CN106442950A - 隧道沥青路面热分解全过程阻燃抑烟方案设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种隧道沥青路面热分解全过程阻燃抑烟方案设计方法，属于隧道火灾安全技术领域，解决目前阻燃抑烟剂难以对沥青路面热分解全过程进行阻燃抑烟的问题。本发明首先制备沥青四组分，了解各组分热分解温度区间及其梯度分布特征；建立各组分热分解动力学模型，计算各组分热分析动力学参数，定量评价其热分解性能；优选与各组分热分解温度区间相匹配的阻燃抑烟剂，确定其种类及其添加量；根据沥青中各组分含量，提出阻燃抑烟剂复配方案；考察复合阻燃抑烟剂对沥青路面的阻燃抑烟效果和各项路用性能影响，优化复配方案，确定复合阻燃抑烟剂最佳添加量及添加方式。本发明提供的方法实现对沥青路面热分解全过程进行高效阻燃抑烟，提高火灾安全性。

Description

隧道沥青路面热分解全过程阻燃抑烟方案设计方法

技术领域

本发明是一种隧道沥青路面热分解全过程阻燃抑烟方案设计方法，属于隧道火灾安全技术领域。

背景技术

随着我国高速公路的发展以及城镇化建设步伐的加快，隧道数量越来越多。2011年以来，公路隧道年均净增已超过1000km，至2015年底，中国已有公路隧道12404座，总长10756.7Km，成为世界上隧道工程建设规模最大、数量最多的国家。与此同时，隧道火灾事故发生频率也呈上升趋势，隧道火灾不仅会造成隧道整体结构和隧道内部设施的严重毁坏，引起严重的道路交通中断，还会威胁到人们群众的生命财产安全。沥青混凝土路面以行车舒适，施工机械化程度高等优点，越来越广泛地被应用到隧道路面。

但是，沥青属于炭化型聚合物，成分复杂，具有易燃特性，燃烧过程中不仅会分解出氢、甲烷苯及烃类易燃气体，同时沥青中含有的氮、硫等元素还将产生NO、SO₂、CO等危及人身安全的有毒烟气，由于隧道的相对封闭性及通风排烟状况较差，沥青热解燃烧产生浓烟不但妨碍人员逃生和救助人员支援，还将导致隧道内伤亡。因此，了解沥青路面在隧道火灾过程中的危害，研究沥青的燃烧性能及其抑制方法具有重要现实意义。

目前，国内外研究者对沥青热分解特性的研究通常都是建立在沥青热分析动力学的基础上，他们通过对沥青的整体热行为进行分析，来研究沥青材料的热分解特性以及燃烧机理。这些已有的研究能够使得我们更加深刻的了解隧道沥青路面火灾的状况，为我们研究隧道沥青路面的防火安全性问题提供参考。但是，已有的研究基本上都是把沥青作为一个整体，并没有从沥青各组分的层次上深入研究沥青的热分解行为，更鲜有探讨沥青各组分燃烧性能的梯度分布特性。

对于阻燃沥青的研究，研究者们仅仅只是从宏观角度对沥青的整体进行阻燃分析，并没有深入到沥青组分的层次上来研究阻燃改性沥青的阻燃机理。显然，如果没有从沥青组分层面的角度进行研究，则无法深入说明沥青组分的分子结构，不能说明哪些组分的变化会对沥青的阻燃性能产生影响，这也是目前阻燃沥青研究中不足的地方之一。

目前，针对沥青路面阻燃有效的方法是在沥青中添加阻燃剂，国内外大量学者都对阻燃剂的特点进行了大量的研究。但已有研究没有考虑由于沥青个组分热分解温度区间呈梯度分布而导致沥青热分解是多阶段性的，更没有从沥青组分热分解特性呈现出梯度分布的角度来选择与沥青各组分热分解特性相匹配的阻燃剂。更没有根据沥青各组分的含量对不同阻燃剂进行复配研发复合阻燃剂，导致阻燃剂只能在沥青的某个热分解阶段起到阻燃作用，不能对沥青热分解进行多阶段、全过程阻燃抑烟；且大部分研究都是采用宏观试验方法来评价阻燃剂对沥青及其混合料阻燃性能、路用性能的影响，很少深入到微观层面上研究阻燃剂在沥青及其混合料中的分散性及其对阻燃性能、路用性能的影响。

因此，本发明首先了解沥青个组分热分解温度区间呈梯度分布特征以及沥青热分解是多阶段性，分析沥青各组分热分解动力学特性梯度分布状况，确定沥青及其组分热分解机理模型和反应机理函数，建立沥青及其组分热分解动力学模型，准确描述沥青及其组分热分解性能，并在此基础上开发高效、高性价比的沥青阻燃抑烟剂，从而设计出一种针对隧道沥青路面热分解全过程的阻燃抑烟方案，对于提高隧道的火灾安全性具有重要意义。

发明内容

(1)技术问题

本发明目的是提供一种隧道沥青路面热分解全过程阻燃抑烟方案设计方法，该方法针对沥青各组分热分解温度区间呈梯度分布的状况，选择与沥青各组分相匹配的阻燃抑烟剂，并根据各组分的含量进行复配，制备一种既能满足沥青阻燃抑烟要求，又能满足沥青路面路用性能的复合阻燃抑烟剂，解决目前阻燃抑烟剂只能在沥青的某个热分解阶段起到阻燃抑烟作用，不能对沥青热分解进行多阶段、全过程阻燃抑烟，难以对隧道沥青路面热分解全过程进行高效阻燃抑烟的问题，提高隧道沥青路面的火灾安全性。

