瀝青燃燒特性評(píng)價(jià)方法研究

李 曉 東

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 研究背景

在公路建設(shè)的過程中，我國也涌現(xiàn)出了一大批的長(zhǎng)大隧道，例如世界第二全長(zhǎng)為18.02 km的秦嶺終南山隧道，還有如二郎山隧道、大溪嶺隧道、中梁山隧道、飛鶯嶺隧道、九頂山隧道等著名的山區(qū)隧道，我國已經(jīng)成為世界上公路隧道最多，里程最長(zhǎng)的國家。這些隧道的建成極大的方便了人民群眾的生活、生產(chǎn)，但是根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，公路隧道事故率是其他路段的3倍多，由事故引發(fā)火災(zāi)，后果不堪設(shè)想。國內(nèi)外發(fā)生的隧道火災(zāi)事故表明：車輛自燃、貨車上的貨物燃燒、車輛互相撞擊起火以及隧道內(nèi)電氣線路或電器設(shè)備短路起火是造成隧道火災(zāi)事故的主要原因。隧道火災(zāi)具有發(fā)生時(shí)間和地點(diǎn)隨機(jī)、蔓延速度快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、人員疏散困難、有毒氣體難以擴(kuò)散等特點(diǎn)。由于公路隧道特殊的條件，現(xiàn)有的隧道路面材料多采用瀝青混凝土，隧道瀝青路面較水泥路面具有：平整度高、抗滑性能好，產(chǎn)生噪聲低，黑暗條件下較好的反光性能，損壞后容易修復(fù)等不可比擬的優(yōu)越性,但是，一旦隧道發(fā)生火災(zāi)，瀝青很有可能參與燃燒，并產(chǎn)生有毒氣體，結(jié)合隧道火災(zāi)的特點(diǎn)，瀝青路面的燃燒將成為隧道火災(zāi)中極不安全的因素。在Mont-Blanc隧道火災(zāi)中距火源中心300 m處的8輛汽車發(fā)生燃燒，而在該區(qū)域的附近隧道上方并沒有明顯看到煙氣的侵襲，據(jù)推斷這8輛汽車的燃燒是由于瀝青路面燃燒引燃的。因此，研究瀝青及瀝青混合料的燃燒機(jī)理對(duì)隧道消防具有極大的意義，同時(shí)瀝青的燃燒機(jī)理可作為研究公路隧道瀝青路面的阻燃、抑煙研究的基礎(chǔ)工作，具有較大意義。

2 瀝青燃燒特性評(píng)價(jià)方法

2.1 氧指數(shù)評(píng)價(jià)方法

極限氧指數(shù)法是在材料、化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的一種評(píng)價(jià)材料燃燒性能的方法，式(1)為極限氧指數(shù)的計(jì)算公式:

(1)

其中，[O2]為極限氧濃度時(shí)氣體中氧氣的體積流量；[N2]為極限氧濃度時(shí)混合氣流中氮?dú)獾捏w積流量。

紡織品、塑料、橡膠等材料在國內(nèi)都有相應(yīng)的氧指數(shù)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 5454—1997，GB/T 2406—93，GB/T 10707—2008)。由于三種材料的燃點(diǎn)，燃燒特征各不相同，因此相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)也有一定差別，對(duì)比三種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，可以看出它們的要求儀器規(guī)格、測(cè)試步驟、氧指數(shù)計(jì)算方式基本相同，見表1。

表1 紡織品、塑料、橡膠規(guī)范規(guī)定極限氧指數(shù)實(shí)驗(yàn)方法

由于空氣中氧氣含量為21%，一般認(rèn)為OI<21%為易燃材料，當(dāng)OI=21%～27%是可燃材料，當(dāng)OI>27%時(shí)為自熄材料。值得注意的是，氧指數(shù)的測(cè)定結(jié)果受氣體流速、氣體純度、點(diǎn)燃用氣體、點(diǎn)燃方式、環(huán)境溫度、試樣夾持方式等一系列因素的影響，所以測(cè)定應(yīng)在嚴(yán)格規(guī)定下進(jìn)行，結(jié)果才會(huì)具有良好的重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)有研究表明，聚合物的極限氧指數(shù)與燃燒時(shí)的燃燒焓、成炭率及元素組成等因素有關(guān)。

廣泛用作建筑材料、路用材料的瀝青材料國內(nèi)并沒有相應(yīng)的氧指數(shù)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)。由表2～表4可以看出，由于材料燃燒的不同特點(diǎn)，氧指數(shù)的測(cè)試與評(píng)價(jià)方法也有相應(yīng)的差別。國內(nèi)外學(xué)者曾采用極限氧指數(shù)來評(píng)價(jià)瀝青的燃燒性能，但對(duì)這一指標(biāo)的適用性存在著一些爭(zhēng)議。

