赵毅，田于锋，郝增恒，秦旻，王亚茹

(1.重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074；2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400067；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；4.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；5.重庆交通大学 经济与管理学院，重庆 400074)

伴随着中国公路建设事业的快速发展，山区高速公路的建设日益增多，从而出现大量的隧道和隧道群。截至2018年底，中国大陆等级运营公路上的隧道有17 738座，总长约17 236 km[1]。相比传统的水泥混凝土路面，沥青路面因其具有表面平整无接缝、行驶舒适、开放交通快、噪音低、养护简便等优点而被广泛应用于隧道路面建设中。然沥青作为沥青混合料中的粘结剂，是一种有机高分子材料，一旦隧道内发生火灾，沥青路面易被引燃，温度急剧上升，在短时间内可高达800 ℃或更高，且隧道内通风散热不畅，缺氧燃烧会释放出大量有毒烟气，烟气包括固体和液体颗粒，由于隧道内空间受限，阻碍氧气更新，降低能见度，从而导致人员严重中毒或窒息，将极大地威胁人员的生命安全[2]。因此，长大隧道沥青路面的火灾安全性能成为重要的研究课题。

为了解决隧道沥青路面的火灾安全性问题，广大学者对阻燃抑烟沥青材料的阻燃机理和评价方法开展了大量深入系统的研究[3]。同时，结合沥青材料特性，开发了一系列的阻燃剂，减缓沥青路面燃烧的蔓延和发展，降低有毒气体的释放。然而，由于公路隧道独特的环境，阻燃沥青的应用效果、制备工艺、评价方法以及对路用性能的影响依然存在很多问题，因此，采取合理有效的阻燃方法，制备高效、无毒、抑烟的环保型阻燃抑烟沥青，建立准确可靠的评价标准已成为隧道沥青路面发展的当务之急。但目前的研究非常有限，缺乏全面系统的总结。

为促进隧道沥青路面阻燃技术的研究，减少隧道火灾的危害，对公路隧道沥青路面的阻燃性能进行了综述。首先，介绍了沥青燃烧特性及阻燃机理；其次，对沥青路面阻燃技术包括如阻燃剂、组分阻燃、多孔结构阻燃、纳米阻燃及复合协同阻燃等和抑烟技术包括改进制备工艺和添加抑烟除味剂进行了简要综述，概括了沥青阻燃性能的评价方法和沥青烟气定量测定方法。最后，分析了隧道沥青路面阻燃抑烟技术面临的问题并展望其前景。

1 沥青燃烧特性及阻燃机理

沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物，主要组成元素为碳、氢、氧、硫、氮，微量元素包括铁、锑、镍、钒等，但因数量甚微，可忽略其对沥青性质和使用性能的影响。一般认为沥青是由沥青质、胶质、芳香分和饱和分 4种组分组成。沥青质主要为缩合环结构，含硫、氧、氮等衍生物。沥青质的燃烧最易生成有害气体。胶质化学稳定性较差，易被氧化为沥青质。芳香分和饱和分作为油分，主要由芳香烃、含硫衍生物以及烷烃或环烷烃组成，容易燃烧，且主要发生在燃烧的初始阶段，是阻燃设计重要研究的组分。沥青燃烧通常可分为热解和焦炭燃烧两个阶段，即油分的释放、树脂的热解以及沥青质和焦炭的燃烧[4]。沥青属于易燃物质，燃烧中会分解出甲烷、苯、氢及烷烃类易燃气体，容易导致火势蔓延。

沥青燃烧是一个放热、分解的物理化学过程。掺入阻燃剂是沥青阻燃的主要方法，可提高沥青的分解温度，增加气体中不燃成分，或基体成炭，抑制燃烧。沥青阻燃剂的阻燃机理包括吸热阻燃、凝聚相阻燃、抑制链反应阻燃及气相阻燃等。吸热阻燃是通过降低可燃物质表面温度的方式，抑制或防止易燃物质的燃烧反应，主要包括两种形式，一种是在被阻燃物中添加具有导热和蓄热性质的无机填料，降低可燃物质表面温度；另一种是阻燃剂分解时，吸收燃烧的热量，消耗热源；凝聚相阻燃是通过在高温情况下形成稳定的泡沫覆盖层或玻璃状，隔绝与空气的接触，从而起到阻燃作用[5]；抑制链反应阻燃是通过捕捉燃烧反应的自由基，降低燃烧反应速度，阻止火焰传播；气相阻燃是根据阻燃剂受热时产生不燃气体抑制燃烧反应。同时，不燃气体对燃烧区内的氧气具有稀释作用，减缓燃烧反应速度。但实际上，沥青燃烧和阻燃均是十分复杂的物理化学过程，涉及的影响因素众多，通常是几种阻燃机理共同作用。

