隧道火災(zāi)下瀝青路面燃燒機理及抑煙阻燃劑性能綜述

卞紹輝

摘要：概述了國內(nèi)外瀝青及瀝青混合料燃燒的試驗方法；闡明了模擬火災(zāi)條件下瀝青及瀝青混合料的燃燒機理，瀝青與瀝青混合料在燃燒條件下具有本質(zhì)上的差別；概括了瀝青和瀝青混合料阻燃抑煙劑的抑煙機理，總結(jié)了其抑煙性能的評價方法；提出了瀝青著火點概念，以及對復(fù)合抑煙劑抑煙性能進行評價的方法；質(zhì)疑了隧道高溫環(huán)境下阻燃劑的實際效用；并指出了隧道火災(zāi)下瀝青路面的研究方向以及抑煙阻燃的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：隧道火災(zāi)；瀝青路面；燃燒機理；抑煙阻燃機理；復(fù)合抑煙劑

中圖分類號：TU535 文獻標(biāo)識碼： A

General Review on Burning Mechanism of Asphalt Pavement and the Properties for Smoke Suppression Agents and Flame Retardant in Tunnel Fire

Cong Lin，Bian shaohui，Wu Min1

( 1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of MOC，Tongji University，Shanghai 200092，China)

Abstract：This paper outlined the test methods of asphalt burning and asphalt mixtures burning at home and abroad, which expounded the burning mechanism of asphalt and asphalt mixtures on the simulating fire conditions respectively and illustrated the essential difference existing between them. The smoke suppression and flame retardant mechanism of asphalt and asphalt mixtures was summarized and the evaluation methods of the properties for smoke suppression was summed up as well as that of the complex smoke suppressor. The practical effectiveness of flame retardant under the tunnel environment of high temperature was challenged, thus pointed out the research trend of asphalt pavement in tunnel fire and the development prospects of smoke suppression and flame retardant.

Key Words：Tunnel fire; Asphalt pavement；Burning mechanism；Smoke suppression and flame retardant mechanism；Complex smoke suppressor

引言

隨著我國公路隧道建設(shè)的迅猛發(fā)展，隧道也面臨著更高的安全及舒適性能的要求。隧道結(jié)構(gòu)特殊，易發(fā)生火災(zāi)事故，導(dǎo)致隧道內(nèi)溫度急劇上升，有時引起爆炸，致使人員傷亡慘重。瀝青路面由于行車舒適，抗滑性能好，維修方便等優(yōu)點，得以在隧道中越來越廣泛的應(yīng)用。又瀝青是一種可燃材料，因此有必要對瀝青及瀝青混合料的燃燒特性進行研究。為了最大程度上減小隧道火災(zāi)事故造成的危害，阻燃劑和抑煙劑在瀝青混合料得到了廣泛應(yīng)用，目前國內(nèi)外眾多學(xué)者在阻燃抑煙劑的性能和性能評價的研究方面取得了一系列研究成果。筆者在總結(jié)瀝青及瀝青混合料燃燒機理和阻燃抑煙劑阻燃抑煙性能的基礎(chǔ)上通過對高溫環(huán)境下阻燃劑的阻燃性能進行評價，指出了下一步研究方向為隧道火災(zāi)路面600℃以上高溫條件下瀝青混合料的狀態(tài)研究。

2．瀝青及瀝青混合料燃燒試驗

2.1瀝青的燃燒機理

浙江大學(xué)的黃志義運用儀器分析法中的熱重天平對SBS瀝青和阻燃瀝青進行了燃燒試驗，建立起瀝青和瀝青膠漿的熱重和微商熱重曲線，定義并得到了瀝青的自燃點，測得了瀝青的燃燒速率，為進一步研究隧道瀝青路面在火災(zāi)過程中的可燃性和對火災(zāi)的影響程度提供重要的基礎(chǔ)性試驗研究參數(shù)。 研究得到SBS瀝青自燃點423℃，燃燒速率3.3035E-5，阻燃瀝青417℃，燃燒速率6.6449E-5。

