隧道火灾下沥青路面燃烧机理及抑烟阻燃剂性能综述

卞绍辉

摘要：概述了国内外沥青及沥青混合料燃烧的试验方法；阐明了模拟火灾条件下沥青及沥青混合料的燃烧机理，沥青与沥青混合料在燃烧条件下具有本质上的差别；概括了沥青和沥青混合料阻燃抑烟剂的抑烟机理，总结了其抑烟性能的评价方法；提出了沥青着火点概念，以及对复合抑烟剂抑烟性能进行评价的方法；质疑了隧道高温环境下阻燃剂的实际效用；并指出了隧道火灾下沥青路面的研究方向以及抑烟阻燃的发展前景。

关键词：隧道火灾；沥青路面；燃烧机理；抑烟阻燃机理；复合抑烟剂

中图分类号：TU535 文献标识码： 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

隨着我国公路隧道建设的迅猛发展，隧道也面临着更高的安全及舒适性能的要求。隧道结构特殊，易发生火灾事故，导致隧道内温度急剧上升，有时引起爆炸，致使人员伤亡惨重。沥青路面由于行车舒适，抗滑性能好，维修方便等优点，得以在隧道中越来越广泛的应用。又沥青是一种可燃材料，因此有必要对沥青及沥青混合料的燃烧特性进行研究。为了最大程度上减小隧道火灾事故造成的危害，阻燃剂和抑烟剂在沥青混合料得到了广泛应用，目前国内外众多学者在阻燃抑烟剂的性能和性能评价的研究方面取得了一系列研究成果。笔者在总结沥青及沥青混合料燃烧机理和阻燃抑烟剂阻燃抑烟性能的基础上通过对高温环境下阻燃剂的阻燃性能进行评价，指出了下一步研究方向为隧道火灾路面600℃以上高温条件下沥青混合料的状态研究。

2．沥青及沥青混合料燃烧试验

2.1沥青的燃烧机理

浙江大学的黄志义运用仪器分析法中的热重天平对SBS沥青和阻燃沥青进行了燃烧试验，建立起沥青和沥青胶浆的热重和微商热重曲线，定义并得到了沥青的自燃点，测得了沥青的燃烧速率，为进一步研究隧道沥青路面在火灾过程中的可燃性和对火灾的影响程度提供重要的基础性试验研究参数。 研究得到SBS沥青自燃点423℃，燃烧速率3.3035E-5，阻燃沥青417℃，燃烧速率6.6449E-5。

清华大学的龚景松、傅维镳分别对90#，110#，140#道路沥青和10#建筑沥青进行了热解特性研究,并利用Dupont2100型热重分析系统进行分析，发现沥青受热时的质量挥发主要在250~530℃，不同沥青的失重曲线形状基本相似，其质量变化的峰值温度也基本一致，且热解过程中挥发分较多，到达80%以上，使得其燃烧较容易。室温至250℃这一阶段，沥青质量基本没有变化，热解中主要发生的是一些弱键的断裂，同时伴有低分子烃类的物理挥发过程；从250℃~530℃这一阶段，沥青开始激烈分解，发生断链和裂环反应,强键遭到破坏,使得大分子分裂为小的分子,变为气态成为挥发分,最后剩余部分为残炭。

图2-1 沥青燃烧原理

沥青材料属于典型的多组分高分子材料，其基本规律也符合高分子材料的普遍规律。但沥青的性能受其组分性质和含量的明显影响，由于沥青的产地和生产工艺的不同，使其组分有较大的差异，且由于其组分的复杂性，目前尚未有针对沥青燃烧特性的专门研究，但通过对高分子材料燃烧特性的分析，有助于加深对沥青燃烧特性的理解。由图1可知，沥青的燃烧过程, 首先熔融、滴落、流淌, 接着是熔珠燃烧、再由燃烧的熔珠洒落、流淌, 造成火势蔓延扩大, 酿成火灾。沥青的燃烧是一个放热、分解的物理化学过程, 燃烧中分解出氢、甲烷、苯及烷烃类易燃气体。这些气体的燃烧又进一步加快了沥青的热分解。所以沥青火灾的特点是来势猛、扩展快、范围广、损失。

2.2沥青的燃烧试验

黄亚东等采用热重分析法对SBS改性沥青和阻燃沥青及其胶浆的燃烧特性进行研究，得出两种沥青燃烧过程较一致。沥青二次挥发分燃烧与残炭燃烧同时进行。目前的阻燃技术对沥青自燃点的影响不大,其主要作用是减缓沥青的燃烧速度。阻燃沥青的平均燃烧速率约为SBS改性沥青的60%。两种沥青胶浆的灰分含量相差不大,其平均燃烧速率也相差不大。

陈辉为直接观察沥青的燃烧状态，在沥青表面直接浇上汽油点燃，并纪录沥青的燃烧情况，试验沥青品种，分别为基质沥青、重庆阻燃沥青、克拉玛依阻燃沥青、自制阻燃沥青。但燃烧后包括基质沥青和阻燃沥青的质量都没有损失（部分式样质量还略有增加），表明在此种条件下，沥青也并没有明显参与燃烧。

2.3沥青混合料的燃烧试验

徐婷通过对马歇尔试件浇洒一定量的汽油进行助燃，模拟沥青路面在汽油泄漏引发路面燃烧的过程。试验得出环保型膨胀阻燃沥青在沥青混合料的燃烧过程中能够起到明显的阻燃抑烟作用，通过燃烧模拟试验得知，阻燃沥青混合料燃烧全过程的表面温度及最高表面温度均较普通SBS改性沥青混合料有所降低，也就是燃烧时间有所增长，而燃烧火势及发烟量均得到有效的抑制。