一种火灾工况下沥青路面热分解机理研究方法技术

本发明专利技术是一种火灾工况下沥青路面热分解机理研究方法，属于属于路面技术领域，解决目前研究方法存在测试参数单一、加热方式与实际火灾工况不符、难以全面、客观研究火灾工况下沥青路面热分解机理的问题。本发明专利技术首先制备沥青混合料试件，记录样品质量，采用锡箔包裹试样底部和四周侧面；然后，设定相应的热辐射强度，模拟不同火灾规模下沥青路面热分解行为，点燃试件，采集热分解参数；最后，火焰完全熄灭，关掉量热仪排风管和锥形加热器，明确沥青混合料热分解过程中的质量变化、吸放热特性、挥发物析出过程、挥发物成分及含量、烟气毒性，分析残留物形貌、元素组成，揭示沥青混合料热分解机理，为研发阻燃剂和提高火灾时沥青路面安全性提供依据。

A Study Method of Thermal Decomposition Mechanism of Asphalt Pavement under Fire Conditions

The invention is a research method of thermal decomposition mechanism of asphalt pavement under fire conditions, belonging to the field of pavement technology. It solves the problems of single test parameters, inconsistent heating mode with actual fire conditions, and difficult to comprehensively and objectively study the thermal decomposition mechanism of asphalt pavement under fire conditions. The invention first prepares asphalt mixture specimens, records the quality of the samples, and wraps the bottom and sides of the specimens with tin foil; then sets the corresponding thermal radiation intensity, simulates the thermal decomposition behavior of asphalt pavement under different fire scales, ignites the specimens, and collects the thermal decomposition parameters; finally, the flame is completely extinguished, the exhaust pipe and conical heater of calorimeter are turned off, and the asphalt mixture is defined. The quality change, heat absorption and exothermic characteristics, volatile matter precipitation process, volatile matter composition and content, smoke toxicity during thermal decomposition process were analyzed. The morphology and element composition of residues were analyzed, and the thermal decomposition mechanism of asphalt mixture was revealed, which provided a basis for developing flame retardants and improving the safety of asphalt pavement in fire.

