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FTT阻燃试验设备沥青及沥青路面燃烧性能研究
发布时间:2021-03-08

摘要

沥青及沥青混合料作为公路工程的重要材料,其燃烧性能直接关系着火灾,尤其是隧道火灾的危险性。本文介绍了沥青及沥青混合料的燃烧性能的试验研究,对于隧道防火路面设计具有一定的参考意义。

 

内容来源:

[1]纪伦,谭忆秋,陈正锦,等.沥青燃烧特性的试验研究[J].中外公路,2010,30(3):240-243.

[2]李晓东.沥青路面燃烧性能研究[J].北方交通,2018,4:95-99.

 

沥青材料是公路工程的重要材料之一。沥青材料具有易燃缺陷,一旦引燃,会在短时间内释放出大量的热、烟和毒气,并快速蔓延,为逃生和救援带来困难。近年我国交通基础设施建设突飞猛进,公路隧道总长度已达世界第一,而公路隧道事故频发,容易引发隧道火灾,我国隧道常用的沥青混凝土路面在隧道火灾中具有较高的危险性。在最著名的勃朗峰隧道火灾中,沥青混凝土路面被严重破坏,造成严重损失;中国也发生过多起严重的隧道火灾。

FTT阻燃试验,锥形量热仪,氧指数,燃烧性能,沥青,沥青混合料

隧道内发生火灾时,短时间内,温度就可以高达800℃以上,在高温下沥青会燃烧,释放出大量的烟雾和有毒气体。隧道火灾会造成巨大的经济损失和社会危害。因此,不少学者开始对沥青和沥青混合料燃烧性能进行深入研究。本文引述 “沥青燃烧特性的试验研究”[1]中对几种沥青材料及改性沥青进行了难燃性及燃烧特性的试验分析,及“沥青路面燃烧性能研究”[2]中对隧道沥青路面常用的沥青混合料的燃烧性能研究,希望能够对沥青在火灾中的燃烧性能的研究起到参考作用。

 

 

沥青材料难燃性分析


通过测试材料燃烧的条件,即测试材料在何种条件下燃烧,以评价其难燃性。

 

评价沥青燃烧难易程度主要采用极限氧指数(Limit OxygenIndex,简称LOI)LOI被很多国际组织和国家)作为评价材料燃烧难易程度的指标。

LOI定义为:

在规定的条件下,试样在N2和O2混合气体中,维持平衡燃烧所需的最低氧气浓度。由于空气中的氧气浓度一般为21%,一般认为:

  • LOI为20%~27%时,材料为可燃材料;

  • LOI小于20%时,材料为易燃性材料;

  • LOI大于27%时,该材料在火中是自行熄灭的材料。

 

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氧指数仪

FTT的氧指数仪是目前可燃物测试中,诸多精密质量控制测试中比较经济的一种,用于支持燃烧所需的最低氧气量。

 

试验对辽河90#、70#、中海油50#基质沥青进行LOI试验,试验结果如图1(a)所示。同时为比较改性剂剂量对极限氧指数的影响,采用不同的改性剂剂量对90#基质沥青进行改性,SBS剂量与LOI关系曲线如图1(b)所示。

 

试验结果分析:

90#基质沥青的极限氧指数最小。究其原因,可能与料源产地或组成成分有关,因而更易于燃烧。

SBS的存在及其剂量的变化对沥青的氧指数是有影响的。随着SBS剂量的增加LOI逐渐递减,递减趋势变化缓慢,在剂量达到4%后更趋缓慢。即随着SBS剂量的增加,改性沥青更易燃烧。

一般沥青材料的LOI均小于21%,属易燃材料。

 

沥青燃烧性能评价


评价材料对火灾的贡献,如释热量,热释放速率,烟密度,发烟量以及毒性等。

 

测定材料的燃烧特性和评价其火灾危险性采用锥形量热仪进行试验。锥形量热仪试验环境与实际火情极为相似,试验结果与模型试验结果具备较好的相关性。此试验可以评价材料燃烧的放热性,评价材料对燃烧空间温度升高的贡献,评价逃生和救助的条件和时间;测定发烟特性,以评价烟气对于逃生和救援的影响以及对人员生命的威胁程度,保证逃生和救援条件的可见度。

锥形量热仪法:

采用垂直向下的辐射热源加热试件,并引燃挥发出的可燃气体,使得试件燃烧,测得放热、发烟的有关指标。此外还可通过装置在烟道上的激光系统测定烟雾的减光性,来确定烟气的比消光面积。因而,该方法可模拟火灾发生时材料的燃烧状态,进而分析其燃烧特性。试验采用英国FTT公司的锥形量热仪进行。

 

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iCone2+锥形量热仪

FTT的iCone2+锥形量热仪是自动锥形量热仪。它根据FTT数十年的经验而设计的,符合标准,具有许多防火测试实验室以前未曾见过的功能,结构紧凑、准确、可靠且容易保持。

 

一般情况下,当火灾发展到轰燃时,高温烟气和火焰对物体的热辐射通量在75kW/m2左右,因此,试验选取的外加热辐射通量等级一般为25、50、75kW/m2

参照有关资料及阻燃木质纤维板材的试验条件,采用50kW辐射热源,对基质沥青和2.36mm及以下的SMA-13级配中值10.0%油石比的混合料进行了试验,对比了阻燃木质矿物纤维板的试验结果。
 