2 沥青路面阻燃技术

根据目前材料阻燃技术研究成果，隧道沥青路面阻燃方法主要包括沥青中掺加阻燃剂、混合料中使用不可燃矿物纤维、铺筑多孔沥青路面结构、纳米材料阻燃及复合协同阻燃等[6]。其中阻燃沥青在隧道沥青路面建设中应用比较广泛。

2.1 沥青阻燃剂

目前，通过在沥青中添加阻燃剂、抑烟剂是实现沥青阻燃的主要方式。常见的阻燃剂按照组成分为卤系、磷系、氢氧化物、硼系、氮系、磷-卤系、磷-氮系等。

2.1.1 卤系阻燃剂 卤系阻燃剂是最早使用的一类阻燃剂，以卤素元素起阻燃作用。卤系元素氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)均具有阻燃性，但在实际中，氯类和溴类阻燃剂应用比较广泛[7]。卤系阻燃剂的阻燃机理包括阻隔降温、抑制链反应、切断热源三个方面。卤系阻燃剂的 C-X 键能低，受热分解时吸收部分热量，降低可燃物质表面温度，同时，分解生成的卤化氢气体 HX 是难燃性气体，在沥青表面形成保护膜，以隔绝氧气；HX可与沥青燃烧分解的自由基HO·、·O、H·反应生成卤系自由基X·，X·又与高分子链反应生成HX，如此循环，降低卤素自由基浓度，从而减缓或终止燃烧反应；阻燃剂的存在减弱了高分子链之间的范德华力，使材料在受热时消耗掉部分热量，从而实现阻燃的效果。

熊剑平等[8]通过热分析试验研究了十溴二苯乙烷(DBDPE)阻燃沥青的阻燃机理。结果表明，DBDPE以气相阻燃机理为主，兼具凝聚相阻燃作用，主要是通过燃烧产生的溴化氢(HBr)气体消耗沥青反应热解的自由基，从而达到沥青阻燃的目的。

卤系阻燃剂特别是溴系阻燃剂，在燃烧过程中产生有毒气体及致癌物质，如十溴二苯醚。因此，基于生态环境保护和人类健康，某些溴系阻燃剂在许多国家都已限用或禁用。

2.1.2 磷系阻燃剂 磷系阻燃剂是以磷为主要阻燃元素的阻燃剂，包括无机磷系阻燃剂和有机磷系阻燃剂。磷系阻燃剂的阻燃机理主要为凝聚相机理，即含磷基团受热分解，生成强脱水型的物质，促进基体成炭，降低热传导，且自身形成保护层，此过程中吸收部分热量，减少可燃性气体的释放[9]。无机磷系阻燃剂主要为红磷、聚磷酸铵(APP)、磷酸盐等。红磷是一种重要的无机阻燃剂，具有阻燃效率高、添加量少等优点[10]。红磷与氧形成的PO·自由基，可捕捉大量的H·、HO·自由基，有效抑制基体燃烧的链式反应。但红磷阻燃剂易氧化，反应过程中释放有毒气体，且燃烧时容易引起爆炸，因此，红磷在使用、储存和运输过程中的安全性有待进一步提高。聚磷酸铵主要用途是作为膨胀型阻燃体系的酸源，与炭源以及气源并用，其组成式可表示为(NH4)n+2PnO3n+1。董芃伯[11]研究了APP 改性沥青的阻燃性能和路用性能。结果表明，当APP掺量达到11%时，改性沥青具有优良的阻燃性能和抑烟效果，但烟气毒性没有明显改善。有机磷系阻燃剂大多为磷酸酯、亚磷酸酯和膦酸酯类阻燃剂，种类多，品种齐全，阻燃效率高，阻燃效果好。

有机磷系阻燃剂具有低烟、无毒、低卤、高效等优点，适应了阻燃剂的发展趋势。但是磷元素本身可能具有致癌性、毒性等，大量使用会污染周围环境，可能对人体造成危害[12]。

魏建国等[13]对比分析了十溴二苯醚(DBDPO)、十溴二苯乙烷(DPDPE)、聚磷酸铵(APP)和氢氧化铝(ATH)4种阻燃剂对沥青及沥青混合料的阻燃效果。结果表明，DBDPO溴类、DPDPE溴类和APP膨胀类阻燃剂阻燃效果较好，ATH无机类阻燃剂抑烟效果较好。

盛燕萍等[14]选用硅烷偶联剂 KH550作为表面改性剂，由可膨胀石墨(EG)、APP、氢氧化镁(MH)及氢氧化钙(HL)复合配制新型阻燃剂。结果表明，该复合阻燃剂能明显改善沥青的阻燃性能，建议阻燃剂的最佳掺量为8%。

