阻燃纳米复合材料与温拌沥青技术的协同效应对分子转化及隧道防火安全的调控机制

针对隧道沥青路面易燃、施工能耗高及污染严重等问题，重庆交通大学的Lu He团队通过将阻燃纳米复合材料（ATH/HNT/ferrocene）与三种温拌沥青（WMA）添加剂（有机/化学/发泡型）复合，系统研究了其对沥青分子转化、阻燃抑烟性能的影响。研究发现有机WMA添加剂与阻燃剂的协同作用使热释放峰值（HRR）和产烟峰值（SPR）分别降低45.5%和45.7%，其机制源于晶体网格强化炭层与惰性气体释放的双重作用。该研究为隧道阻燃温拌沥青（FR-WMA）的工程应用提供了理论支撑。

　　

在隧道工程中，沥青路面因其减震舒适、噪音低等优势被广泛应用，但密闭空间内沥青燃烧释放的高热与有毒烟雾严重威胁人员逃生。传统阻燃剂需大剂量添加，易导致沥青团聚和低温性能劣化；而化学改性阻燃剂成本高昂、工艺复杂。与此同时，热拌沥青（HMA）施工需高温（约160°C），加剧温室气体排放和工人健康风险。如何兼顾防火安全与绿色施工，成为隧道沥青技术的关键瓶颈。

重庆交通大学联合重庆设计集团的研究团队在《Reactive and Functional Polymers》发表研究，创新性地将阻燃纳米复合材料（ATH/HNT/ferrocene）与三种温拌沥青（WMA）添加剂（有机蜡、化学润滑剂、发泡剂）复合，通过黏度测试、极限氧指数（LOI）、锥形量热仪（CONE）等技术，揭示了阻燃-WMA的协同机制。

关键方法
研究采用熔融共混法制备改性沥青，通过旋转黏度计确定WMA添加剂最佳掺量（有机2.5%、化学0.6%、发泡0.3%），结合LOI筛选阻燃剂剂量（10%）。利用FTIR、SEM、TG-DSC分析化学结构与热行为，通过CONE测试HRR、SPR等燃烧参数，并采用XPS和EDS解析残炭成分。

研究结果

1. WMA添加剂促进分子转化
   有机WMA添加剂通过蜡晶熔融降低沥青黏度，使阻燃剂分散均匀度提升32%，并催化沥青中分子量>10⁴
   Da的大分子裂解为中小分子，改善低温流动性。

2. 有机WMA的协同阻燃优势
   有机WMA/阻燃剂复合体系HRR峰值降至45.5%：ATH分解吸热（吸热量达1.2 kJ/g）降低燃烧温度；HNT纳米管形成SiO₂
   骨架炭层（厚度~3.7 μm），与ferrocene释放的·PO₂
   自由基协同抑制链式反应。

3. 残炭机制
   XPS显示残炭中C=O键含量增加至41.3%，表明阻燃剂促进交联成炭；EDS证实炭层富含Al、Si元素，晶体网格结构使氧扩散系数降低67%。

结论与意义
该研究首次阐明WMA添加剂通过“分散优化-分子裂解-炭层强化”三重路径提升阻燃效率，其中有机WMA因低温相容性最佳，抑烟性能尤为突出。工程应用显示，FR-WMA可使隧道铺装温度降至130°C，减少VOCs排放38%。这一成果为隧道“安全-环保”型路面设计提供了新材料体系与技术范式。