清華大學(xué)的龔景松、傅維鑣分別對90#，110#，140#道路瀝青和10#建筑瀝青進行了熱解特性研究,并利用Dupont2100型熱重分析系統(tǒng)進行分析，發(fā)現(xiàn)瀝青受熱時的質(zhì)量揮發(fā)主要在250~530℃，不同瀝青的失重曲線形狀基本相似，其質(zhì)量變化的峰值溫度也基本一致，且熱解過程中揮發(fā)分較多，到達80%以上，使得其燃燒較容易。室溫至250℃這一階段，瀝青質(zhì)量基本沒有變化，熱解中主要發(fā)生的是一些弱鍵的斷裂，同時伴有低分子烴類的物理揮發(fā)過程；從250℃~530℃這一階段，瀝青開始激烈分解，發(fā)生斷鏈和裂環(huán)反應(yīng),強鍵遭到破壞,使得大分子分裂為小的分子,變?yōu)闅鈶B(tài)成為揮發(fā)分,最后剩余部分為殘?zhí)俊?/p>

圖2-1 瀝青燃燒原理

瀝青材料屬于典型的多組分高分子材料，其基本規(guī)律也符合高分子材料的普遍規(guī)律。但瀝青的性能受其組分性質(zhì)和含量的明顯影響，由于瀝青的產(chǎn)地和生產(chǎn)工藝的不同，使其組分有較大的差異，且由于其組分的復(fù)雜性，目前尚未有針對瀝青燃燒特性的專門研究，但通過對高分子材料燃燒特性的分析，有助于加深對瀝青燃燒特性的理解。由圖1可知，瀝青的燃燒過程, 首先熔融、滴落、流淌, 接著是熔珠燃燒、再由燃燒的熔珠灑落、流淌, 造成火勢蔓延擴大, 釀成火災(zāi)。瀝青的燃燒是一個放熱、分解的物理化學(xué)過程, 燃燒中分解出氫、甲烷、苯及烷烴類易燃?xì)怏w。這些氣體的燃燒又進一步加快了瀝青的熱分解。所以瀝青火災(zāi)的特點是來勢猛、擴展快、范圍廣、損失。

2.2瀝青的燃燒試驗

黃亞東等采用熱重分析法對SBS改性瀝青和阻燃瀝青及其膠漿的燃燒特性進行研究，得出兩種瀝青燃燒過程較一致。瀝青二次揮發(fā)分燃燒與殘?zhí)咳紵瑫r進行。目前的阻燃技術(shù)對瀝青自燃點的影響不大,其主要作用是減緩瀝青的燃燒速度。阻燃瀝青的平均燃燒速率約為SBS改性瀝青的60%。兩種瀝青膠漿的灰分含量相差不大,其平均燃燒速率也相差不大。

陳輝為直接觀察瀝青的燃燒狀態(tài)，在瀝青表面直接澆上汽油點燃，并紀(jì)錄瀝青的燃燒情況，試驗瀝青品種，分別為基質(zhì)瀝青、重慶阻燃瀝青、克拉瑪依阻燃瀝青、自制阻燃瀝青。但燃燒后包括基質(zhì)瀝青和阻燃瀝青的質(zhì)量都沒有損失（部分式樣質(zhì)量還略有增加），表明在此種條件下，瀝青也并沒有明顯參與燃燒。

2.3瀝青混合料的燃燒試驗

徐婷通過對馬歇爾試件澆灑一定量的汽油進行助燃，模擬瀝青路面在汽油泄漏引發(fā)路面燃燒的過程。試驗得出環(huán)保型膨脹阻燃瀝青在瀝青混合料的燃燒過程中能夠起到明顯的阻燃抑煙作用，通過燃燒模擬試驗得知，阻燃瀝青混合料燃燒全過程的表面溫度及最高表面溫度均較普通SBS改性瀝青混合料有所降低，也就是燃燒時間有所增長，而燃燒火勢及發(fā)煙量均得到有效的抑制。