Aggregate on Pavement and Flame-retardant Performance of Warm-mixed Flame-retardant Asphalt Concrete[J].
Materials, 2021, 14(3): 635.
|
| [5] |
李鸣鹤, 刘志文, 邵光强. 桥下火灾空心板梁梁底温度场数值模拟[J]. 公路交通科技, 2023, 40(11): 123-130, 156. LI Ming-he, LIU Zhi-wen, SHAO Guang-qiang. Numerical Simulation on Temperature Field of Hollow Slab Girder Bottom in Fire Under Bridge[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2023, 40(11): 123-130, 156. |
| [6] |
ZHANG Y, XIONG Z Q, GE H D, et al. Core-shell Bioderived Flame Retardants Based on Chitosan/Alginate Coated Ammonia Polyphosphate for Enhancing Flame Retardancy of Polylactic Acid[J].
ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020, 8(16): 6402-6412.
|
| [7] |
XU W Z, YAO L, DING D, et al. Influence of In-situ Growth of Boron Nitride with Chestnut Ball Copper Cobaltate Synergistic Ammonium Polyphosphate on Flame Retardancy, Smoke Suppression, and Thermal Conductivity of Polylactic Acid[J].
Polymers for Advanced Technologies, 2022, 33(12): 4278-4289.
|
| [8] |
LIU W L, WANG D X, ZHANG Y, et al. Flammability and Flame-retardant Mechanism of High Density Polyethylene/Wood Fiber/Modified Ammonium Polyphosphate Composite[J].
Polymer Composites, 2018, 39(4): 1192-1199.
|
| [9] |
苟宏伟, 杨晋雷, 黄亮, 等. 聚磷酸铵复合阻燃剂对沥青性能影响研究[J]. 甘肃科技纵横, 2020, 49(3): 20-23, 63. GOU Hong-wei, YANG Jin-lei, HUANG Liang, et al. Effect of Ammonium Polyphosphate Composite Flame Retardant on Asphalt Performance[J]. Scientific & Technical Information of Gansu, 2020, 49(3): 20-23, 63. |
| [10] |
HU L H, CHEN L, FANG Y H, et al. Facile Synthesis of Zeolitic Imidazolate Framework-8(ZIF-8) by Forming Imidazole-based Deep Eutectic Solvent[J].
Microporous & Mesoporous Materials, 2018, 268: 207-215.
|
| [11] |
GAO W, LI Y, XIE W, et al. Photocatalytic Degradation of Oxytetracycline Using Zeolite Imidazole Framework-8(ZIF-8) as an Effective Catalyst[J].
Nano, 2022, 17(6): 2250042.
|
| [12] |
LIU D Y, CUI Y H, ZHANG T L, et al. Improving the Flame Retardancy and Smoke Suppression of Epoxy Resins by Introducing of DOPO Derivative Functionalized ZIF-8[J].
Polymer Degradation and Stability, 2021, 194: 109749.
|
| [13] |
周焕云, 张磊. 氧化石墨烯复配SBS改性沥青物理流变性能研究[J]. 公路交通科技, 2021, 38(1): 10-18. ZHOU Huan-yun, ZHANG Lei. Study on Physical and Rheological Properties of Graphene Oxide Compounded SBS Modified Asphalt[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2021, 38(1): 10-18. |
| [14] |
ZHANG M, DING X Q, ZHAN Y X, et al. Improving the Flame Retardancy of Poly (Lactic Acid) Using an Efficient Ternary Hybrid Flame Retardant by Dual Modification of Graphene Oxide with Phenylphosphinic Acid and Nano MOFs[J].
Journal of Hazardous Materials, 2020, 384: 121260.
|
| [15] |
JIANG L L, TU S H, YU H T, et al. Gas Sensitivity of Heterojunction TiO2 NT/GO Materials Prepared by a Simple Method with Low-concentration Acetone[J].
Ceramics International, 2020, 46(4): 5344-5350.
|
| [16] |
RAD F Y, SEFIDMAZGI N R, BAHIA H, et al. Application of Diffusion Mechanism: Degree of Blending Between French and Recycled Asphalt Pavement Binder in Dynamic Shear Rheometer[J].
Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board, 2014, 2444(1): 71-77.
|
| [17] |
GUO W J, CHEN J B, SUN S Q, et al. In Situ Monitoring the Molecular Diffusion Process in Graphene Oxide Membranes by ATR-FTIR Spectroscopy[J].
Journal of Physical Chemistry: Part C, 2016, 120(13): 7451-7456.
|
| [18] |
周志刚, 周建雄, 罗根传, 等. 温拌阻燃沥青混凝土路面性能加速加载试验模拟分析[J]. 公路交通科技, 2019, 36(7): 1-9. ZHOU Zhi-gang, ZHOU Jian-xiong, LUO Gen-chuan, et al. Simulation Analysis on Accelerated Loading Test on Warm-mixed Flame Retardant Asphalt Concrete Pavement Performance[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2019, 36(7): 1-9. |
| [19] |
AVRAMI M. Kinetics of Phase Change. Ⅱ Transformation-time Relations for Random Distribution of Nuclei[J].
The Journal of Chemical Physics, 1940, 8(2): 212-224.
|
| [20] |
JIANG H L, LIU B, AKITA T, et al. Au@ZIF-8: CO Oxidation over Gold Nanoparticles Deposited to Metal-organic Framework[J].
Journal of the American Chemical Society, 2009, 131(32): 11302-11303.
|
| [21] |
DAI X, CAO Y, SHI X W, et al. Non-isothermal Crystallization Kinetics, Thermal Degradation Behavior and Mechanical Properties of Poly (Lactic Acid)/MOF Composites Prepared by Melt-blending Methods[J].
RSC Advances, 2016, 6(75): 71461-71471.
|
| [22] |
XIE H L, LAI X J, LI H Q, et al. Fabrication of ZrP Nanosheet Decorated Macromolecular Charring Agent and Its Efficient Synergism with Ammonium Polyphosphate in Flame-retarding Polypropylene[J].
Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2018, 105: 223-234.
|
| [23] |
ZHAO C X, LIU Y, WANG D Y, et al. Synergistic Effect of Ammonium Polyphosphate and Layered Double Hydroxide on Flame Retardant Properties of Poly (Vinyl Alcohol)[J].
Polymer Degradation and Stability, 2008, 93(7): 1323-1331.
|
| [24] |
潘权子, 刘文晓, 孟则达, 等. 压电增强二硫化钼/氧化锌近红外光催化降解氨氮[J]. 材料导报, 2023, 37(19): 33-39. PAN Quan-zi, LIU Wen-xiao, MENG Ze-da, et al. Piezo-enhanced Degradation of Ammonia-Nitrogen Based on MoS2/ZnO Materials upon Near-infrared irradiation[J]. Materials Reports, 2023, 37(19): 33-39. |
| [25] |
何立平, 申爱琴, 梁军林, 等. 阻燃沥青及沥青混合料的阻燃性能及路用性能[J]. 公路交通科技, 2013, 30(12): 15-22. HE Li-ping, SHEN Ai-qin, LIANG Jun-lin, et al. Flame Retardant and Pavement Performance of Flame Retardant Asphalt and Asphalt Mixture[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2013, 30(12): 15-22. |
| [26] |
LOPATTANANON N, WALONG A, SAKAI T. Influence of Incorporation Methods of ATH on Microstructure, Elastomeric Properties, Flammability, and Thermal Decomposition of Dynamically Vulcanized NR/PP Blends[J].
Journal of Applied Polymer Science, 2018, 135(18): 46231-46243.
|