基于瀝青各組分熱力學(xué)特性的復(fù)合阻燃機(jī)理研究.pdf

1、隨著我國(guó)公路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，公路隧道數(shù)量和里程數(shù)也在逐漸增加。隨之而來(lái)，隧道火災(zāi)事故也不斷見(jiàn)諸報(bào)端。由于瀝青路面具有行車舒適、施工周期短、養(yǎng)護(hù)方便、噪音小、抗滑性能好等優(yōu)點(diǎn)，目前長(zhǎng)隧道公路大多采用瀝青路面。瀝青路面一旦發(fā)生火災(zāi)，短時(shí)間內(nèi)將會(huì)釋放大量熱量和有毒煙氣，隧道內(nèi)人員逃生困難，救援、疏散、滅火等難度較大，往往造成重大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。在瀝青混合料中摻加阻燃劑是當(dāng)前長(zhǎng)隧道公路工程中抑制煙氣、減小火災(zāi)損失的主要措施之一。需要指出

2、的是，普遍認(rèn)為，瀝青由四種組分構(gòu)成，分別是:飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。各組分之間的熱力學(xué)特性(包括燃燒和熱解的發(fā)生溫度及產(chǎn)物的種類的數(shù)量）有較大差異，需根據(jù)各個(gè)組分的不同熱力學(xué)特性選擇阻燃劑采用復(fù)合阻燃技術(shù)才能達(dá)到最佳阻燃效果。但在當(dāng)前工程實(shí)踐中大多將瀝青作為一個(gè)整體進(jìn)行阻燃劑設(shè)計(jì)，故不能達(dá)到最佳阻燃效果。
　　本文以國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于瀝青各組分熱解動(dòng)力學(xué)特性的復(fù)合阻燃技術(shù)研究”為依托。首先，通過(guò)大量試驗(yàn)揭示了瀝青各組

3、分燃燒和熱解的動(dòng)力學(xué)特性;在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了瀝青燃燒和熱解時(shí)的微觀反應(yīng)，明確了基于瀝青各組分熱力學(xué)特性的復(fù)合阻燃機(jī)理，提出了瀝青復(fù)配阻燃劑設(shè)計(jì)方案。最后，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和全真數(shù)值模擬，對(duì)復(fù)配阻燃劑的阻燃及抑煙效果進(jìn)行了驗(yàn)證。論文的主要內(nèi)容概括如下:
　　(1)根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行了基質(zhì)瀝青組分分離試驗(yàn)得到了瀝青的四種組分。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所用基質(zhì)瀝青各組分的質(zhì)量百分比為:飽和分11％、芳香分5

4、3％、膠質(zhì)21％和瀝青質(zhì)15％。結(jié)合試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了瀝青組分分離試驗(yàn)的注意事項(xiàng)，為瀝青組分分離試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化操作提供借鑒;
　　(2)進(jìn)行了瀝青各組分熱重-質(zhì)譜(TG-MS)試驗(yàn)，結(jié)果表明飽和分在燃燒時(shí)存在3個(gè)峰值溫度，而其他組分僅有2個(gè)峰值溫度。利用Coats-Redfern模型和分布活化能模型研究了瀝青四種組分燃燒時(shí)的熱力學(xué)特性，飽和分和芳香分的活化能在燃燒過(guò)程中不斷增大，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的活化能則不斷減小。根據(jù)燃燒各階段瀝青各組分的

5、質(zhì)譜圖，分析了各組分在各階段的燃燒產(chǎn)物;
　　(3)瀝青四種組分熱解試驗(yàn)結(jié)果顯示各組分在熱解時(shí)均包括一個(gè)溫度峰值。利用Coats-Redfern模型計(jì)算了四種組分在熱解時(shí)的活化能。與各組分燃燒特性比較可知，各組分熱解活化能均低于其燃燒時(shí)的活化能，熱解和燃燒反應(yīng)有部分重合。利用各組分熱解時(shí)的質(zhì)譜掃描結(jié)果推斷了各組分的熱解產(chǎn)物;
　　(4)根據(jù)瀝青各組分燃燒和熱解時(shí)的熱力學(xué)特性，本文選用氫氧化鋁和氫氧化鎂作為復(fù)配阻燃劑主料，包覆

6、紅磷和膨脹石墨作為復(fù)配阻燃劑輔料?；跒r青熱力學(xué)參數(shù)在摻加阻燃劑前后的變化規(guī)律，提出了熱失重速率衰減率和活化能增長(zhǎng)率兩個(gè)指標(biāo)以評(píng)價(jià)阻燃劑的抑煙和阻燃效果;
　　(5)對(duì)比摻加不同成分復(fù)配阻燃劑前后瀝青熱力學(xué)特性的變化規(guī)律，利用熱失重速率衰減率和活化能增長(zhǎng)率評(píng)價(jià)了各種阻燃劑的阻燃和抑煙效果。根據(jù)分析結(jié)果，氫氧化鋁48％;氫氧化鎂32％;包覆紅磷15％;膨脹石墨5％組成的復(fù)配阻燃劑的效果最佳。提出了基于瀝青各組分熱力學(xué)特性的復(fù)配阻燃劑