瀝青燃燒特性評價方法研究

李 曉 東

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 研究背景

在公路建設的過程中，我國也涌現出了一大批的長大隧道，例如世界第二全長為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隧道，我國已經成為世界上公路隧道最多，里程最長的國家。這些隧道的建成極大的方便了人民群眾的生活、生產，但是根據調查數據，公路隧道事故率是其他路段的3倍多，由事故引發火災，后果不堪設想。國內外發生的隧道火災事故表明：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電氣線路或電器設備短路起火是造成隧道火災事故的主要原因。隧道火災具有發生時間和地點隨機、蔓延速度快、持續時間長、人員疏散困難、有毒氣體難以擴散等特點。由于公路隧道特殊的條件，現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，產生噪聲低，黑暗條件下較好的反光性能，損壞后容易修復等不可比擬的優越性,但是，一旦隧道發生火災，瀝青很有可能參與燃燒，并產生有毒氣體，結合隧道火災的特點，瀝青路面的燃燒將成為隧道火災中極不安全的因素。在Mont-Blanc隧道火災中距火源中心300 m處的8輛汽車發生燃燒，而在該區域的附近隧道上方并沒有明顯看到煙氣的侵襲，據推斷這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理對隧道消防具有極大的意義，同時瀝青的燃燒機理可作為研究公路隧道瀝青路面的阻燃、抑煙研究的基礎工作，具有較大意義。

2 瀝青燃燒特性評價方法

2.1 氧指數評價方法

極限氧指數法是在材料、化工等領域應用廣泛的一種評價材料燃燒性能的方法，式(1)為極限氧指數的計算公式:

(1)

其中，[O2]為極限氧濃度時氣體中氧氣的體積流量；[N2]為極限氧濃度時混合氣流中氮氣的體積流量。

紡織品、塑料、橡膠等材料在國內都有相應的氧指數測定標準(GB/T 5454—1997，GB/T 2406—93，GB/T 10707—2008)。由于三種材料的燃點，燃燒特征各不相同，因此相應標準也有一定差別，對比三種標準的測試方法，可以看出它們的要求儀器規格、測試步驟、氧指數計算方式基本相同，見表1。

表1 紡織品、塑料、橡膠規范規定極限氧指數實驗方法

由于空氣中氧氣含量為21%，一般認為OI<21%為易燃材料，當OI=21%～27%是可燃材料，當OI>27%時為自熄材料。值得注意的是，氧指數的測定結果受氣體流速、氣體純度、點燃用氣體、點燃方式、環境溫度、試樣夾持方式等一系列因素的影響，所以測定應在嚴格規定下進行，結果才會具有良好的重現性和準確性，同時有研究表明，聚合物的極限氧指數與燃燒時的燃燒焓、成炭率及元素組成等因素有關。

廣泛用作建筑材料、路用材料的瀝青材料國內并沒有相應的氧指數測定標準。由表2～表4可以看出，由于材料燃燒的不同特點，氧指數的測試與評價方法也有相應的差別。國內外學者曾采用極限氧指數來評價瀝青的燃燒性能，但對這一指標的適用性存在著一些爭議。

紡織品、塑料、橡膠等可燃物，由于屬于固體物質，材料本身可以維持一定形狀，一旦點燃后產生的熱量維持其持續燃燒，邊燃燒邊熔融，基本不會發生滴落的情況。而瀝青屬于固體還是液體一直存在爭議，瀝青在點燃(燃點300 ℃以上)之前會發生軟化，形狀會發生急劇的變化，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生流淌，軟化的瀝青滴也會污染儀器，這樣對瀝青氧指數的測定會有較大的影響。同時因為測定OI的實驗條件并不能反映火災的真實情況，在火災科學工程發展的今天，愈發顯現其不足。但是，OI對于研制阻燃材料，特別是比較材料的阻燃性，是一種較為簡便易測的技術指標，反映材料燃燒時對氧的敏感程度仍有一定的借鑒意義。

2.2 實驗方案

測定3種不同產地70號路用瀝青極限氧指數，同時觀察瀝青的燃燒現象，驗證由組分角度考察瀝青燃燒性能的可行性。

試驗儀器：極限氧指數測定儀。

實驗材料：3種70號瀝青A，B，C，玻璃纖維表面氈(150 g/m2)，隔離劑(以質量計，甘油與滑石粉按2∶1調配而成)。

實驗試樣制備：

1)裁剪30塊邊長為110 mm×10 mm的長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。

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擦去，四周邊緣各裁去5 mm±1 mm，再將其裁剪成長100 mm、寬30 mm的試件，每組瀝青試件至少10條。

實驗步驟:

1)試件安裝和氣體流量調整。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。調好氧、氮氣體流量，并讓氧氣、氮氣混合氣體在燃燒筒中流動至少30 s，以除去燃燒筒中的空氣。每一個試件試驗前都應除去桶內空氣，在點火之前調整氣流速度和氧濃度，在點燃和燃燒過程中不應改變。

2)點燃點火器，把點火器噴嘴伸入燃燒筒內。讓火焰充分接觸試件頂端表面，同時應注意火焰不能與側面接觸。施加火焰時間最長45 s，每隔5 s觀察一次，看試件是否被點燃。如在45 s內不能點燃試件，則增大氧濃度，繼續點燃，直至45 s內點燃為止。當試件整個頂端面都開始燃燒，則認為試件已被點燃，立即開始計時和測量燃燒長度。

表2 70號瀝青A極限氧指數實驗數據表

表3 70號瀝青B極限氧指數實驗數據表

表4 70號瀝青C極限氧指數實驗數據表

3)燃燒特性評定。觀察試件燃燒情況，記錄燃燒時間。

2.3 實驗結果分析

經過實驗，將瀝青A，B，C的氧指數數據及實驗現象列于表2～表4。

2.4 實驗結論

1)由實驗數據可以看出基質瀝青A的極限氧指數為20.4，基質瀝青B的極限氧指數為21.3，原樣瀝青C的極限氧指數為20.8。

2)觀察三種瀝青極限氧指數實驗現象，試樣的點燃時間，燃燒形式、形態，瀝青的滴落狀態與火勢的發展趨勢有較大差別，同為70號的基質瀝青測得的極限氧指數并不相同。

3)瀝青化學成分及瀝青結構組成的差別不僅對路用性能有較大的影響，同時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。

參考文獻:

[1] 陳輝強.新型阻燃瀝青的制備及其阻燃機理研究[D].西安:長安大學博士學位論文,2009.

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