隧道火災(zāi)過(guò)程瀝青路面熱行為及阻燃抑煙機(jī)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(diǎn)在長(zhǎng)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(huì)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(lái)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(duì)隧道火災(zāi)下瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)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(dòng)力學(xué)模型及阻燃抑煙機(jī)理的研

2、究，對(duì)阻燃劑粉體在瀝青中的微觀分散機(jī)制及其對(duì)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(yàn)相結(jié)合的方法，就上述問(wèn)題進(jìn)行了深入研究和探索。 本文以京珠高速?gòu)V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(yàn)證的隧道火災(zāi)數(shù)值計(jì)算模型，通過(guò)隧道火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)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(chǎng)、流場(chǎng)的變化規(guī)律，提出實(shí)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(chǎng)變化情況：研究了火災(zāi)產(chǎn)生的熱量通過(guò)輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)影響，分析了火災(zāi)過(guò)程瀝青路表可能達(dá)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(jì)方案，并對(duì)災(zāi)后瀝青路面進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(jī)理研究提供了參考。 根據(jù)隧道火災(zāi)過(guò)程中瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布規(guī)律，研究了各種阻燃劑性能特點(diǎn)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(dòng)力學(xué)特性，計(jì)算了不同阻燃劑摻量瀝青的熱分析動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從而定量評(píng)價(jià)了不同阻燃劑摻量對(duì)瀝青阻燃效果的影響。經(jīng)瀝青熱解機(jī)理函數(shù)的優(yōu)化識(shí)別，分別確定了瀝青和阻燃瀝青熱解機(jī)理模型和反應(yīng)機(jī)理函數(shù)，建立了單階段的瀝青熱解動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)瀝青的熱解過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了瀝青熱解模型的合理性，為揭示瀝青的熱解機(jī)理和阻燃瀝青配方設(shè)計(jì)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(chǎng)的高溫空氣中會(huì)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(dòng)力學(xué)特性和熱效應(yīng)，定量評(píng)價(jià)了阻燃劑摻量對(duì)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(guò)瀝青燃燒機(jī)理函數(shù)優(yōu)化識(shí)別，確定了瀝青及阻燃瀝青在空氣中的各階段的燃燒機(jī)理模型和反應(yīng)機(jī)理函數(shù)，建立了瀝青三階段燃燒模型，對(duì)瀝青的燃燒過(guò)程進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了三階段預(yù)測(cè)模型的合理性。然后，通過(guò)常用的氧指數(shù)試驗(yàn)和水平燃燒

6、試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了燃燒動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果可靠性，從而揭示了瀝青燃燒過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性和阻燃機(jī)理。 隧道火災(zāi)下瀝青熱分解過(guò)程中會(huì)釋放出大量有毒煙氣。針對(duì)隧道火災(zāi)過(guò)程85％以上死亡者是由于有毒煙氣造成的事實(shí)，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(diǎn)，有針對(duì)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(duì)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(duì)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(wú)機(jī)氫氧化物對(duì)瀝青熟分解過(guò)程中的抑煙、消煙機(jī)理，對(duì)隧道瀝青路面選擇環(huán)保、高效的抑煙劑具有現(xiàn)實(shí)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(yùn)用阻燃劑粉體在瀝青中的微觀分散機(jī)制，通過(guò)瀝青常規(guī)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)、彎曲梁流變?cè)囼?yàn)、粘溫特性試驗(yàn)分析了阻燃劑粉體對(duì)瀝青高溫、低溫、流變等性能的影響。為了減小無(wú)機(jī)阻燃劑對(duì)瀝青路用性能的影