沥青燃烧特性评价方法研究

2018-05-14李晓东

山西建筑 2018年10期

李晓东

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁沈阳 110166)

1 研究背景

在公路建设的过程中，我国也涌现出了一大批的长大隧道，例如世界第二全长为18.02 km的秦岭终南山隧道，还有如二郎山隧道、大溪岭隧道、中梁山隧道、飞莺岭隧道、九顶山隧道等著名的山区隧道，我国已经成为世界上公路隧道最多，里程最长的国家。这些隧道的建成极大的方便了人民群众的生活、生产，但是根据调查数据，公路隧道事故率是其他路段的3倍多，由事故引发火灾，后果不堪设想。国内外发生的隧道火灾事故表明：车辆自燃、货车上的货物燃烧、车辆互相撞击起火以及隧道内电气线路或电器设备短路起火是造成隧道火灾事故的主要原因。隧道火灾具有发生时间和地点随机、蔓延速度快、持续时间长、人员疏散困难、有毒气体难以扩散等特点。由于公路隧道特殊的条件，现有的隧道路面材料多采用沥青混凝土，隧道沥青路面较水泥路面具有：平整度高、抗滑性能好，产生噪声低，黑暗条件下较好的反光性能，损坏后容易修复等不可比拟的优越性,但是，一旦隧道发生火灾，沥青很有可能参与燃烧，并产生有毒气体，结合隧道火灾的特点，沥青路面的燃烧将成为隧道火灾中极不安全的因素。在Mont-Blanc隧道火灾中距火源中心300 m处的8辆汽车发生燃烧，而在该区域的附近隧道上方并没有明显看到烟气的侵袭，据推断这8辆汽车的燃烧是由于沥青路面燃烧引燃的。因此，研究沥青及沥青混合料的燃烧机理对隧道消防具有极大的意义，同时沥青的燃烧机理可作为研究公路隧道沥青路面的阻燃、抑烟研究的基础工作，具有较大意义。

2 沥青燃烧特性评价方法

2.1 氧指数评价方法

极限氧指数法是在材料、化工等领域应用广泛的一种评价材料燃烧性能的方法，式(1)为极限氧指数的计算公式:

(1)

其中，[O2]为极限氧浓度时气体中氧气的体积流量；[N2]为极限氧浓度时混合气流中氮气的体积流量。

纺织品、塑料、橡胶等材料在国内都有相应的氧指数测定标准(GB/T 5454—1997，GB/T 2406—93，GB/T 10707—2008)。由于三种材料的燃点，燃烧特征各不相同，因此相应标准也有一定差别，对比三种标准的测试方法，可以看出它们的要求仪器规格、测试步骤、氧指数计算方式基本相同，见表1。

表1 纺织品、塑料、橡胶规范规定极限氧指数实验方法

由于空气中氧气含量为21%，一般认为OI<21%为易燃材料，当OI=21%～27%是可燃材料，当OI>27%时为自熄材料。值得注意的是，氧指数的测定结果受气体流速、气体纯度、点燃用气体、点燃方式、环境温度、试样夹持方式等一系列因素的影响，所以测定应在严格规定下进行，结果才会具有良好的重现性和准确性，同时有研究表明，聚合物的极限氧指数与燃烧时的燃烧焓、成炭率及元素组成等因素有关。

广泛用作建筑材料、路用材料的沥青材料国内并没有相应的氧指数测定标准。由表2～表4可以看出，由于材料燃烧的不同特点，氧指数的测试与评价方法也有相应的差别。国内外学者曾采用极限氧指数来评价沥青的燃烧性能，但对这一指标的适用性存在着一些争议。

纺织品、塑料、橡胶等可燃物，由于属于固体物质，材料本身可以维持一定形状，一旦点燃后产生的热量维持其持续燃烧，边燃烧边熔融，基本不会发生滴落的情况。而沥青属于固体还是液体一直存在争议，沥青在点燃(燃点300 ℃以上)之前会发生软化，形状会发生急剧的变化，而且不存在自立性，需其他材料作为支撑，而且燃烧的沥青极易发生流淌，软化的沥青滴也会污染仪器，这样对沥青氧指数的测定会有较大的影响。同时因为测定OI的实验条件并不能反映火灾的真实情况，在火灾科学工程发展的今天，愈发显现其不足。但是，OI对于研制阻燃材料，特别是比较材料的阻燃性，是一种较为简便易测的技术指标，反映材料燃烧时对氧的敏感程度仍有一定的借鉴意义。

2.2 实验方案

测定3种不同产地70号路用沥青极限氧指数，同时观察沥青的燃烧现象，验证由组分角度考察沥青燃烧性能的可行性。

试验仪器：极限氧指数测定仪。

实验材料：3种70号沥青A，B，C，玻璃纤维表面毡(150 g/m2)，隔离剂(以质量计，甘油与滑石粉按2∶1调配而成)。

实验试样制备：

1)裁剪30块边长为110 mm×10 mm的长方形玻璃纤维表面毡，在120 ℃±2 ℃烘箱中干燥60 min～90 min，取出后立即放入干燥器中冷却至室温。

2)按GB/T 11147取沥青试样，加热沥青使其具有良好的流动性、能完全浸透玻璃纤维表面毡的温度(150 ℃～170 ℃)，搅拌均匀后，取玻璃纤维表面毡浸入加热的沥青，充分浸透后，用镊子提取玻璃纤维毡一端至沥青不再顺着表面整股流下为准。

3)将试样放置在涂好隔离剂的底盘上，并将两块玻璃纤维表面毡重叠在一起，待其冷却至室温。

4)用干布或柔软的纸将试件表面的隔离剂仔细擦去，四周边缘各裁去5 mm±1 mm，再将其裁剪成长100 mm、宽30 mm的试件，每组沥青试件至少10条。

实验步骤:

1)试件安装和气体流量调整。将试件夹在夹具上，垂直地安装在燃烧筒的中心位置上，试件顶端距离燃烧筒的顶端至少100 mm。调好氧、氮气体流量，并让氧气、氮气混合气体在燃烧筒中流动至少30 s，以除去燃烧筒中的空气。每一个试件试验前都应除去桶内空气，在点火之前调整气流速度和氧浓度，在点燃和燃烧过程中不应改变。

2)点燃点火器，把点火器喷嘴伸入燃烧筒内。让火焰充分接触试件顶端表面，同时应注意火焰不能与侧面接触。施加火焰时间最长45 s，每隔5 s观察一次，看试件是否被点燃。如在45 s内不能点燃试件，则增大氧浓度，继续点燃，直至45 s内点燃为止。当试件整个顶端面都开始燃烧，则认为试件已被点燃，立即开始计时和测量燃烧长度。