2.1.3 金属氢氧化物阻燃剂 金属氢氧化物阻燃剂主要包括氢氧化铝(ATH)和氢氧化镁(MH)，是目前应用最为广泛的无机阻燃剂。金属氢氧化物阻燃剂的阻然机理主要包括冷阱效应、稀释效应和阻挡层效应，即ATH 和 MH 分子结构分别在 220 ℃ 和 340 ℃ 受热分解释放水蒸气，吸收大量的热，稀释可燃气体的浓度，同时，分解生成的氧化镁或氧化铝覆盖在凝聚相表面形成一层保护层，阻隔热量和可燃物质的传递，因而有助于阻燃和抑烟作用[15]。

金属氢氧化物是环保型阻燃剂的典型代表，具有低烟、无毒、环保等特点，符合阻燃剂的发展需求。但金属氢氧化物阻燃剂阻燃效果偏差，为提高阻燃能力，需增大填充量，而较高的填充量会劣化混合料的综合性能，因此，超细化技术、协同阻燃技术成为金属氢氧化物阻燃剂发展的重要研究方向。

任梵等[16]选用微米级MH作为阻燃剂制备阻燃沥青。结果表明，随着 MH 添加量和目数的增大，阻燃改性沥青的极限氧指数(LOI)值呈上升趋势，但MH添加量达到一定水平后，MH的目数过高会发生团聚现象，LOI值的提高幅度变缓。增大MH添加量和目数，有利于延长阻燃改性沥青的点燃时间，降低热释放速率和总释放热。

丁庆军等[17]研究了ATH、MH 及 Zeolite 沸石粉的复合阻燃沥青配合比设计和阻燃性能。结果表明，若仅使用ATH 制备阻燃沥青，为有效提升阻燃性能需要较大的填充量。按掺量 20% ATH、5% MH 及 3% Zeolite 制备复合阻燃沥青，其 LOI 达到 29.2%，闪点达到近 420 ℃，阻燃抑烟效果良好，适用于隧道沥青路面阻燃沥青材料。

杨宇等[18]选用ATH、MH阻燃剂制备铝镁系阻燃沥青。结果表明，铝镁复合阻燃剂比单一ATH、MH阻燃剂具有更好的阻燃效果，并减少有毒烟气的释放；铝镁系阻燃沥青具有良好的物理性能、热储存稳定性和高温性能，但会降低低温性能。

黄志义等[19]选用ATH和HL作为复合阻燃剂制备改性沥青。结果表明，相比于单一氢氧化物阻燃剂，复合氢氧化物阻燃剂具有协同阻燃作用，沥青材料的点燃时间延长，平均热释放速率和一氧化碳产率大幅降低。

贺海等[20]选用氢氧化铝、水滑石、硼酸锌制备阻燃抑烟剂改性沥青。结果表明，该无机阻燃剂具有较好的阻燃、抑烟性能，掺量>18%时，氧指数 >25%，满足规范要求。

朱凯等[21]研究了消石灰、MH对沥青阻燃性能的影响。结果表明，消石灰可延长沥青点燃时间，有效降低沥青的燃尽率、燃烧反应速率、烟释放率和释热量，减少燃烧过程中CO的释放。与MH不同，在反应初期，消石灰并非利用吸热的分解反应起到阻燃作用，而是通过抑制可燃挥发分的析出，以延缓沥青的着火；同时，在沥青燃烧过程中，消石灰会发生碳酸化反应，形成致密的碳酸盐阻隔层，从而起到隔热、阻燃作用。

2.1.4 硼系阻燃剂 硼系阻燃剂具有无卤、抑烟、阻燃优良的特性，属于应用前景良好的新型阻燃材料。硼系阻燃剂包括无机硼系阻燃剂和有机硼系阻燃剂。硼酸锌(ZB )是目前应用最广泛的无机硼系阻燃剂之一，具有阻燃、抑烟、成炭、抑制阴燃和防止熔滴等多种功能。近年来，有机硼系复合型阻燃剂逐渐兴起，包括硼-氮、硼-磷、硼-卤与硼-硅等复合阻燃剂，具有良好的阻燃抑烟性能。

陈辉强等[22]利用ZB与自制的沥青阻燃剂(BFR-Si)复合改性制备隧道阻燃沥青。结果表明，添加适量ZB可显著降低道路沥青+BFR-Si体系的烟密度、热释放速率、质量损失速率以及有效燃烧热等指标，延长点燃时间，增加实际成炭量。ZB对道路沥青+BFR-Si体系具有较显著的阻燃增效作用。

Cong等[23]选用十溴二苯醚(EBPED)、三氧化二锑和ZB制备混合阻燃剂改性SBS沥青。结果表明，添加6%的混合型阻燃剂，可显著改善沥青结合料的热性能，提高其阻燃性能。

