葉子明，李文獻(xiàn)，黃日金,王瑜，黃穎

（1柳州工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州 545616；2柳州市預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣西柳州 545616；3柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西柳州 545005）

0 引言

我國(guó)是世界上橋梁最多的國(guó)家，共有13萬(wàn)多座橋梁，其中斜拉索橋分布在全國(guó)各地的重要城市中。隨著我國(guó)交通運(yùn)行量的增大，橋梁遭受的風(fēng)險(xiǎn)日益增多，火災(zāi)作為交通基礎(chǔ)設(shè)施可能存在的重要風(fēng)險(xiǎn)之一，威脅著橋梁基本結(jié)構(gòu)安全。全世界范圍內(nèi)每年都有多起嚴(yán)重的橋梁火災(zāi)事故發(fā)生，拉索是斜拉橋的生命線，橋梁拉索結(jié)構(gòu)的耐火抗火研究受到越來(lái)越多的關(guān)注。

趙杰等[1]通過(guò)添加PP、MEL成炭劑和HDPE合成了膨脹型阻燃復(fù)合材料，提高了阻燃劑的阻燃效率以及復(fù)合材料的沖擊性能。汪曉鵬等[2]在HDPE中添加無(wú)機(jī)阻燃劑聚磷酸銨、氧化銻制成阻燃格柵材料提高了阻燃性能，達(dá)到了防火阻燃的效果。陳濤等[3]采用聚焦磷酸哌嗪（PAPP）與氰尿酸三聚氰胺（MCA）融合組成復(fù)配阻燃劑（IFR），通過(guò)熱重分析、極限氧指數(shù)、垂直燃燒等，研究高密度聚乙烯（PE-HD）的阻燃性能、熱性改良情況。谷宇川等[4]研發(fā)了高密度聚乙烯（HDPE）/廢膠粉（WRP）復(fù)合材料，試驗(yàn)研究復(fù)合材料力學(xué)性能及阻燃性能，當(dāng)Mg(OH)2和AL(OH)3比例為1:1時(shí)，氧指數(shù)達(dá)到30.7%，阻燃效果最好。陶圣熹等[5]以環(huán)氧樹(shù)脂（Epoxy）為囊材，以聚磷酸銨（APP）阻燃劑和二乙基次磷酸鋁（ADP）為芯材，制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的ADP微膠囊和APP微膠囊，當(dāng)ADP微膠囊和APP微膠囊的總添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，復(fù)合材料質(zhì)量比為2∶1時(shí)，對(duì)聚乙烯的阻燃效果最好。王永紅等[6]結(jié)合了噴霧干燥工藝，并以聚乙烯（HDPE）為基體，商業(yè)短/長(zhǎng)玻纖(SG/LG)為功能增強(qiáng)劑，利用沉淀包裹法研制出納米包覆凹凸棒粉體（MAT）增強(qiáng)阻燃劑，通過(guò)熔融擠出技術(shù)制備出高性能阻燃復(fù)合材料。

阻燃材料主要分為鹵素和非鹵，有機(jī)和無(wú)機(jī)。有機(jī)高阻燃材料主要是以氮系、溴系和紅磷化合物為代表組成，Sb2O3、Mg(OH)2、Al(OH)3、硅系等為高阻燃無(wú)機(jī)材料的代表。這些阻燃材料在耐火電纜行業(yè)中廣泛應(yīng)用于高層建筑、地下通道、水電站、體育館等與消防安全和救生有關(guān)的地方。而在橋梁拉索結(jié)構(gòu)中，往往沒(méi)有考慮拉索的阻燃性能。拉索在橋梁結(jié)構(gòu)中有著悠久的應(yīng)用歷史，常用的索體材料包括鋼絲束和鋼絞線等，火災(zāi)下這些高強(qiáng)鋼材的強(qiáng)度下降遠(yuǎn)大于熱軋鋼材，同時(shí)預(yù)應(yīng)力拉索錨頭抗火性能差，填充低熔點(diǎn)合金和樹(shù)脂等鑄體材料的錨具內(nèi)部是拉索抗火最為薄弱的環(huán)節(jié)，因此拉索的火災(zāi)安全面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文以HDPE（5000S）為原材料，采用鹵系與溴系協(xié)同阻燃的機(jī)理，制備出不同配比的HDPE（5000S）和阻燃母粒的橋梁阻燃拉索護(hù)套復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合材料的阻燃性能進(jìn)行分析研究，選出最優(yōu)的索體阻燃護(hù)套管復(fù)合材料，為橋梁拉索提供高阻燃的安全保障。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

高密度聚乙烯（HDPE5000S）、70#氯化石蠟、十溴聯(lián)苯醚、十溴二苯乙烷，三氧化二銻、季戊四醇酯（1010），硫代丙酸二月桂酯、輔助抗氧劑（DLTPD）、阻燃母粒。

1.2 主要儀器與設(shè)備

試驗(yàn)主要采用了下列儀器設(shè)備：JTC-751開(kāi)放式煉膠機(jī)，XH-401雙滾筒煉塑機(jī)，微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，XLB-D平板硫化機(jī)，真空干燥箱，實(shí)驗(yàn)用高速混合機(jī)，LG3000注塑機(jī)，液晶式擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，UL94水平垂直燃燒測(cè)試儀，極限氧指數(shù)測(cè)試儀。