【技术实现步骤摘要】
一种火灾工况下沥青路面热分解机理研究方法
本专利技术是一种火灾工况下沥青路面热分解机理研究方法，属于路面

技术介绍
近年来，随着我国交通基础建设的快速发展，公路隧道建设作为公路建设中的重要组成部分也得到了快速的发展，我国隧道公路建设逐渐向长大化方向发展。相较于隧道外的公路路段，公路隧道封闭性强、结构复杂、空间狭小、纵深较长、出入口数量少，尤其对行车速度较快的公路隧道，交通事故率远大于洞外路段，由此引发的火灾事故率显著增长，一旦发生火灾事故，造成的后果不堪设想，因此隧道的火灾安全问题亟待解决。隧道结构的特殊性使得消防安全非常重要。隧道的外围是土壤或岩石，内部空间发生火灾时，热烟气不能及时排除，热量聚集，内部温度上升快，燃烧速率快。沥青混凝土路面中的沥青遇火易发生燃烧，熔融后易发生流淌，造成火势进一步地蔓延扩大。一旦公路隧道发生火灾事故，由于沥青的易燃性，路面极有可能参与燃烧，并释放大量的有毒气体。此外，燃烧过程中会分解出氢气、一氧化碳、烷烃、苯等易燃气体，进而加剧了沥青的热解和燃烧，造成的公路隧道火灾危害。沥青的燃烧过程是一个剧烈的热氧化过程，沥青急剧降解，并伴有浓烟及火焰。沥青在燃烧时不仅会分解出氢气、甲烷、烃类和苯等易燃气体，而且由于沥青中含有氮和硫元素燃烧后还将产生NO、SO2和CO等危及人类生命安全的有毒烟气。隧道密闭的环境内，除了环境温度高外，隧道环境的相对封闭性以及隧道内烟雾大，能见度低等原因对被困人员的生命安全造成了威胁，也为施救过程增加了难度。据研究发现，由于在火灾中吸入烟尘和有毒气体而造成的死亡率为85％。目前的研究工作主要集中在对沥青的燃烧特性的研究，国内研究者通过采用TG/DSC-FTIR技术研究了沥青结合料的燃烧机理，发现沥青路面燃烧的三个阶段：轻质组分的挥发、沥青结合料的质量损失、沥青残留物炭化。但是，实际上沥青路面是具有一定级配组成的矿料与沥青材料在严格控制条件下拌和而成的混合料。可见，沥青混合料和沥青在成分上有很大的区别，沥青混合料除了沥青还含有粗骨料、细骨料、填料等。因此，研究沥青混合料热分解特性对了解火灾过程沥青路面的热分解机理更具有现实指导性意义。锥形量热仪(CONE)是一种新型的聚合物类材料燃烧特性测试仪，在燃烧测试方面有重要技术性突破的试验方法。研究工作者发现液体和气体燃烧时每消耗单位质量的氧气释放的热量基本上是一样的，锥形量热仪就是利用该耗氧原理测出每消耗1kg的氧，放出的热为13.1MJ。因此，如果将试验中所有的燃烧产物都收集起来并精确地测定气体流速和氧气浓度，就可根据氧浓度变化推算材料燃烧时热释放量，对于预测火灾危害及阻燃防治具有重要意义。在1990年，美国专门制定了相应的试验标准ASTME1354-90，而国际标准化组织(ISO)在1993年也正式出版了用锥形量热仪测试材料火灾特性的国际标准IS05660，中国针对建筑材料热释放速率也出台了GB/T16172标准指导锥形量热仪试验，改试验可测得试样的多个热分解性能参数，包括热释放速率、质量损失速率、烟生成速率、有效燃烧热、总释放热量、点燃时间以及关于挥发物毒性和腐蚀性等。这些性能参数的测定是在稳定、真实、易于控制的条件下得到的，且能够在不同时间、地点重复操作。因此，为进一步研究沥青混合料热分解机理提供有利支撑。热释放速率是表征火灾强度重要的性能参数，热释放速率越大，放热量越大，形成的火灾危害性就越大。总释放热量是指在预设的入射热流强度下，材料从点燃到火焰熄灭为止所释放热量的总和。将热释放速率和总释放热量结合起来，可以更好地评价材料的热分解性能，对火灾研究具有更为客观、全面的指导性作用。质量损失速率是指样品在热分解过程中质量随时间的变化率，反映了材料在一定热辐射强度下的热分解、挥发及燃烧程度。除质量损失速率外，由锥形量热仪试验可得到质量损失曲线，从而获取不同时刻下的残余物质量，便于直观分析燃烧样品的热分解行为。传统的测试方法，如氧指数法、垂直燃烧法、水平燃烧法等，虽然具有操作简单、快速、重复性好等特点，但这些方法普遍存在测试参数单一、加热工况与实际火灾情况不符等缺点，难以较好模拟沥青混合料在火灾中的热分解行为，有时对同一种材料的评估，采用不同的试验方法得到了相互矛盾的结果。与传统的测试方法相比，锥形量热仪加热方式、热分解环境与真实的材料热分解工况接近，采集试验参数丰富，能较好反映真实火灾状况下沥青混合料热分解性能，测得的试验结果与大型足尺寸火灾试验存在很好的相关性，这对于研究沥青混合料的热分解特性具有重要意义。但是，目前没有采用锥形量热仪研究沥青混合料热分解机理的研究方法，本专利技术提出一种基于锥形量热仪的火灾工况下沥青路面热分解机理的研究方法，更深入、客观揭示沥青混合料在高温下的热分解行为，为提出阻燃、抑烟措施、提高沥青路面火灾安全性奠定基础。