Demirel等[24]研究了硼酸锌、硼酸和氢氧化镁的阻燃性能，发现三种阻燃剂均可以显著降低烟密度，其中硼酸锌的抑烟效果最显著。

硼酸锌与氢氧化物复配使用时，具有显著的协效阻燃抑烟效应。ZB在燃烧分解过程中释放结晶水，同时与金属氧化物反应，在材料表面形成致密的玻璃层，对热量传递起阻隔作用，降低材料的氧化降解速度，从而达到协同阻燃作用。李立寒等[25]推荐采用复配阻燃体系MH+ZB，协同阻燃抑烟效率较好，阻燃性价比较高，建议MH和ZB最佳掺量分别为15%和3%。

2.1.5 膨胀型阻燃剂 膨胀型阻燃剂(IFR)是一种新型高效环保复合阻燃剂，被认为是今后阻燃剂发展的重要方向之一。传统膨胀型阻燃剂是以磷、氮为主要成分的阻燃系统，属于磷-氮协效阻燃剂，该阻燃剂一般由酸源(脱水剂)、炭源(成炭剂)和气源(发泡剂)组成。目前，磷-氮系膨胀型阻燃剂主要以APP为酸源、季戊四醇为炭源、三聚氰胺(MA)为气源进行制备。该类阻燃剂高温分解时在表面能形成致密泡沫炭层，具有良好的隔热、隔氧、抑烟作用，从而达到高效阻燃。EG是另一种膨胀型阻燃剂。在加热到适当温度时，插层化合物可瞬间迅速分解，产生大量气体，使EG沿炭轴方向膨胀成蠕虫状的新物质，覆盖在有机物表面形成绝缘层，起到良好的阻燃效果。

朱志成等[26]选用膨胀型阻燃剂(IFR)、EG以及两者协同体系(IFR-EG)制备阻燃沥青。研究表明，EG与IFR复配体系协同阻燃效果较好，制得的阻燃沥青氧指数明显升高，热稳定性能增强，燃烧后形成膨胀多孔均质碳层。

2.1.6 纳米阻燃剂 纳米阻燃剂因其纳米效应、较大的比表面积、良好的分散性、相容性、无毒环保、阻燃效率高等优点，有效地克服了传统阻燃剂加入量大且在一定程度上影响基体材料性能的缺陷，成为近年来阻燃改性的研究热点。无机纳米粒子是指颗粒尺寸为纳米量级(1～100 nm) 的金属或半导体超细微粒，具有良好的阻燃性能。目前常用于协同阻燃的无机纳米粒子大致可以分为以下三大类：①无机层状纳米硅酸盐化合物，如蒙脱土等；②新型无机纳米碳基材料，如碳纳米管、石墨烯等；③纳米级金属及金属化合物，如纳米三氧化二铝、纳米氢氧化镁等。

Jia等[27]研究了有机蒙脱土(OMMT)与热塑性聚氨酯(TPU)对沥青结合料性能的协同作用。结果表明，适量的OMMT和TPU有助于提高沥青结合料的高低温性能、弹性性能和阻燃性。OMMT含量对OMMT/TPU改性沥青粘结剂的阻燃性能起着关键作用。建议在沥青结合料中使用2% OMMT和9% TPU。

Wu等[28]研究表明，有机改性蒙脱土(OMMT)的加入可以提高沥青的极限氧指数(LOI)值，5%的OMMT可以使沥青的LOI从19.8%提高到23.6%。然而Pei等[29]研究表明，随着OMMT添加量的增加，沥青的LOI增加，但其增长速度相对较小，其中 OMMT 添加量为20%时，沥青的LOI为22.1%。Zhang等[30]研究发现，随着OMMT用量的增加，沥青的LOI先增大后减小，当OMMT用量(质量分数)为7%～10%时，LOI达到峰值。

纳米硅酸盐是最常见的阻燃剂之一。蒙脱土具有纳米硅酸盐片层结构，然而蒙脱土层间环境为亲水性，不利于沥青分子的插入，通过有机阳离子交换得到有机蒙脱土(OMMT)，降低层间表面能，表现为亲油性，改善蒙脱土与沥青的相容性[31]。纳米材料的分散性对复合材料的阻燃性能有很大的影响。分散度越高，材料的阻燃性能越好。同时，纳米硅酸盐与金属氢氧化物复合制备阻燃沥青，具有良好的气固相协同阻燃效果。