(2)技术方案

针对目前阻燃抑烟剂只能在沥青的某个热分解阶段起到阻燃作用，不能对沥青热分解进行多阶段、全过程阻燃抑烟，难以对隧道沥青路面热分解全过程进行高效阻燃抑烟的问题，运用多学科交叉手段，采用TG-DSC-FTIR联测、扫描电子显微镜、能谱分析等测试方法，研究沥青各组分燃烧特性的梯度分布特征和逸出气体挥发物的释放规律，揭示沥青各组分的燃烧特性对沥青燃烧性能的影响，并基于沥青组分的层面确定与各组分相匹配的环保型无机阻燃剂及其添加量，依据各组分含量对所选取的无机阻燃剂进行复配，建立复合沥青阻燃抑烟体系，对沥青热分解全过程进行阻燃抑烟，从而使隧道沥青路面具有良好的阻燃抑烟性能和路用性能。

(3)有益效果

采用本发明提供的隧道沥青路面热分解全过程阻燃设计方法，对沥青热分解全过程进行阻燃抑烟，使沥青具有良好的阻燃抑烟性能。且复合阻燃改性沥青及其混合料的高温、低温和水损害等各项性能试验结果表明，复合阻燃改性沥青的针入度减小，软化点、延度有不同程度的提高，沥青的高温和低温性能均得到了改善；复合阻燃改性沥青混合料车辙、低温弯曲和冻融劈裂等路用性能试验结果表明复合阻燃改性沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性较好，优于原沥青混合料，复合阻燃改性沥青混合料能够满足规范要求，具有良好的路用性能。可见，采用本发明提供阻燃抑烟方案设计方法既使沥青在各热分解阶段均有相应的阻燃抑烟剂抑制其相应沥青组分热分解，实现隧道沥青路面热分解全过程进行阻燃抑烟，又能满足隧道沥青路面的正常使用要求。

具体实施方式

本发明提供一种隧道沥青路面热分解全过程阻燃抑烟方案设计方法，具体实施步骤如下：

(1)按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行沥青四组分试验，制备沥青四组分，即饱和分、芳香分、胶质和沥青质，采用TG-DSC-FTIR联用技术对沥青各组分进行热分解和红外光谱试验，了解沥青各组分热分解温度区间及其梯度分布特征、热效应及遗出挥发物成分；

(2)根据DSC试验结果，经热分解机理函数优化识别，确定沥青各组分热分解机理模型和反应机理函数，建立沥青各组分热分解动力学模型，计算沥青各组分热分析动力学参数，即活化能和指前因子，定量评价沥青各组分热分解性能；

(3)优选与沥青各组分热分解温度区间相匹配的环保型无机阻燃抑烟剂，计算不同阻燃抑烟剂添加量时沥青各组分热分解动力学参数，并与步骤(2)计算结果进行比较，定量评价阻燃抑烟效果，确定与各组分热分解性能相匹配的环保型阻燃抑烟剂及其添加量；

(4)根据各组分在中沥青的含量，按相应比例初步提出阻燃抑烟剂复配方案用于制备复合阻燃抑烟剂改性沥青，采用TG-DSC-FTIR联用技术评价复合阻燃抑烟剂对沥青的阻燃抑烟效果，分析复合阻燃剂各成分之间协同效应以及与沥青的配伍性，优化复合阻燃抑烟剂的复配方案；

(5)把复合阻燃抑烟剂按照一定比例添加到沥青混合料中，制备复合阻燃抑烟型沥青混合料试件，考察复合阻燃抑烟剂对沥青路面的阻燃抑烟效果和各项路用性能影响，再次优化复合阻燃抑烟剂的复配方案，确定复合阻燃抑烟剂最佳添加量及添加方式，对隧道沥青路面热分解全过程进行阻燃抑烟。

Claims (1)

1.一种隧道沥青路面热分解全过程阻燃抑烟方案设计方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行沥青四组分试验，制备沥青四组分，即饱和分、芳香分、胶质和沥青质，采用TG-DSC-FTIR联用技术对沥青各组分进行热分解和红外光谱试验，了解沥青各组分热分解温度区间及其梯度分布特征、热效应及遗出挥发物成分；

(2)根据DSC试验结果，经热分解机理函数优化识别，确定沥青各组分热分解机理模型和反应机理函数，建立沥青各组分热分解动力学模型，计算沥青各组分热分析动力学参数，即活化能和指前因子，定量评价沥青各组分热分解性能；

(3)优选与沥青各组分热分解温度区间相匹配的环保型无机阻燃抑烟剂，计算不同阻燃抑烟剂添加量时沥青各组分热分解动力学参数，并与步骤(2)计算结果进行比较，定量评价阻燃抑烟效果，确定与各组分热分解性能相匹配的环保型阻燃抑烟剂及其添加量；

(4)根据各组分在中沥青的含量，按相应比例初步提出阻燃抑烟剂复配方案用于制备复合阻燃抑烟剂改性沥青，采用TG-DSC-FTIR联用技术评价复合阻燃抑烟剂对沥青的阻燃抑烟效果，分析复合阻燃剂各成分之间协同效应以及与沥青的配伍性，优化复合阻燃抑烟剂的复配方案；

(5)把复合阻燃抑烟剂按照一定比例添加到沥青混合料中，制备复合阻燃抑烟型沥青混合料试件，考察复合阻燃抑烟剂对沥青路面的阻燃抑烟效果和各项路用性能影响，再次优化复合阻燃抑烟剂的复配方案，确定复合阻燃抑烟剂最佳添加量及添加方式，对隧道沥青路面热分解全过程进行阻燃抑烟。