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歐美大地 材料試驗(yàn)
材料試驗(yàn)
FTT阻燃試驗(yàn)設(shè)備瀝青及瀝青路面燃燒性能研究
發(fā)布時(shí)間：2021-03-08 瀏覽次數(shù)：53535 來源：歐美大地

摘要

瀝青及瀝青混合料作為公路工程的重要材料，其燃燒性能直接關(guān)系著火災(zāi)，尤其是隧道火災(zāi)的危險(xiǎn)性。本文介紹了瀝青及瀝青混合料的燃燒性能的試驗(yàn)研究，對(duì)于隧道防火路面設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

 

內(nèi)容來源：

[1]紀(jì)倫,譚憶秋,陳正錦,等.瀝青燃燒特性的試驗(yàn)研究[J].中外公路,2010,30(3):240-243.

[2]李曉東.瀝青路面燃燒性能研究[J].北方交通,2018,4:95-99.

 

瀝青材料是公路工程的重要材料之一。瀝青材料具有易燃缺陷，一旦引燃，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放出大量的熱、煙和毒氣，并快速蔓延，為逃生和救援帶來困難。近年我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進(jìn)，公路隧道總長度已達(dá)世界第一，而公路隧道事故頻發(fā)，容易引發(fā)隧道火災(zāi)，我國隧道常用的瀝青混凝土路面在隧道火災(zāi)中具有較高的危險(xiǎn)性。在最著名的勃朗峰隧道火災(zāi)中，瀝青混凝土路面被嚴(yán)重破壞，造成嚴(yán)重?fù)p失；中國也發(fā)生過多起嚴(yán)重的隧道火災(zāi)。

FTT阻燃試驗(yàn),錐形量熱儀,氧指數(shù),燃燒性能,瀝青燒性能試驗(yàn)設(shè)備,瀝青混合料燃燒性能測(cè)試

隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，短時(shí)間內(nèi)，溫度就可以高達(dá)800℃以上，在高溫下瀝青會(huì)燃燒，釋放出大量的煙霧和有毒氣體。隧道火災(zāi)會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)危害。因此，不少學(xué)者開始對(duì)瀝青和瀝青混合料燃燒性能進(jìn)行深入研究。本文引述 “瀝青燃燒特性的試驗(yàn)研究”[1]中對(duì)幾種瀝青材料及改性瀝青進(jìn)行了難燃性及燃燒特性的試驗(yàn)分析，及“瀝青路面燃燒性能研究”[2]中對(duì)隧道瀝青路面常用的瀝青混合料的燃燒性能研究，希望能夠?qū)r青在火災(zāi)中的燃燒性能的研究起到參考作用。

 

 

瀝青材料難燃性分析


通過測(cè)試材料燃燒的條件，即測(cè)試材料在何種條件下燃燒，以評(píng)價(jià)其難燃性。

 

評(píng)價(jià)瀝青燃燒難易程度主要采用極限氧指數(shù)(Limit OxygenIndex，簡稱LOI)。LOI被很多國際組織和國家)作為評(píng)價(jià)材料燃燒難易程度的指標(biāo)。

LOI定義為：

在規(guī)定的條件下，試樣在N2和O2混合氣體中，維持平衡燃燒所需的最低氧氣濃度。由于空氣中的氧氣濃度一般為21％，一般認(rèn)為：

  • LOI為20％～27％時(shí)，材料為可燃材料；

  • LOI小于20％時(shí)，材料為易燃性材料；

  • LOI大于27％時(shí)，該材料在火中是自行熄滅的材料。

 

FTT阻燃試驗(yàn),錐形量熱儀,氧指數(shù),燃燒性能,瀝青,瀝青混合料

 

氧指數(shù)儀

FTT的氧指數(shù)儀是目前可燃物測(cè)試中，諸多精密質(zhì)量控制測(cè)試中比較經(jīng)濟(jì)的一種，用于支持燃燒所需的低氧氣量。

 

試驗(yàn)對(duì)遼河90#、70#、中海油50#基質(zhì)瀝青進(jìn)行LOI試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1(a)所示。同時(shí)為比較改性劑劑量對(duì)極限氧指數(shù)的影響，采用不同的改性劑劑量對(duì)90#基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，SBS劑量與LOI關(guān)系曲線如圖1(b)所示。

FTT阻燃試驗(yàn),錐形量熱儀,氧指數(shù),燃燒性能,瀝青燒性能試驗(yàn)設(shè)備,瀝青混合料燃燒性能測(cè)試

 