2.2 多孔路面结构阻燃

多孔沥青路面结构具有18%～25%高空隙率特性，且大多孔隙通过表面与外界相通，具有良好的降噪、透水、降温与分解汽车尾气等功能。同时，多孔沥青路面在隧道防火中也具有重要作用，主要表现在两个方面：一是当隧道内发生液体燃料泄漏时，多孔沥青面层能够通过空隙吸收或排除部分燃料，降低隧道内可燃物的有效燃烧时间，从而达到阻燃的目的[2，32]。同时，燃料在沥青混合料连通孔隙中的扩散速率远低于沥青混合料表面，有利于控制火势蔓延；二是多孔沥青路面结构内部连通的孔隙形成“储油池”结构。液体燃料从表面流入多孔沥青混合料内部，但由于多孔沥青路面面层中的空隙处于饱和状态，没有足够氧气，从而导致自熄灭。相比其他类型的沥青混合料，多孔沥青混合料的沥青含量较少，即减少了隧道火灾中可供燃烧的沥青，在一定程度上起到了防火阻燃作用[33]。

丁庆军等[34]通过模拟燃烧试验对比分析了水泥混凝土、AC、SMA和OGFC四种路面材料的防火性能。结果表明，OGFC路面逃逸汽油量最大，高达89%，路表温度控制在200 ℃以下，空气温度不足50 ℃，具有优良的防火性能，适宜作为大型公路隧道沥青面层材料。

多孔沥青路面的阻燃性能主要取决于其空隙率。普遍认为，多孔沥青路面空隙率越大，排水性能越强，火灾时能够增加逃逸汽油量，从而提高路面的阻燃性能。由于液体燃料的燃烧实际上是燃料蒸汽和空气之间的气体燃烧反应，当空隙率增大到一定程度时，路面表面孔径增大，燃油蒸气与空气接触发生燃烧反应，容易引起路面内部燃料燃烧，导致多孔沥青路面阻燃防火性能下降。但由于沥青表面孔隙的阻碍，燃料蒸汽扩散表面的速度受到限制。因此，在空隙率为24%的沥青混合料燃烧试验中，燃烧时间增长[35]。

王朝辉等[36]研究了温拌阻燃OGFC沥青混合料的抗滑、降噪、低温施工以及阻燃功能。结果表明，OGFC级配特性和阻燃剂协同效应下，温拌阻燃OGFC沥青混合料具有良好的阻燃性能和路用性能。

2.3 不可燃矿物纤维阻燃

目前隧道沥青路面阻燃设计中，掺入阻燃剂制备阻燃沥青改善路面防火阻燃性能是应用最为普遍的方法。但阻燃剂本身与沥青相容性、掺配比例等问题，会对沥青材料的耐久性造成一定的损伤。基于沥青混合料整体阻燃设计出发，采用不可燃的矿粉和矿物纤维替代传统的石灰石矿粉、木质素纤维或聚合物纤维从而达到沥青路面阻燃的功效成为一种新思路。

在施工温度200 ℃以内，碱性矿物纤维保持稳定。在沥青燃点300 ℃左右时，碱性矿物纤维不仅自身不燃，同时具有良好的阻燃性能。究其原因，一方面，碱性矿物纤维含有羟基阻燃结构，加热释水过程会吸收大量的热量；另一方面，脱水分解后的高活性产物比表面积较大，能够吸烟、成炭、隔热、阻燃，有效控制火势的蔓延和发展。

秦先涛等[37]对比研究了Miber-Ⅲ纤维、木质素纤维、玄武岩纤维的阻燃特性。结果表明，与常规的木质素纤维、玄武岩纤维相比，Miber-Ⅲ型矿物纤维提高了沥青胶浆的极限氧指数，阻燃效果明显提升。从阻燃效率的角度看，Miber-Ⅲ纤维用量宜在 10%～15%之间。

张厚记等[5]开发了一种碱性阻燃矿粉代替石灰石矿粉，且具有良好的阻燃抑烟功能。碱性阻燃矿粉阻燃机理主要包括释水、吸热、成炭、隔热 4个部分。在350～460 ℃时，矿粉发生脱水吸热阻燃反应；矿粉分解产生的高活性的氧化物层能吸收自由基和促进沥青成炭达到阻燃抑烟的作用，同时分解的氧化物热传导系数低，形成保护层，具有隔热阻燃作用。

纪伦等[38]对比分析了不同矿粉的阻燃性，并与氢氧化铝(ATH)组成复合阻燃体系。结果表明，该阻燃体系改性沥青具有吸热、覆盖、稀释多重阻燃作用，能够达到材料的自熄指标。

2.4 复合协同阻燃

近年来，环保、高效的阻燃抑烟沥青广泛应用于长大公路隧道沥青路面的铺装。然而，单一的阻燃剂改性沥青很难满足上述要求，复合型的协同阻燃方式是实现这一目的最有效的途径。协同阻燃形式主要包括卤/锑、磷/卤、磷/氮、磷/硼、膨胀型阻燃体系中的协同剂、金属氢氧化物复配、纳米材料与其他阻燃材料等。

