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公路隧道多孔阻燃沥青路面
胡曙光，黄绍龙，丁庆军
(教育部硅酸盐材料科学与工程重点实验室，武汉理工大学，武汉430070)
摘要：介绍了一种使用含ATH粉末的阻燃多孔沥青路面改善隧道防火的新方法。 在设计和实施的微型燃烧试验的基础上，研究了多孔沥青（PA）和阻燃多孔沥青（FRPA）与水泥混凝土路面，高密度HMA和SMA的燃烧时间和温度。 燃烧测试和路面性能测试的结果表明，FRPA适用于公路隧道的路面材料。
关键词：阻燃多孔沥青；ATH；燃烧温度；微型燃烧试验
1导言
根据公路隧道设计规范（JTG D70-2004，中国）的规定，波特兰水泥混凝土（PCC）通常被用作中国长公路隧道的路面材料[1]。考虑到长公路隧道的环境，例如 由于半封闭空间，较高的湿度，更多的事故，较大的火灾隐患和噪声污染，大型公路隧道的沥青路面不仅需要出色的道路性能和足够的耐久性，而且还要有以下优点：1）优良的防滑性能； 特别是在潮湿的环境中，有利于降低交通事故的发生； 2）优良的阻燃能力可以最大程度地控制火灾隐患，减少人员伤亡和经济损失； 3）良好的降噪能力将使驾驶更加舒适。 由于缺乏抗滑性能和高噪声水平，PCC路面不适合使用。
本文研制了含ATH粉的阻燃多孔沥青(FRPA)混合料,当隧道内发生火灾时，汽油和其他可燃液体可以轻易地四处扩散。在自行设计和迸行的小型燃烧试验的基础上,对FRPA的燃烧特性进行了硏究,并与SMA、致密级配HMA和PCC进行了比较。
2.多孔沥青阻燃剂的机理分析
2.1隧道火灾分析
可燃物包括液体可燃物，如汽油和柴油;固体可燃物，如轮胎和沥青路面材料。除轮胎外，固体在底盘上燃烧，底盘距沥青路面有一定的高度。因此，固体燃烧引起火灾蔓延的可能性很低。相反,液体燃料是系统中最易燃的。同时,沥青路面容易流动和蔓延,容易躬|起沥青材料和其他车辆的燃烧。因此，避免隧道灾蔓延的关键是: 1)有效地避兔液体燃料的燃烧和扩散；2)防止沥青路面燃烧，切断火势蔓延。
2.2机制分析
2.2.1多孔沥青的阻燃机理
由于大空隙率(15%~25%)和较大的连通孔隙,多孔沥青的渗透性超过任何其他类型的沥青混合料[2]。从以下三个方面分析了避免液体燃料扩散和燃烧的机理。
Mass change：质量变化 DSC：差示扫描量热 TG：热重
1)在隧道路面上燃烧时,液体燃料会通过多孔沥青的大连通孔流动和逃逸,从而减少了路面表面实际燃烧的液体燃料,缩短了燃烧时间[3]。
2)多孔沥青混合料具有大量的连通孔，设计的20%以上沥青混合料的连通孔可达15%以上[3]。这些相互关联的孔隙内部形成一个庞大的“燃料储存rsquo; 。一旦汽油流入内部，远离燃烧表面，在缺乏氧气的气体中，由于堵塞细小的毛孔而自燃。
3)多孔沥青的沥青含量低于稠度级配的HMA和SMA,这意味着参与燃烧的沥清比其他类型的沥青路面材料要少[4]。
2.2.2ATH的阻燃机理
制备阻燃沥青的方法是在沥青中加入有机溴，但当温度超过170°C[5]时，有机溴会释放出类似Dixon和烟雾的有毒物质，这是道路施工的温度。此外,有机溴的加入也会影响沥青粘结剂和沥青混合料的性能。作为阻燃剂，ATH是化学惰性的，无毒的ATH的物理特性与石灰石矿物填料相似，是沥青混合料的重要组成部分。因此, ATH可以直接添加到沥青混合料中，取代石灰石矿物填料。它不会改编沥青混合料的配合比设计和性能。
ATH的阻燃机理如下[6]。
1)当温度在200°C~ 350°C之间时，ATH会脱水。从ATH的DSC-TG(图1)看，在250°C和320°C的温度下，ATH失水两次,形成吸热.峰，能吸收大量的热量。
当加热时，ATH会分解成Al2O3和H2O。
2）ATH释放的蒸汽可以稀释可燃气体和O2的浓度。
3)ATH脱水后，在可燃物表面形成Al2O3膜。然后O2被膜从可燃物中分离出来。
3.实验
3.1原料
采用湖北国昌集团生产的SBS改性沥青和高粘度沥青,沥青粘结剂性能见表1。ATH网目为325。采用辉绿岩集料和石灰石填料。聚酯纤维由深圳海洋动力实业有限公司提供。
3.2方法