技术实现思路
(1)技术问题本专利技术目的是提供一种火灾工况下沥青路面热分解机理的研究方法，从而解决目前研究方法存在测试参数单一、加热方式与实际火灾工况不符、难以全面、客观研究火灾工况下沥青路面热分解机理的问题，从而为沥青路面火灾安全研究奠定基础。(2)技术方案鉴于目前沥青路面热分解机理研究方法存在在测试参数单一、加热方式与实际火灾工况不符、难以全面、客观研究火灾工况下沥青路面热分解行为的问题，本专利技术拟采用锥形量热仪试验研究沥青路面热分解机理，本专利技术技术方案如下：首先制备沥青混合料试件，干燥后记录样品质量，采用锡箔包裹试样的底部和四周侧面；然后，设定相应的热辐射强度，模拟不同火灾规模下沥青路面热分解行为，将试件放在锥形量热仪承载池里的陶瓷纤维垫上；点燃混合料试件，采集热分解参数，包括引燃时间、热释放速率、质量损失速率、有效燃烧热、比消光面积、生烟速率、生烟总量；最后，当试件上火焰完全熄灭，关掉量热仪排风管和锥形加热器，分析试验结果，明确沥青混合料热分解过程中的质量变化、吸放热特性、挥发物析出动态过程、挥发物成分及含量、烟气毒性和腐蚀性，并采用扫描电镜和光能谱仪分析残留物微观形貌、元素组成，揭示沥青混合料热分解机理，为提高火灾过程沥青路面安全性提供依据。(3)有益效果近年来，随着我国公路交通事业发展和城镇化水平提高，隧道工程越来越广泛的被普及了。目前隧道逐渐向长大化发展，因交通量大、行驶速度快，隧道已成为交通事故多发路段，由此引起的火灾事故率呈上升趋势。因沥青路面具有噪音低、抗滑性好、行车舒适、易维修与养护等优点，因此隧道路面多采用沥青路面。但是，高温环境下沥青易燃烧，释放大量热有毒烟气。隧道相对封闭环境内一旦发生火灾，环境温度迅速升高，隧道内烟雾难以及时排出，能见度降低等严重威胁被困人员生命安全，也为施救工作增加了难度。因此，研究隧道火灾过程沥青混合料的热分解机理，对研发复合纳米阻燃剂，降低火灾危害，提高隧道沥青路面火灾安全性具有重要意义。具体实施方式本专利技术提供了一种火灾工况下沥青路面热分解机理研究方法，具体实施步骤如下：(1)制备沥青混合料车辙板试件，切割成100mm×100mm×20mm的3个样品，在相对湿度为50％，温度为23℃条件下干燥至恒重，记录样品质量，采用锡箔包裹样品的底部和四周侧面；(2)将样品放在锥形量热仪承载池里的陶瓷纤维垫上，用钢网栅压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术提供了一种火灾工况下沥青路面热分解机理研究方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：(1)制备沥青混合料车辙板试件，切割成100mm×100mm×20mm的3个样品，在相对湿度为50％，温度为23℃条件下干燥至恒重，记录样品质量，采用锡箔包裹样品的底部和四周侧面；(2)将样品放在锥形量热仪承载池里的陶瓷纤维垫上，用钢网栅压在样品上表面，设定不同热辐射强度，模拟不同火灾规模下沥青路面热分解行为；(3)当样品表面被点燃，记录点燃时间，观察沥青熔化、滴落、混合料试件崩裂、翘曲情况，采集热分解参数，包括引燃时间、热释放速率、质量损失速率、有效燃烧热、总释放热量、比消光面积、生烟速率和生烟总量；(4)当样品上火焰完全熄灭，继续采集2min试验数据，烟气成分分析仪继续工作10min，关掉量热仪排风管和锥形加热器，当加热器冷却至室温，关掉水源；(5)分析试验结果，了解沥青混合料热分解过程中的质量变化、吸放热特性、挥发物析出动态过程、挥发物成分及含量、烟气毒性和腐蚀性，并采用扫描电镜和光能谱仪分析燃烧残留物微观形貌、元素组成及其含量，揭示沥青混合料热分解机理。

【技术特征摘要】
1.本发明提供了一种火灾工况下沥青路面热分解机理研究方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：(1)制备沥青混合料车辙板试件，切割成100mm×100mm×20mm的3个样品，在相对湿度为50％，温度为23℃条件下干燥至恒重，记录样品质量，采用锡箔包裹样品的底部和四周侧面；(2)将样品放在锥形量热仪承载池里的陶瓷纤维垫上，用钢网栅压在样品上表面，设定不同热辐射强度，模拟不同火灾规模下沥青路面热分解行为；(3)当样品表面被点燃，记录点燃时间，观察沥青熔化、滴落、混合料试件崩裂、翘曲情...

【专利技术属性】
技术研发人员：许涛，夏文静，王斯文，马翔，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32