通常，卤-锑协同作用具有很好的阻燃性能，但锑系中常用的三氧化二锑发烟量较大，硼系中的硼酸锌既能阻燃又能消烟，因此，可用硼酸锌替代部分三氧化二锑，组成三元阻燃体系。金属氢氧化物普遍认为是安全环保的阻燃剂，但若仅以氢氧化物作为阻燃材料，则需增大填充量，否则阻燃效果相对较差，通常与磷系、硼系、纳米材料复合使用，协同阻燃。刘文娟等[39]选取氢氧化镁、硼酸锌、聚磷酸铵为原材料，以钛酸酯为表面改性材料，制备了一种新型的无机复合阻燃剂。结果表明，钛酸酯用量范围为3.5%～4%，氢氧化镁∶硼酸锌∶聚磷酸铵∶钛酸酯=1∶1∶1.65∶0.128时，阻燃剂与SBS沥青发生交联，加热分解过程中，吸收大量热量，释放难燃性气体，降低氧气浓度，具有良好的阻燃效果。

3 沥青混合料抑烟技术

沥青材料在加热或燃烧时，产生的气溶胶和蒸气仍为沥青烟。研究表明，沥青烟组分极为复杂，含有对人体有毒、有害的组分，特别是多环芳烃(PAHs)，沥青烟中含量高且对人体有致癌性，长期在沥青烟雾环境下作业，尤其在通风条件差、沥青烟浓度大的隧道内，会严重危害施工人员的身体健康。

目前，抑制道路工程沥青烟的方法主要从制备工艺和添加抑烟除味剂两个方面考虑。工艺方面主要指温拌沥青工艺，相比传统热拌沥青混合料(HMA)，温拌技术(WMA)通过降低施工温度来大量减少沥青烟的排放，且抑烟效果显著。道路沥青抑烟除味剂可以有效减少沥青烟气的排放和臭味的溢出，该方法工艺简单，方便快捷。目前，抑烟除味剂主要包括碳单质类、溴化物类、金属氢氧化物类、纳米类以及复合型等。除PAHs外，沥青烟中的固体颗粒是另一种对人体有危害的成分。从物理角度可考虑添加比表面积大且易吸附的无机物填料或矿物填料。在热运动的作用下，沥青挥发的轻质组分容易被填料吸附，相对降低沥青中游离基的含量，从而抑制固体颗粒的挥发。膨胀石墨对沥青具有亲和性，能被热沥青组分插层或剥离，同时，膨胀石墨具有强烈的物理吸附和非极性吸附作用，从而抑制了沥青中轻质组分和多环芳烃的释放。

孙仕伟等[40]研究表明，SBS、纳米碳酸钙、膨胀石墨3种抑烟材料掺入基质沥青中均能起到抑烟效果，其中膨胀石墨具有显著的抑烟性能，2%掺量下的抑烟率约为61.2%，SBS 次之，纳米碳酸钙的抑烟效果最差。

4 沥青阻燃抑烟性能测试方法

4.1 沥青阻燃性能测试方法

4.1.1 闪燃点测试 为了保证沥青在施工和使用过程的安全性，需对其闪燃点进行测试。闪点和燃点是指沥青材料在空气中受热并与火源接触，发生闪燃和燃烧时的最低温度。

4.1.2 极限氧指数 目前，极限氧指数(LOI)是评价沥青阻燃性能主要方法，是判别材料着火危险的关键指标。一般认为极限氧指数>27，属于难燃材料。极限氧指数(LOI)是指在氧和氮混合气体中支撑材料燃烧时氧的最低体积分数浓度。由于沥青软化点较低，受热后容易流淌，即使在较高氧浓度下点燃后也容易熄灭，试验中通常采用玻璃纤维表面毡支撑试件，以解决沥青氧指数测定的制样问题。但LOI法的测试条件与真实火灾相差甚大。

4.1.3 锥形量热仪 锥形量热仪是目前最能反映沥青材料真实火灾响应的实验室测试方法。锥形量热仪以耗氧量原理为基础，通过测得材料燃烧时所消耗的氧量来计算试样在不同外界辐射热作用下燃烧时所释放的热量。耗氧量原理认为材料燃烧时，每消耗一单位的氧气所释放的热量基本是相同的，并测出该值为13.1 MJ/kg±5%。

4.1.4 热重-差热分析 热重-差热(TG-DSC)分析是在程序控制温度下，测量物质质量、吸放热等物理性质与温度的关系[9]。通过热重TG(质量随温度变化曲线)、微商热重DTG(TG曲线导函数图像，表征材料质量随时间或温度的变化速率)、差热DTA(表征材料吸、放热量的变化，取向上为放热)、DSC(表征材料热流速率对温度T的曲线)联合分析沥青不同燃烧阶段的反应特性和物质变化，揭示阻燃材料的阻燃机理[22]。