试验材料

AH-90#

混合料

阻燃木质纤维板

点燃时间/s

26

114

17

热释放速率/(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

质量损失率/%

89.0

11.7

69.6

发烟率/[m2/(m2·g)]

157.6

11.2

1.3

放热率/[MJ/(m2·g)]

3.2

0.45

0.9

燃烧阶段CO、CO2释放量/(kg·kg-1)

0.10

2.63

0.18

4.77

0.03

1.63

比消光面积/(m2·kg-1)

1561.0

839.3

15.3


FTT阻燃试验,锥形量热仪,氧指数,燃烧性能,沥青,沥青混合料
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试验结果分析:

沥青及混合料材料与阻燃木质纤维板相比较,难点燃。

沥青的热释放速率均值是阻燃木质纤维板的2倍以上,沥青及混合料的热释放均为迅速达到峰值,并可在较高水平保持一定时间。而混合料的放热率较纯基质沥青有所改善,但,以混合料形式存在的沥青其放热量没有明显的减少。

沥青材料的发烟率是阻燃木质纤维板的120多倍,而混合料的发烟率是阻燃木质纤维板的8.6倍。按混合料中的沥青质量计算,其发烟率为122.1 m2/(m2·g),比基质沥青稍小;混合料中有除沥青外的质量损失,即矿粉等成分会进入烟尘中,极大地影响火灾现场的救援和逃生环境。

从燃烧阶段的一氧化碳和二氧化碳平均释放量(图6)来看,混合料的释放量明显高于沥青和阻燃木质纤维板,而木质纤维板的释放量最小。

比消光面积(Specific extinction area,SEA)指在燃烧过程中某时刻单位质量试样燃烧产生的烟量,表示试样分解挥发单位质量的可燃物所产生烟的能力。从试验结构看沥青材料生烟能力极强,试样在燃烧过程中的发烟量极大,保证救援和逃生条件的可见度极差。

 

 

沥青混合料燃烧性能

 

在上述的试验中,主要对及沥青及SMA-13级配中值10.0%油石比的混合料进行了对比研究。在文献[2]中,通过锥形量热仪的沥青混合料中尺度燃烧实验,具体的分析了火灾规模、路面类型、油石比、改性剂添加比例对沥青混合料燃烧性能的影响。

试样选择了3种隧道沥青路面常用的的AC-13( 油石比5.4%) 、SMA-13( 油石比6%) 、OGFC-13( 油石比4.5%)混合料。试验设备同样选择了英国FTT的锥形量热仪。

试样基本情况及试验方案

测试参数包括:

  • 点燃时间( Time to Ignitio,TTI)
  • 热释放速率( Heat Release Rate,HRR)
  • 总释放热( Total Heat Release,THR)
  • 烟生成速率( Smoke Produce Rate,SPR)
  • 总生烟量( Total Smoke Rate,TSR)

火灾功率对混合料燃烧性能的影响:

随着火灾功率的增大,混合料的点燃时间逐渐缩小,燃烧热释放率达到峰值的时间。

从总热释放量角度,火灾的功率越大则沥青混合料燃烧释放的总热量越大。

总烟雾生成量在75kW/m2的条件下最高。由烟雾释放率可以看出,烟雾释放率随热释放率达到一个尖锐峰值,随后逐渐平缓,出现峰值的时间与热释放率峰值时间接近。

 

不同混合料类型对混合料燃烧性能的影响:

SMA 路面的热释放率峰值最高,AC路面的总热释放量最高,而OGFC 路面燃烧过程中烟雾释放量最大。

 

油石比对混合料燃烧性能的影响:

根据主观判断,油石比较大的沥青混合料应该表现出较高的燃烧性能,试验结果证实了这一推断。油石比对混合料的热释放参数有较大的影响,但试验时间内总热释放量差距不大。

从烟雾释放角度油石比的影响较大,总体来看烟雾释放率随着热释放率增大而增大,趋势一致。初始燃烧阶段,较高的油石比会造成总烟雾释放量急剧上升。

 

不同改性剂添加比例对混合料燃烧性能影响:

从热释放角度,随着改性剂添加比例的增大,点燃时间逐渐降低;但热释放峰值及达到时间相差不大,但达到峰值后,改性剂为0%的试样热释放率要明显低于其他。

从烟雾释放角度,3 种沥青混合料相差较大,改性剂的添加比例对烟雾释放有较大的影响。

总体来看,改性剂的比例差异对热释放率峰值、总热释放量的影响不大,而总烟雾释放方面,改性剂比例为15%时,烟雾释放量最大,烟雾释放量随着改性剂比例的增加逐渐增大。

 

本文内容摘自文献:[1]纪伦,谭忆秋,陈正锦,等.沥青燃烧特性的试验研究[J].中外公路,2010,30(3):240-243.[2]李晓东.沥青路面燃烧性能研究[J].北方交通,2018,4:95-99.更多详细研究分析及内容请参考文献原文。

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