1.3 試樣制備

將HDPE 80℃下熱風(fēng)干燥2h后待用，將HDPE、經(jīng)偶聯(lián)處理的阻燃母粒、增韌劑充分混合，機(jī)頭溫度為195℃，經(jīng)雙滾筒煉塑機(jī)擠出造粒，擠出機(jī)料筒溫度為160℃~190℃，制出的試料在90℃下熱風(fēng)干燥3h后，通過(guò)注塑機(jī)注塑成標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)試樣。

1.4 性能測(cè)試

阻燃復(fù)合材料性能測(cè)試項(xiàng)目主要包括拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、缺口沖擊、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、氧指數(shù)等，性能測(cè)試按照《橋梁纜索用高密度聚乙烯護(hù)套料》（CJ/T 297—2016）進(jìn)行測(cè)定，如圖1—圖3。

圖1 單根燃燒圖

圖2 極限氧指數(shù)測(cè)定

圖3 拉伸試驗(yàn)圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配比阻燃母粒與HDPE對(duì)拉索護(hù)套復(fù)合材料拉伸性能的影響

表1為不同配比HDPE與阻燃母粒表，圖4為不同配比HDPE與阻燃母粒對(duì)材料拉伸性能影響關(guān)系圖。結(jié)合圖4可看出，材料的拉伸強(qiáng)度隨著原料中HDPE比例的增加而變大；反之，阻燃母粒配比增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變小。從結(jié)果可以看出，3#復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度是最大的，當(dāng)加入80%HDPE和20%阻燃母粒制備的復(fù)合材料時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到了18.7MPa，拉伸性能較好。

表1 不同配比HDPE與阻燃母粒表

圖4 不同配比HDPE與阻燃母粒對(duì)復(fù)合材料拉伸性能影響關(guān)系圖

2.2 不同配比阻燃母粒與HDPE對(duì)拉索護(hù)套復(fù)合材料沖擊性能的影響

圖5為不同配比阻燃母粒與HDPE對(duì)復(fù)合材料沖擊性能影響關(guān)系圖。結(jié)合圖5和表1可以看出，阻燃母粒配比對(duì)強(qiáng)度有一定的影響，復(fù)合材料的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度隨著阻燃母粒配比的增加，沖擊強(qiáng)度有一定程度的減小，當(dāng)阻燃母粒配比增加到30%時(shí)，缺口沖擊強(qiáng)度減小幅度明顯。對(duì)比1#、2#、3#復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，復(fù)合材料的配比為80%HDPE和20%阻燃母粒時(shí)，沖擊強(qiáng)度達(dá)到18.2 kJ/m2，材料的沖擊強(qiáng)度達(dá)到了較好的狀態(tài)。

圖5 不同配比阻燃母粒與HDPE對(duì)復(fù)合材料沖擊性能影響關(guān)系圖

2.3 不同配比阻燃母粒與HDPE對(duì)拉索護(hù)套復(fù)合材料彎曲性能的影響

圖6為不同配比阻燃母粒與HDPE對(duì)材料彎曲性能影響關(guān)系圖。從圖6可看出，在拉索護(hù)套復(fù)合材料體系中加入阻燃母粒與HDPE后，隨著原料中HDPE添加量的占比加大，復(fù)合材料彎曲性能呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，但其變化幅度不大。因此，雖然阻燃母粒添加量不斷加大，但對(duì)拉索護(hù)套材料的彎曲性能沒(méi)有很明顯的提高作用。

圖6 不同配比阻燃母粒與HDPE對(duì)復(fù)合材料彎曲性能影響關(guān)系圖

2.4 不同配比阻燃母粒與HDPE對(duì)拉索護(hù)套復(fù)合材料氧指數(shù)的影響

圖7為不同配比阻燃母粒與HDPE對(duì)復(fù)合材料氧指數(shù)影響的關(guān)系圖。結(jié)合表1和圖7可看出，從1#到3#，阻燃復(fù)合材料的氧指數(shù)基本呈線性增加，當(dāng)復(fù)合材料的配比為70% HDPE和30%阻燃母粒時(shí)，阻燃復(fù)合材料的氧指數(shù)為22%；當(dāng)復(fù)合材料的配比為20%阻燃母粒和80%HDPE時(shí)，拉索護(hù)套復(fù)合材料的阻燃效果最好，氧指數(shù)為26%，此時(shí)復(fù)合材料垂直阻燃達(dá)到了V-0級(jí)。

圖7 不同配比阻燃母粒與HDPE對(duì)復(fù)合材料氧指數(shù)影響關(guān)系圖

3 結(jié)論

通過(guò)制備出不同配比的HDPE（5000S）和阻燃母粒的橋梁阻燃拉索護(hù)套復(fù)合材料，對(duì)橋梁阻燃拉索護(hù)套復(fù)合材料性能進(jìn)行研究，并選取護(hù)套材料成束燃燒試驗(yàn)結(jié)果氧指數(shù)值作為相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)復(fù)合材料的配比為80%HDPE和20%阻燃母粒時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到了18.7MPa，沖擊強(qiáng)度為18.2 kJ/m2，彎曲強(qiáng)度為19.2MPa，氧指數(shù)為26%，橋梁阻燃拉索護(hù)套復(fù)合材料的技術(shù)性能和阻燃效果都實(shí)現(xiàn)了較好的提升，垂直阻燃達(dá)到V-0級(jí)，為橋梁拉索提供了高阻燃的安全保障。