4.2 沥青抑烟性能测试方法

目前，国内外尚未统一沥青烟排放检测和评价方法。沥青烟气定量测量方法主要有两种，一是根据物质质量守恒，通过测量沥青样品加热前后的质量变化，推断沥青烟的释放量；二是直接捕捉沥青烟，通过测试重量或者化学分析等方法定量表征[41]。沥青烟气测试方法分类见图1。

图1 沥青烟气测试方法[41]

4.2.1 沥青质量变化评价方法 基于沥青加热前后质量变化评价沥青烟排放量的方法简单、易操作，但受试验条件的影响，计算得到的沥青烟排放量可能存在较大的误差。

杨锡武等[42]采用烘箱加热、电炉加热、旋转薄膜烘箱加热三种方法测试加热前后沥青的质量变化以表征沥青烟的排放量。结果表明，烘箱加热法受烘箱内风速及不均匀性的影响，同批试样结果离散性很大；电炉加热由于人工控温和搅拌，人为因素对测试结果影响较大，且耗时、耗力；旋转薄膜烘箱加热法较方便简单，但沥青试样加热后质量不降反而增加，可能是沥青在加热过程中，与空气中的氧气等发生氧化反应，导致质量增加。

4.2.2 光通量法 光通量法是通过测试试验箱中光通量的损失来评价材料燃烧时烟释放程度。该方法仅能描述试验条件下材料烟中固体尘埃对光的反射影响，无法评价真实火灾条件下火灾的毒性和危险性[43]。徐青柏等[44]采用该方法评价隧道阻燃沥青的抑烟性能。结果表明，阻燃沥青的烟密度<75%，满足规范要求。但近年来，关于该方法研究的相关报道较少。

4.2.3 图像面积法 图像面积法采用汽油直接引燃车辙板试件，采用相机或手机拍摄烟雾图像，然后通过图像处理软件计算烟雾面积，以烟雾面积表征试件燃烧时生成的烟雾量大小。李立寒等[44]以掺MH阻燃剂沥青混合料试件的烟雾图像处理为例，得出随着阻燃剂MH掺量的增大，试件的烟雾面积逐渐减小，MH掺量为20%时，烟雾面积为0.092 m2。

4.2.4 沥青烟气排放量测试方法 沥青烟排放量测试方法受试验温度和时间的影响较大，且沥青烟的释放量相对于沥青量很小，沥青烟收集和测试难度大。杨锡武等[42]研制了1套室内沥青烟收集试验装置，在不同加热条件下对烧瓶均匀控温加热，产生的沥青烟通过真空泵吸入沥青采样管里的玻璃纤维滤筒上，沥青烟的重量则为玻璃纤维滤筒试验前后的重量差。以沥青烟重量与沥青重量之比为沥青的产烟率。该方法采集的试验数据比较集中，标准差较小，可靠度较高。

黄刚等[45]选用纯净聚丙烯纤维棉作为收集沥青烟的高性能吸附剂，研发出一套集沥青烟产生、收集及排空装置于一体的沥青烟测定装置，基于质量法提出了一个简单、实用的评价沥青烟释放量的方法。沥青烟经产生装置进入收集装置，通过锥形瓶的沥青烟被降温冷凝在聚丙烯棉上。经冻干技术处理后，聚丙烯棉试验前后的质量差即为沥青烟质量。

4.2.5 紫外分光光度法 基于朗伯-比尔定律的紫外分光光度法，是目前沥青抑烟性能常用的一种评价方法[46-47]。该方法是利用分光光度计，以波长230～300 nm范围内的紫外光源照射样品溶液，得到不同波长相对应的吸光度。由于每种物质具有特定的吸收光谱曲线，进而可计算溶液中该物质的含量。莫菊青[47]选用环己烷作为沥青烟的吸收剂，以 268 nm 紫外光照射样品溶液，绘制沥青烟(特定物质)浓度与吸光度的标准曲线，从而根据溶液吸光度的大小可计算空气中沥青烟(特定物质)的含量。朗伯-比尔定律适用于均匀、非散射的溶液体系，但沥青烟中存在多种化合物，且在环己烷有机溶剂中的溶解度大小不一，导致样品溶液成为悬浊液。当被测试液是悬浊液时，部分入射光因散射而损失，实际测得的吸光度增加，从而影响沥青抑烟性能评价的准确性。同时，该方法仅能表征沥青烟环己烷溶液中某特征波长下吸光度与吸光物质的浓度关系，具有一定的局限性。