为研究目的，设计了开放式微型燃烧试验。首先，根据'公路工程沥青和沥青混合料标准试验方法”(JTJ052-2000, 中国) [7]制备了标准车辙试样(30x 30x5cm3)。然后测试了在试件表面喷洒的100 g汽油作为试验燃料的燃烧时间，并根据重量的变化来计算脱出率。利用温度采集系统和K-热电偶记录仪对试样表面30 cm以上的表面温度和环境温度数据进行了采集。底部用钢板密封,模拟实际路面。燃烧试验如图2所示。
表1沥青粘结剂的性能
|
试验 |
高粘度改性沥青 |
SBS改性沥青 |
|
渗透(25 ℃, 100 g, 5 s ）/0.1 mm |
82.4 |
46.7 |
|
软化点/ ℃ |
94 |
75 |
|
延性（5 ℃、5 cm/min）/cm |
65 |
35 |
|
黏粘性(60 ℃) /Pa·s |
75000 |
—— |
|
闪点/ ℃ |
350 |
348 |
|
氧指数/% |
20.6 |
20.4 |
|
TRFOT后的延性（5℃, 5 cm/min） /cm |
64 |
33 |
|
TRFOT后的渗透/0.1 mm |
67.2 |
38.8 |
表2沥青混合料配合比设计
|
16 |
13.2 |
9.5 |
4.75 |
2.36 |
1.18 |
0.6 |
0.3 |
0.15 |
0.075 |
OAC/% |
|
|
AC-13 |
100 |
98.2 |
84.3 |
57.7 |
40.7 |
28.8 |
20.2 |
12.8 |
8.9 |
6.6 |
4.5 |
|
SMA-13 |
100 |
95.9 |
65.9 |
31.9 |
21.3 |
17.4 |
15.3 |
13.3 |
11.9 |
10.3 |
6.1 |
|
PA-13 |
100 |
94.4 |
69.9 |
21.1 |
12.0 |
10.2 |
8.0 |
6.5 |
5.2 |
4.0 |
4.6 |
|
FRPA-13 |
100 |
94.4 |
69.9 |
21.1 |
12.0 |
10.2 |
8.0 |
6.5 |
5.2 |
4.0 |
4.6 |
图2微型燃烧试验
制备和研究了5种路面材料:硅酸盐水泥混凝土(PCC)、致密级配沥青混凝土(AC)、石基沥青(SMA)、多孔沥青(PA)、 阻燃多孔沥青(FPPA).PCC的压缩压力为30 MPa,将PCC试件的表面雕刻成真实的路面。所有沥青路面材料的NMPS均为13 mm。AC-13和SMA-13的粘结剂是SBS改性沥青.PA-13和FRPA-13的粘结剂为高粘度沥青.两种路面材料的骨料级配和沥青掺量相同，PA-13和FRPA-13的骨料级配和沥青含量基本相同。在FRPA-13中加入30%的沥青粘结剂，取代相同量的石灰石填料。沥青路面材料的配合比设计见表2。
通过对含沥青和矿物填料沥青胶的极限氧指数测试，研究了沥青粘结剂的可燃性。多孔沥青的粘结剂/填料比约为1: 1, 用高粘度沥青与矿物填料按1: 1的比例配制了沥青胶浆试件,添量为沥青质量的10%、20%和30%,制备了阻燃沥青试件,以相同质量的ATH代替矿物填料。氧指数仪按GB 2406-80进行氧指数测定。
根据“公路工程沥青和沥青混合料标准试验方法”(TJ 052-2000,中国) [7], 对路面的抗车辙性能、水分敏感性和抗滑性能进行了研究。
4.结果与讨论
4.1ATH对沥青阻燃性能的影响
用L01%表示的有限氧指数是在N2和O2混合气体中维持燃烧的最小氧含量。根据陈石洲[8]
的研究,当L0I%超过23%时,沥青粘结剂被认为是阻燃沥青。LOI试验结果 见表3。由沥青和矿物填料组成的胶泥的Ol为20.8%，易烧。随着ATH加入量的增加，LOI显著增加。以含ATH作为30%沥青质量的乳胶,憨油可达26.8%,沥青胶应在火灾中自动熄灭[6]
表3 LOI检查结果。
|
沥青配比 |
ATH比例 |
矿物填料比例 |
LOI /% |
|
10 |
0 |
10 |
20.8 |
|
10 |
1 |
9 |
22.6 |
|
10 |
2 |
8 |
25.0 |
|
10 |
3 |
7 |
26.8 |
4.2多孔
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