隧道火災(zāi)過程瀝青路面熱行為及阻燃抑煙機理研究.pdf

1、隨著公路建設(shè)迅速發(fā)展，公路隧道日益增多。瀝青路面因其行車舒適、抗滑性能好、噪音小、建設(shè)周期短、維修方便等優(yōu)點在長大型隧道內(nèi)日益得到廣泛應(yīng)用。由于瀝青在隧道火災(zāi)高溫環(huán)境下會熱解、燃燒，并釋放出大量有毒煙氣和熱量，造成嚴(yán)重次生災(zāi)害，給人員逃生及火災(zāi)救援帶來極大困難。因此，隧道瀝青路面阻燃及抑煙性能的研究日益受到普遍重視。但是，目前針對隧道火災(zāi)下瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場分布規(guī)律研究較少，更鮮有涉及隧道火災(zāi)下瀝青熱解、燃燒動力學(xué)模型及阻燃抑煙機理的研

2、究，對阻燃劑粉體在瀝青中的微觀分散機制及其對瀝青及瀝青混合料性能影響的研究更少。鑒于此，本文采取數(shù)值模擬和試驗相結(jié)合的方法，就上述問題進行了深入研究和探索。 本文以京珠高速廣州龍頭山隧道阻燃抑煙瀝青路面關(guān)鍵技術(shù)研究為工程背景，基于有限體積法建立經(jīng)可靠性驗證的隧道火災(zāi)數(shù)值計算模型，通過隧道火災(zāi)現(xiàn)場的計算流體力學(xué)數(shù)值模擬，分析了火災(zāi)規(guī)模、發(fā)生位置、通風(fēng)速度等不同工況下隧道內(nèi)溫度場、流場的變化規(guī)律，提出實體工程臨界風(fēng)速，并分析了在此風(fēng)

3、速下火源上風(fēng)向及下風(fēng)向路面溫度場變化情況：研究了火災(zāi)產(chǎn)生的熱量通過輻射、對流、傳導(dǎo)對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場影響，分析了火災(zāi)過程瀝青路表可能達到的最高溫度及瀝青路面燃燒范圍、深度，探討了相應(yīng)的瀝青路面結(jié)構(gòu)阻燃設(shè)計方案，并對災(zāi)后瀝青路面進行評價，提出了隧道瀝青路面災(zāi)后修復(fù)建議，也為瀝青阻燃抑煙機理研究提供了參考。 根據(jù)隧道火災(zāi)過程中瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場分布規(guī)律，研究了各種阻燃劑性能特點和熱解特性，優(yōu)選了適合于隧道瀝青路面的阻燃方案。采用熱

4、重-差熱同步熱分析儀研究了不同阻燃劑摻量瀝青的熱穩(wěn)定性、熱效應(yīng)及熱解動力學(xué)特性，計算了不同阻燃劑摻量瀝青的熱分析動力學(xué)參數(shù)，從而定量評價了不同阻燃劑摻量對瀝青阻燃效果的影響。經(jīng)瀝青熱解機理函數(shù)的優(yōu)化識別，分別確定了瀝青和阻燃瀝青熱解機理模型和反應(yīng)機理函數(shù)，建立了單階段的瀝青熱解動力學(xué)模型，對瀝青的熱解過程進行預(yù)測，并利用試驗數(shù)據(jù)驗證了瀝青熱解模型的合理性，為揭示瀝青的熱解機理和阻燃瀝青配方設(shè)計提供理論依據(jù)。 瀝青熱解產(chǎn)生的可燃性

5、揮發(fā)分在火災(zāi)現(xiàn)場的高溫空氣中會燃燒。采用熱重-差熱同步分析方法研究了不同阻燃劑摻量的瀝青在空氣中燃燒動力學(xué)特性和熱效應(yīng)，定量評價了阻燃劑摻量對瀝青在不同燃燒階段的阻燃效果。根據(jù)瀝青各組分在火災(zāi)下的不同燃燒特性，經(jīng)過瀝青燃燒機理函數(shù)優(yōu)化識別，確定了瀝青及阻燃瀝青在空氣中的各階段的燃燒機理模型和反應(yīng)機理函數(shù)，建立了瀝青三階段燃燒模型，對瀝青的燃燒過程進行了預(yù)測，并利用試驗數(shù)據(jù)驗證了三階段預(yù)測模型的合理性。然后，通過常用的氧指數(shù)試驗和水平燃燒

6、試驗進一步驗證了燃燒動力學(xué)分析結(jié)果可靠性，從而揭示了瀝青燃燒過程動力學(xué)特性和阻燃機理。 隧道火災(zāi)下瀝青熱分解過程中會釋放出大量有毒煙氣。針對隧道火災(zāi)過程85％以上死亡者是由于有毒煙氣造成的事實，本文首先分析了瀝青熱分解析出煙氣的成分和各種抑煙劑性能特點，有針對性地選擇了適合于隧道瀝青路面的抑煙劑，然后采用熱重-傅立葉紅外光譜分析聯(lián)用技術(shù)在線研究了抑煙劑對瀝青熱分解析出有毒揮發(fā)分的影響，分析了不同熱分解階段瀝青析出有毒揮發(fā)分的變化

7、規(guī)律，探討了抑煙劑對瀝青有毒揮發(fā)分析出的抑制作用，揭示了以氫氧化鎂為代表的無機氫氧化物對瀝青熟分解過程中的抑煙、消煙機理，對隧道瀝青路面選擇環(huán)保、高效的抑煙劑具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。 隧道瀝青路面不僅需要一定的阻燃抑煙性能，更要具備良好的路用性能。運用阻燃劑粉體在瀝青中的微觀分散機制，通過瀝青常規(guī)試驗、動態(tài)剪切流變試驗、彎曲梁流變試驗、粘溫特性試驗分析了阻燃劑粉體對瀝青高溫、低溫、流變等性能的影響。為了減小無機阻燃劑對瀝青路用性能的影