試驗(yàn)結(jié)果分析：

90#基質(zhì)瀝青的極限氧指數(shù)最小。究其原因，可能與料源產(chǎn)地或組成成分有關(guān)，因而更易于燃燒。

SBS的存在及其劑量的變化對(duì)瀝青的氧指數(shù)是有影響的。隨著SBS劑量的增加LOI逐漸遞減，遞減趨勢(shì)變化緩慢，在劑量達(dá)到4％后更趨緩慢。即隨著SBS劑量的增加，改性瀝青更易燃燒。

一般瀝青材料的LOI均小于21％，屬易燃材料。

 

瀝青燃燒性能評(píng)價(jià)


評(píng)價(jià)材料對(duì)火災(zāi)的貢獻(xiàn)，如釋熱量，熱釋放速率，煙密度，發(fā)煙量以及毒性等。

 

測(cè)定材料的燃燒特性和評(píng)價(jià)其火災(zāi)危險(xiǎn)性采用錐形量熱儀進(jìn)行試驗(yàn)。錐形量熱儀試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際火情相似，試驗(yàn)結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果具備較好的相關(guān)性。此試驗(yàn)可以評(píng)價(jià)材料燃燒的放熱性，評(píng)價(jià)材料對(duì)燃燒空間溫度升高的貢獻(xiàn)，評(píng)價(jià)逃生和救助的條件和時(shí)間；測(cè)定發(fā)煙特性，以評(píng)價(jià)煙氣對(duì)于逃生和救援的影響以及對(duì)人員生命的威脅程度，保證逃生和救援條件的可見度。

錐形量熱儀法：

采用垂直向下的輻射熱源加熱試件，并引燃揮發(fā)出的可燃?xì)怏w，使得試件燃燒，測(cè)得放熱、發(fā)煙的有關(guān)指標(biāo)。此外還可通過裝置在煙道上的激光系統(tǒng)測(cè)定煙霧的減光性，來確定煙氣的比消光面積。因而，該方法可模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)材料的燃燒狀態(tài)，進(jìn)而分析其燃燒特性。試驗(yàn)采用英國FTT公司的錐形量熱儀進(jìn)行。

 

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iCone2+錐形量熱儀

FTT的iCone2+錐形量熱儀是自動(dòng)錐形量熱儀。它根據(jù)FTT數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，符合標(biāo)準(zhǔn)，具有許多防火測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的功能，結(jié)構(gòu)緊湊、準(zhǔn)確、可靠且容易保持。

 

一般情況下，當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到轟燃時(shí)，高溫?zé)煔夂突鹧鎸?duì)物體的熱輻射通量在75kW／m2左右，因此，試驗(yàn)選取的外加熱輻射通量等級(jí)一般為25、50、75kW／m2。

參照有關(guān)資料及阻燃木質(zhì)纖維板材的試驗(yàn)條件，采用50kW輻射熱源，對(duì)基質(zhì)瀝青和2.36mm及以下的SMA-13級(jí)配中值10.0％油石比的混合料進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)比了阻燃木質(zhì)礦物纖維板的試驗(yàn)結(jié)果。
 

試驗(yàn)材料

AH-90#

混合料

阻燃木質(zhì)纖維板

點(diǎn)燃時(shí)間/s

26

114

17

熱釋放速率/(kW·m-2)

最大值

470.7

平均值

179.9

最大值

120.6

平均值

58.6

最大值

170.8

平均值

81.5

質(zhì)量損失率/%

89.0

11.7

69.6

發(fā)煙率/[m2/(m2·g)]

157.6

11.2

1.3

放熱率/[MJ/(m2·g)]

3.2

0.45

0.9

燃燒階段CO、CO2釋放量/(kg·kg-1)

0.10

2.63

0.18

4.77

0.03

1.63

比消光面積/(m2·kg-1)

1561.0

839.3

15.3


FTT阻燃試驗(yàn),錐形量熱儀,氧指數(shù),燃燒性能,瀝青,瀝青混合料
FTT阻燃試驗(yàn),錐形量熱儀,氧指數(shù),燃燒性能,瀝青,瀝青混合料

試驗(yàn)結(jié)果分析：

瀝青及混合料材料與阻燃木質(zhì)纖維板相比較，難點(diǎn)燃。

瀝青的熱釋放速率均值是阻燃木質(zhì)纖維板的2倍以上，瀝青及混合料的熱釋放均為迅速達(dá)到峰值，并可在較高水平保持一定時(shí)間。而混合料的放熱率較純基質(zhì)瀝青有所改善，但，以混合料形式存在的瀝青其放熱量沒有明顯的減少。

瀝青材料的發(fā)煙率是阻燃木質(zhì)纖維板的120多倍，而混合料的發(fā)煙率是阻燃木質(zhì)纖維板的8.6倍。按混合料中的瀝青質(zhì)量計(jì)算，其發(fā)煙率為122.1 m2／(m2·g)，比基質(zhì)瀝青稍小；混合料中有除瀝青外的質(zhì)量損失，即礦粉等成分會(huì)進(jìn)入煙塵中，地影響火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的救援和逃生環(huán)境。