紡織品、塑料、橡膠等可燃物，由于屬于固體物質(zhì)，材料本身可以維持一定形狀，一旦點(diǎn)燃后產(chǎn)生的熱量維持其持續(xù)燃燒，邊燃燒邊熔融，基本不會(huì)發(fā)生滴落的情況。而瀝青屬于固體還是液體一直存在爭(zhēng)議，瀝青在點(diǎn)燃(燃點(diǎn)300 ℃以上)之前會(huì)發(fā)生軟化，形狀會(huì)發(fā)生急劇的變化，而且不存在自立性，需其他材料作為支撐，而且燃燒的瀝青極易發(fā)生流淌，軟化的瀝青滴也會(huì)污染儀器，這樣對(duì)瀝青氧指數(shù)的測(cè)定會(huì)有較大的影響。同時(shí)因?yàn)闇y(cè)定OI的實(shí)驗(yàn)條件并不能反映火災(zāi)的真實(shí)情況，在火災(zāi)科學(xué)工程發(fā)展的今天，愈發(fā)顯現(xiàn)其不足。但是，OI對(duì)于研制阻燃材料，特別是比較材料的阻燃性，是一種較為簡(jiǎn)便易測(cè)的技術(shù)指標(biāo)，反映材料燃燒時(shí)對(duì)氧的敏感程度仍有一定的借鑒意義。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

測(cè)定3種不同產(chǎn)地70號(hào)路用瀝青極限氧指數(shù)，同時(shí)觀察瀝青的燃燒現(xiàn)象，驗(yàn)證由組分角度考察瀝青燃燒性能的可行性。

試驗(yàn)儀器：極限氧指數(shù)測(cè)定儀。

實(shí)驗(yàn)材料：3種70號(hào)瀝青A，B，C，玻璃纖維表面氈(150 g/m2)，隔離劑(以質(zhì)量計(jì)，甘油與滑石粉按2∶1調(diào)配而成)。

實(shí)驗(yàn)試樣制備：

1)裁剪30塊邊長(zhǎng)為110 mm×10 mm的長(zhǎng)方形玻璃纖維表面氈，在120 ℃±2 ℃烘箱中干燥60 min～90 min，取出后立即放入干燥器中冷卻至室溫。

2)按GB/T 11147取瀝青試樣，加熱瀝青使其具有良好的流動(dòng)性、能完全浸透玻璃纖維表面氈的溫度(150 ℃～170 ℃)，攪拌均勻后，取玻璃纖維表面氈浸入加熱的瀝青，充分浸透后，用鑷子提取玻璃纖維氈一端至瀝青不再順著表面整股流下為準(zhǔn)。

3)將試樣放置在涂好隔離劑的底盤上，并將兩塊玻璃纖維表面氈重疊在一起，待其冷卻至室溫。

4)用干布或柔軟的紙將試件表面的隔離劑仔細(xì)擦去，四周邊緣各裁去5 mm±1 mm，再將其裁剪成長(zhǎng)100 mm、寬30 mm的試件，每組瀝青試件至少10條。

實(shí)驗(yàn)步驟:

1)試件安裝和氣體流量調(diào)整。將試件夾在夾具上，垂直地安裝在燃燒筒的中心位置上，試件頂端距離燃燒筒的頂端至少100 mm。調(diào)好氧、氮?dú)怏w流量，并讓氧氣、氮?dú)饣旌蠚怏w在燃燒筒中流動(dòng)至少30 s，以除去燃燒筒中的空氣。每一個(gè)試件試驗(yàn)前都應(yīng)除去桶內(nèi)空氣，在點(diǎn)火之前調(diào)整氣流速度和氧濃度，在點(diǎn)燃和燃燒過程中不應(yīng)改變。

2)點(diǎn)燃點(diǎn)火器，把點(diǎn)火器噴嘴伸入燃燒筒內(nèi)。讓火焰充分接觸試件頂端表面，同時(shí)應(yīng)注意火焰不能與側(cè)面接觸。施加火焰時(shí)間最長(zhǎng)45 s，每隔5 s觀察一次，看試件是否被點(diǎn)燃。如在45 s內(nèi)不能點(diǎn)燃試件，則增大氧濃度，繼續(xù)點(diǎn)燃，直至45 s內(nèi)點(diǎn)燃為止。當(dāng)試件整個(gè)頂端面都開始燃燒，則認(rèn)為試件已被點(diǎn)燃，立即開始計(jì)時(shí)和測(cè)量燃燒長(zhǎng)度。

表2 70號(hào)瀝青A極限氧指數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表3 70號(hào)瀝青B極限氧指數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表4 70號(hào)瀝青C極限氧指數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3)燃燒特性評(píng)定。觀察試件燃燒情況，記錄燃燒時(shí)間。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，將瀝青A，B，C的氧指數(shù)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象列于表2～表4。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出基質(zhì)瀝青A的極限氧指數(shù)為20.4，基質(zhì)瀝青B的極限氧指數(shù)為21.3，原樣瀝青C的極限氧指數(shù)為20.8。

2)觀察三種瀝青極限氧指數(shù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，試樣的點(diǎn)燃時(shí)間，燃燒形式、形態(tài)，瀝青的滴落狀態(tài)與火勢(shì)的發(fā)展趨勢(shì)有較大差別，同為70號(hào)的基質(zhì)瀝青測(cè)得的極限氧指數(shù)并不相同。

3)瀝青化學(xué)成分及瀝青結(jié)構(gòu)組成的差別不僅對(duì)路用性能有較大的影響，同時(shí)也造成瀝青燃燒性能的差別。因此，瀝青的組分組成可作為研究瀝青燃燒性能的切入點(diǎn)。

參考文獻(xiàn):

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[2] 王 輝.公路隧道火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)分析[J].河北交通科技，2009，6(2):44-46.