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沥青路面的矿物组分阻燃机理与技术研究

作　者: 张厚记
导　师: 胡曙光
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料学
关键词: 沥青路面阻燃机理阻燃技术矿物阻燃矿粉矿物纤维
分类号: U414
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着我国公路建设的跨越式发展，隧道的建设规模越来越大，由于隧道内水泥路面存在抗滑系数衰减迅速而引发交通事故多的缺点，沥青路面正成为隧道路面铺装的主流。由于沥青的易燃性使隧道内沥青路面的阻燃研究具有重要的意义。针对目前国内外阻燃沥青技术中外加有机阻燃剂存在毒性大、烟雾浓、价格贵、影响沥青性能的四个方面的突出问题，论文运用材料学原理，首次提出了矿物组分阻燃沥青路面的新技术，该技术路线为：研制具有羟基阻燃结构的矿粉和矿物纤维，作为沥青混合料的组成，配制具有阻燃性能的沥青路面。运用材料燃烧机理和阻燃机理，研制出一种碱性阻燃矿粉(代号为MP-AFR)。首先利用极限氧指数试验、水平燃烧试验和烟密度试验测试了MP-AFR矿粉对沥青的阻燃抑烟功效，并通过TG-DSC试验分析了其阻燃抑烟机理：释水、吸热、成炭、隔热。其次从矿粉的亲水系数、粘附性、细度等技术要求角度，研究了矿粉取代石灰石矿粉的可行性。然后试验了MP-AFR矿粉对沥青胶泥的Brookfield旋转粘度、剪切弹性模量、相位角、车辙因子等粘弹性的影响，并将复合材料学中的Einstein粘度理论、Nelson流变学模型和Hashin相位角理论应用于沥青胶泥体系中，研究提出了使粘弹性改善的界面酸碱反应增粘机理。最后采用隧道内常用的SMA-13沥青路面结构，比较研究了MP-AFR矿粉对沥青混合料的抗水损坏、抗高温车辙、抗低温弯曲等路用性能和抗飞散、抗析漏等施工性能的影响，并从沥青胶泥的粘弹性和材料细观力学角度分析了路用性能改善的机理。研究发现了一种碱性阻燃矿物纤维(代号为MF-AFR)。首先测试了MF-AFR纤维、木质素纤维、聚合物纤维的极限氧指数和3种纤维沥青胶泥的极限氧指数，证明MF-AFR纤维具有阻燃性能，并通过TG-DSC试验分析了其阻燃机理。其次分析并比较了3种纤维在沥青混合料中的作用机理，证明MF-AFR纤维取代木质素纤维、聚合物纤维是可行的。然后通过掺加MF-AFR纤维的沥青混合料的各种路用性能试验和施工性能试验，确定了MF-AFR纤维的最佳用量为0.4％～0.6％。最后比较研究了3种纤维的沥青混合料的路用性能与施工性能，表明MF-AFR纤维与木质素纤维、聚合物纤维的性能相当。最后总结性地提出了隧道沥青路面的阻燃解决方案：对于AC型沥青路面采用MP-AFR矿粉技术路线，对于SMA型沥青路面采用MP-AFR矿粉和MF-AFR纤维技术路线。SMA型沥青路面试件的室外燃烧比较试验表明：此解决方案具有阻燃效果。并针对隧道内近似封闭的特点提出了延长拌和时间、降低施工温度、加强通风、使用热沥青做防水粘结层等施工工艺。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-27
  1.1 隧道路面结构的发展  11-14
  1.2 研究阻燃沥青路面的意义  14-16
  1.3 阻燃科学研究进展  16-20
  1.4 阻燃沥青路面的研究现状与问题  20-24
  1.5 阻燃沥青路面的研究思路、内容、目的  24-27
第二章阻燃矿粉的研制  27-45
  2.1 阻燃矿粉的筛选和研制  27-32
    2.1.1 常用矿粉的阻燃性分析  27-29
    2.1.2 矿物改性沥青的阻燃性分析  29-30
    2.1.3 阻燃矿粉筛选与研制  30-31
    2.1.4 阻燃矿粉的物理化学性能  31-32
  2.2 MP-AFR矿粉的阻燃抑烟性能  32-40
    2.2.1 极限氧指数试验  32-35
    2.2.2 水平燃烧试验  35-36
    2.2.3 烟密度试验  36-39
    2.2.4 阻燃抑烟机理  39-40
  2.3 取代矿粉的可行性  40-44
    2.3.1 常规物理指标比较  41-42
    2.3.2 水溶性和水敏感性  42-43
    2.3.3 MP-AFR矿粉与沥青的粘附性  43-44
  2.4 本章小结  44-45
第三章阻燃矿粉沥青胶泥的粘弹性研究  45-54
  3.1 沥青胶泥的粘度试验  45-47
  3.2 MP-AFR矿粉增粘机理  47-49
  3.3 沥青胶泥的动态剪切试验  49-51
  3.4 沥青胶泥的粘弹性力学  51-53
  3.5 本章小结  53-54
第四章阻燃矿粉沥青混合料性能研究  54-70
  4.1 SMA-13配合比设计  54-59
  4.2 抗水损坏性能  59-62
  4.3 抗高温车辙性能  62-65
  4.4 抗低温弯曲性能  65-67
  4.5 析漏和飞散性能  67-69
  4.6 本章小结  69-70
第五章阻燃矿物纤维的研制  70-84
  5.1 阻燃纤维的筛选和研制  70-72
  5.2 MF-AFR纤维的阻燃性能研究  72-74
  5.3 纤维作用机理  74-83
    5.3.1 加筋增强作用  76-77
    5.3.2 长径比增粘作用  77-78
    5.3.3 粘结分散作用  78-80
    5.3.4 吸油稳定作用  80-83
  5.4 本章小结  83-84
第六章阻燃纤维沥青混合料性能研究  84-101
  6.1 MF-AFR纤维的最佳用量试验  84-94
    6.1.1 抗水损坏性能  84-87
    6.1.2 抗高温车辙性能  87-88
    6.1.3 抗低温弯曲性能  88-92
    6.1.4 施工性能  92-94
  6.2 三种纤维沥青混合料路用性能比较  94-100
    6.2.1 马歇尔性能比较  94-95
    6.2.2 抗水损坏性能比较  95-97
    6.2.3 抗高温车辙性能比较  97-98
    6.2.4 抗低温弯曲性能比较  98-99
    6.2.5 施工性能比较  99-100
  6.3 本章小结  100-101
第七章阻燃沥青路面解决方案与施工工艺  101-108
  7.1 隧道阻燃沥青路面的解决方案  101-102
  7.2 阻燃方案的沥青混合料燃烧试验  102-104
  7.3 隧道阻燃沥青路面的施工工艺  104-107
  7.4 本章小结  107-108
第八章结论  108-110
参考文献  110-116
博士期间发表文章、专利申请及参加科研情况  116-117
致谢  117

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