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FTT阻燃試驗(yàn)設(shè)備瀝青及瀝青路面燃燒性能研究

來(lái)源:歐美大地儀器設(shè)備中國(guó)有限公司 更新時(shí)間:2021-03-08 00:00:00 閱讀量:398

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(lái)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(lái)困難。近年我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進(jìn),公路隧道總長(zhǎng)度已達(dá)世界DY,而公路隧道事故頻發(fā),容易引發(fā)隧道火災(zāi),我國(guó)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;ZG也發(fā)生過(guò)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,瀝青混合料

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(kāi)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(guò)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(jiǎn)稱(chēng)LOI)。LOI被很多國(guó)際組織和國(guó)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ZD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ZD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。

試驗(yàn)結(jié)果分析:

90#基質(zhì)瀝青的極限氧指數(shù)Z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)際火情極為相似,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(jiàn)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(guò)裝置在煙道上的激光系統(tǒng)測(cè)定煙霧的減光性,來(lái)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(guó)FTT公司的錐形量熱儀進(jìn)行。

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

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)室以前未曾見(jiàn)過(guò)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)

ZD值

470.7

平均值

179.9

ZD值

120.6

平均值

58.6

ZD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(méi)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,極大地影響火災(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(lái)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Z小。

比消光面積(Specific extinction area,SEA)指在燃燒過(guò)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極強(qiáng),試樣在燃燒過(guò)程中的發(fā)煙量極大,保證救援和逃生條件的可見(jiàn)度極差。

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(guò)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(lèi)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(guó)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ZG。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(lèi)型對(duì)混合料燃燒性能的影響:

SMA 路面的熱釋放率峰值ZG,AC路面的總熱釋放量ZG,而OGFC 路面燃燒過(guò)程中煙霧釋放量ZD。

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(lái)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(lái)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ZD,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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