從燃燒階段的一氧化碳和二氧化碳平均釋放量(圖6)來看，混合料的釋放量明顯高于瀝青和阻燃木質(zhì)纖維板，而木質(zhì)纖維板的釋放量最小。

比消光面積(Specific extinction area，SEA)指在燃燒過程中某時(shí)刻單位質(zhì)量試樣燃燒產(chǎn)生的煙量，表示試樣分解揮發(fā)單位質(zhì)量的可燃物所產(chǎn)生煙的能力。從試驗(yàn)結(jié)構(gòu)看瀝青材料生煙能力強(qiáng)，試樣在燃燒過程中的發(fā)煙量大，保證救援和逃生條件的可見度差。

 

 

瀝青混合料燃燒性能

 

在上述的試驗(yàn)中，主要對(duì)及瀝青及SMA-13級(jí)配中值10.0％油石比的混合料進(jìn)行了對(duì)比研究。在文獻(xiàn)[2]中，通過錐形量熱儀的瀝青混合料中尺度燃燒實(shí)驗(yàn)，具體的分析了火災(zāi)規(guī)模、路面類型、油石比、改性劑添加比例對(duì)瀝青混合料燃燒性能的影響。

試樣選擇了3種隧道瀝青路面常用的的AC-13( 油石比5.4%) 、SMA-13( 油石比6%) 、OGFC-13( 油石比4.5%)混合料。試驗(yàn)設(shè)備同樣選擇了英國FTT的錐形量熱儀。

試樣基本情況及試驗(yàn)方案

測(cè)試參數(shù)包括：

  • 點(diǎn)燃時(shí)間( Time to Ignitio，TTI)
  • 熱釋放速率( Heat Release Rate，HRR)
  • 總釋放熱( Total Heat Release，THR)
  • 煙生成速率( Smoke Produce Rate，SPR)
  • 總生煙量( Total Smoke Rate，TSR)

火災(zāi)功率對(duì)混合料燃燒性能的影響：

隨著火災(zāi)功率的增大，混合料的點(diǎn)燃時(shí)間逐漸縮小，燃燒熱釋放率達(dá)到峰值的時(shí)間。

從總熱釋放量角度，火災(zāi)的功率越大則瀝青混合料燃燒釋放的總熱量越大。

總煙霧生成量在75kW/m2的條件下最高。由煙霧釋放率可以看出，煙霧釋放率隨熱釋放率達(dá)到一個(gè)尖銳峰值，隨后逐漸平緩，出現(xiàn)峰值的時(shí)間與熱釋放率峰值時(shí)間接近。

 

不同混合料類型對(duì)混合料燃燒性能的影響：

SMA 路面的熱釋放率峰值最高，AC路面的總熱釋放量最高，而OGFC 路面燃燒過程中煙霧釋放量最大。

 

油石比對(duì)混合料燃燒性能的影響：

根據(jù)主觀判斷，油石比較大的瀝青混合料應(yīng)該表現(xiàn)出較高的燃燒性能，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一推斷。油石比對(duì)混合料的熱釋放參數(shù)有較大的影響，但試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)總熱釋放量差距不大。

從煙霧釋放角度油石比的影響較大，總體來看煙霧釋放率隨著熱釋放率增大而增大，趨勢(shì)一致。初始燃燒階段，較高的油石比會(huì)造成總煙霧釋放量急劇上升。

 

不同改性劑添加比例對(duì)混合料燃燒性能影響：

從熱釋放角度，隨著改性劑添加比例的增大，點(diǎn)燃時(shí)間逐漸降低；但熱釋放峰值及達(dá)到時(shí)間相差不大，但達(dá)到峰值后，改性劑為0%的試樣熱釋放率要明顯低于其他。

從煙霧釋放角度，3 種瀝青混合料相差較大，改性劑的添加比例對(duì)煙霧釋放有較大的影響。

總體來看，改性劑的比例差異對(duì)熱釋放率峰值、總熱釋放量的影響不大，而總煙霧釋放方面，改性劑比例為15%時(shí)，煙霧釋放量最大，煙霧釋放量隨著改性劑比例的增加逐漸增大。

 

本文內(nèi)容摘自文獻(xiàn)：[1]紀(jì)倫,譚憶秋,陳正錦,等.瀝青燃燒特性的試驗(yàn)研究[J].中外公路,2010,30(3):240-243.[2]李曉東.瀝青路面燃燒性能研究[J].北方交通,2018,4:95-99.更多詳細(xì)研究分析及內(nèi)容請(qǐng)參考文獻(xiàn)原文。

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