4.2.6 GC-MS法 气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术是一种结合气相色谱和质谱的特性，分离与鉴定试样复杂组分的方法，具有GC的高分辨率和MS的高灵敏度，适合复杂组分中多环芳烃的分析。

万珍珍等[48]通过全扫描模式(SCAN 法)优化色谱、质谱条件，采用 GC-MS 法检测煤焦沥青烟提取物中12种多环芳烃的含量。结果表明，该方法操作简单，准确性好，灵敏度高，适用于煤焦沥青烟提取物中多环芳烃的测定。Gasthauer 等[49]利用GC-MS 技术的标准分析方法，对沥青中的挥发性有机物(VOC)进行鉴定，以确定沥青烟气的排放量。结果表明，VOC的形成取决于各种参数，如沥青温度、沥青氧化和空气湿度。VOC的降低主要与沥青温度有关。

4.2.7 浊度法 浊度是一种光学效应，反映光线透过溶液时受到阻碍的程度，表征溶液对光线散射和吸收的能力。浊度分析法是通过浊度仪测量悬浮在溶液中的固体颗粒散射的光通量强度，定量表征溶液悬浮颗粒的含量。散射光强度与分散相浓度的函数关系的测量是浊度分析的基础[41]。叶伟[46]运用SGZ 数显浊度计测试沥青烟环己烷悬浊液的浊度值，进而计算空气中沥青烟浓度。结果表明，浊度法更能全面反映空气中沥青烟的浓度，相比于紫外分光光度法仅能测定沥青烟中特定物质的浓度更有优势。

4.2.8 激光粒度分布法 激光粒度分布法具有操作简单、分析速度快、重复性好、适用范围广，是溶液浊度测定的一个新的方法。叶伟[46]通过激光粒度仪准确测定分析了沥青烟中的细微颗粒(粒径≤2.5 μm)的含量。结果表明，4 种抑烟剂改性沥青的抑烟性能优劣顺序为三聚氰胺、活性炭、SBS、纳米碳酸钙。

5 结束语

沥青燃烧是一个极其复杂的化学反应过程，包括加热、分解、着火、燃烧和蔓延。在高温状态下，沥青产生大量沥青烟，对人体是有害的。沥青阻燃机理概括为凝聚相阻燃、气相阻燃、吸热阻燃、中断热交换阻燃及协效阻燃等。阻燃技术(如阻燃剂、组分阻燃、多孔结构阻燃、纳米阻燃及复合协同阻燃)在隧道沥青路面中取得了较好的效果。沥青阻燃性能的评价方法，包括闪点燃点试验、极限氧指数法、垂直(水平)燃烧试验、锥形量热仪试验和烟密度测试试验。抑制沥青烟的方法主要包括改进制备工艺和添加抑烟除味剂两种方法。沥青烟定量测量方法包括测试沥青加热前后的质量变化、沥青烟重量或对沥青烟化学分析等。国内外研究学者虽然对隧道沥青路面阻燃抑烟技术和测定方法及评价标准等方面进行了大量研究，但对环保型阻燃抑烟沥青、纳米复合阻燃技术以及阻燃抑烟评价法等方面尚未形成统一的规范或标准，现有研究成果尚不成熟。为此，将来仍需在以下方面进一步开展研究：①针对不同的阻燃技术，建立隧道沥青路面阻燃抑烟性能评价方法的技术标准；比如由于燃烧的沥青存在流淌现象，无机阻燃剂的阻燃效果在氧指数评价方法难以体现；②开发环保经济型阻燃剂。高效、低烟、无毒、绿色环保、低填充量、低成本、多功能的复合协同阻燃剂是未来阻燃剂发展的方向。特别是氢氧化镁(MH)、氢氧化铝(ATH)、无机磷系阻燃剂等无机阻燃剂和无机纳米粒子协同阻燃技术；③微胶囊技术、超细化技术等新技术应用。微胶囊技术可防止阻燃剂的迁移，提高阻燃效果；金属氧化物阻燃剂的超细化、纳米化来降低填充量是重要的研发方向；④寻找价格低廉且不影响沥青性能的矿物粉、矿物纤维等阻燃材料是组分阻燃技术的关键；⑤研发抑制沥青烟技术。目前，隧道沥青路面阻燃技术研究集中于无机阻燃剂、膨胀性阻燃剂及纳米复合阻燃剂等领域，对抑烟沥青技术及评价方法的研究相对较少。因此，作为交通基础设施材料研究的前瞻性技术，隧道沥青路面阻燃抑烟技术有着广阔的应用空间，需要从材料科学原理、化学分析技术相结合的角度更深入地研究和发展，从而为改善隧道沥青路面阻燃抑烟性能提供理论基础和技术支持。