隧道火灾下沥青路面燃烧行为及复合阻燃剂协同抑制机理.pdf

摘 要 沥青路面因抗滑性好、噪音低、行车舒适、施工周期短、维修养护便捷等优点被广泛 用于隧道工程，但在隧道火灾下沥青路面热分解产生大量热和有毒烟气，给人员逃生和消 防救援带来极大困难。隧道火灾时沥青及其各组分燃烧动力学特性及挥发物动态释放过程 的研究较少，所采用的复合阻燃剂对沥青多阶段燃烧行为缺乏高效协同抑制作用。鉴于此， 本文模拟隧道火灾下沥青路面温度场变化的不确定性，研究了不同升温速率下沥青各组分 燃烧温度区间的梯度分布特征和挥发物的释放规律，确定与各组分相匹配的环保型纳米阻 燃剂及最佳掺量，根据沥青各组分含量提出复合纳米阻燃剂复配方案，并研究了研发的复 合阻燃剂对沥青路面热分解行为的协同阻燃抑烟机理，对提高隧道沥青路面火灾安全性具 有重要意义。 首先，采用热重-差示扫描量热-质谱-傅里叶红外光谱技术分析了不同升温速率下沥青 四组分燃烧温度区间的梯度分布特征，研究了沥青各组分的燃烧动力学特性。结果表明， 随着升温速率的提高，沥青四组分的燃烧过程出现滞后现象，胶质和沥青质的燃烧受升温 速率的影响较小；采用Kissinger 微分和FWO 积分方法分别计算并相互校对了沥青各组分 燃烧动力学参数，饱和分和芳香分在第一燃烧阶段的活化能小于第二阶段；胶质和沥青质 活化能较高，但引燃后不需要更多的能量来维持燃烧，在第二阶段主要是炭化层燃烧。 然后，通过研究沥青四组分的燃烧挥发物成分，并结合扫描电镜-能谱分析测定了各组 分燃烧残留物的微观形貌、组织结构和元素组成。研究发现，随着升温速率的提高，挥发 物释放速率和释放量增加；除H O 和CO 外，四组分均释放的主要有害挥发物是乙醛和丙 2 2 烷；在第一燃烧阶段，挥发物释放量超过了第二阶段，大分子挥发物主要在燃烧第二阶段 释放；升温速率对饱和分和芳香分的挥发物释放行为影响更明显；从饱和分、芳香分、胶 质和沥青质的燃烧残留物表面形貌依次趋于更完整，主要包含C、O、S 等元素。 其次，分别甄选与沥青四组分燃烧温度区间相匹配的钙铝型水滑石、聚磷酸铵、微胶 囊红磷和膨胀蛭石四种环保型纳米阻燃剂，提出复配方案，研发复合纳米阻燃剂，探究其 对沥青多阶段燃烧过程的协同阻燃抑烟效应。结果表明，随着升温速率提高，沥青和复合 阻燃沥青的不完全燃烧增加，伴随着明显吸放热反应，有机挥发物的释放量增加，燃烧过 程产生更多大分子挥发物；但是，在沥青燃烧过程复合阻燃剂分解吸热，产生较厚的膨胀 层，通过吸热、阻断、稀释、中和等综合作用明显减少了沥青熔融液滴的形成、大分子挥 发物种类与释放量，揭示了复合阻燃剂各成分对沥青燃烧的协同阻燃抑烟效应。 此外，采用锥形量热仪试验研究了复合阻燃剂对沥青混合料的阻燃机理。研究发现， 复合阻燃剂明显提高沥青混合料成炭率，燃烧残留物含量明显增加，残留物表面更加完整、 致密，发挥凝聚相协同阻燃功效；明显延长了沥青混合料的点燃时间，降低了热释放速率、 有效燃烧热、总热释放量、平均比消光面积、有毒烟气释放量、CO 的释放速率和最大CO2 产率，发挥了良好的气相协同阻燃作用，揭示了复合阻燃剂各成分对沥青混合料燃烧行为 的协同抑制机理。 同时，基于固相微萃取-气相色谱-质谱技术研究了复合阻燃剂对沥青混合料燃烧的全 i 程抑烟机理。结果表明，复合阻燃剂降低了沥青混合料燃烧烟尘中烷烃种类，阻止了不饱 和烯烃和炔烃释放，显著减少燃烧残留物的主要成分；沥青混合料燃烧烟尘较多、残留物 特征成分的分子量普遍较小，复合阻燃沥青混合料更加难以燃烧，产生的烟尘减少、残留 物特征成分的分子量普遍较大。 最后，研究了复合阻燃剂对沥青及其混合料路用及燃烧性能影响。研究发现，复合阻 燃剂稍微提高了沥青的延度和软化点，但是降低了沥青的针入度，改善了沥青的抗高温变 形和抗低温裂性能；复合阻燃剂使沥青燃烧等级从V-2 降到了V-1，极限氧指数从 19.6% 增加到 25.1% ，提高了沥青得阻燃性能；复合纳米阻燃剂略微提高沥青混合料的高温稳定 性和水稳定性，但是降低了低温抗裂性，仍满足规范要求。 总之，本文从沥青组分的层次更深入探究了沥青的多阶段燃烧动力学特性及挥发物动 态释放过程，提出复合纳米阻燃剂复配方案，研发的复合阻燃剂对沥青具有良好的阻燃抑 烟效应，揭示了复合阻燃剂对沥青混合料多阶段燃烧行为及烟尘释放的协同抑制机理，且