摘要
瀝青及瀝青混合料作為公路工程的重要材料，其燃燒性能直接關系著火災，尤其是隧道火災的危險性。本文介紹了瀝青及瀝青混合料的燃燒性能的試驗研究，對于隧道防火路面設計具有一定的參考意義。
內容來源：
[1]紀倫,譚憶秋,陳正錦,等.瀝青燃燒特性的試驗研究[J].中外公路,2010,30(3):240-243.
[2]李曉東.瀝青路面燃燒性能研究[J].北方交通,2018,4:95-99.
瀝青材料是公路工程的重要材料之一。瀝青材料具有易燃缺陷，一旦引燃，會在短時間內釋放出大量的熱、煙和毒氣，并快速蔓延，為逃生和救援帶來困難。近年我國交通基礎設施建設突飛猛進，公路隧道總長度已達世界第一，而公路隧道事故頻發，容易引發隧道火災，我國隧道常用的瀝青混凝土路面在隧道火災中具有較高的危險性。在最著名的勃朗峰隧道火災中，瀝青混凝土路面被嚴重破壞，造成嚴重損失；中國也發生過多起嚴重的隧道火災。
隧道內發生火災時，短時間內，溫度就可以高達800℃以上，在高溫下瀝青會燃燒，釋放出大量的煙霧和有毒氣體。隧道火災會造成巨大的經濟損失和社會危害。因此，不少學者開始對瀝青和瀝青混合料燃燒性能進行深入研究。本文引述 “瀝青燃燒特性的試驗研究”[1]中對幾種瀝青材料及改性瀝青進行了難燃性及燃燒特性的試驗分析，及“瀝青路面燃燒性能研究”[2]中對隧道瀝青路面常用的瀝青混合料的燃燒性能研究，希望能夠對瀝青在火災中的燃燒性能的研究起到參考作用。
瀝青材料難燃性分析
通過測試材料燃燒的條件，即測試材料在何種條件下燃燒，以評價其難燃性。
評價瀝青燃燒難易程度主要采用極限氧指數(Limit OxygenIndex，簡稱LOI)。LOI被很多國際組織和國家)作為評價材料燃燒難易程度的指標。
LOI定義為：
在規定的條件下，試樣在N2和O2混合氣體中，維持平衡燃燒所需的最低氧氣濃度。由于空氣中的氧氣濃度一般為21％，一般認為：
LOI為20％～27％時，材料為可燃材料；
LOI小于20％時，材料為易燃性材料；
LOI大于27％時，該材料在火中是自行熄滅的材料。
FTT的氧指數儀是目前可燃物測試中，諸多精密質量控制測試中比較經濟的一種，用于支持燃燒所需的低氧氣量。
試驗對遼河90#、70#、中海油50#基質瀝青進行LOI試驗，試驗結果如圖1(a)所示。同時為比較改性劑劑量對極限氧指數的影響，采用不同的改性劑劑量對90#基質瀝青進行改性，SBS劑量與LOI關系曲線如圖1(b)所示。
90#基質瀝青的極限氧指數最小。究其原因，可能與料源產地或組成成分有關，因而更易于燃燒。
SBS的存在及其劑量的變化對瀝青的氧指數是有影響的。隨著SBS劑量的增加LOI逐漸遞減，遞減趨勢變化緩慢，在劑量達到4％后更趨緩慢。即隨著SBS劑量的增加，改性瀝青更易燃燒。
一般瀝青材料的LOI均小于21％，屬易燃材料。
瀝青燃燒性能評價
評價材料對火災的貢獻，如釋熱量，熱釋放速率，煙密度，發煙量以及毒性等。
測定材料的燃燒特性和評價其火災危險性采用錐形量熱儀進行試驗。錐形量熱儀試驗環境與實際火情相似，試驗結果與模型試驗結果具備較好的相關性。此試驗可以評價材料燃燒的放熱性，評價材料對燃燒空間溫度升高的貢獻，評價逃生和救助的條件和時間；測定發煙特性，以評價煙氣對于逃生和救援的影響以及對人員生命的威脅程度，保證逃生和救援條件的可見度。
錐形量熱儀法：
采用垂直向下的輻射熱源加熱試件，并引燃揮發出的可燃氣體，使得試件燃燒，測得放熱、發煙的有關指標。此外還可通過裝置在煙道上的激光系統測定煙霧的減光性，來確定煙氣的比消光面積。因而，該方法可模擬火災發生時材料的燃燒狀態，進而分析其燃燒特性。試驗采用英國FTT公司的錐形量熱儀進行。
FTT的iCone2+錐形量熱儀是自動錐形量熱儀。它根據FTT數十年的經驗而設計的，符合標準，具有許多防火測試實驗室的功能，結構緊湊、準確、可靠且容易保持。
一般情況下，當火災發展到轟燃時，高溫煙氣和火焰對物體的熱輻射通量在75kW／m2左右，因此，試驗選取的外加熱輻射通量等級一般為25、50、75kW／m2。
參照有關資料及阻燃木質纖維板材的試驗條件，采用50kW輻射熱源，對基質瀝青和2.36mm及以下的SMA-13級配中值10.0％油石比的混合料進行了試驗，對比了阻燃木質礦物纖維板的試驗結果。
|
試驗材料 |
AH-90# |
混合料 |
阻燃木質纖維板 |
|
點燃時間/s |
26 |
114 |
17 |
|
熱釋放速率/(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 |
|
質量損失率/% |
89.0 |
11.7 |
69.6 |
|
發煙率/[m2/(m2·g)] |
157.6 |
11.2 |
1.3 |
|
放熱率/[MJ/(m2·g)] |
3.2 |
0.45 |
0.9 |
|
燃燒階段CO、CO2釋放量/(kg·kg-1) |
0.10 2.63 |
0.18 4.77 |
0.03 1.63 |
|
比消光面積/(m2·kg-1) |
1561.0 |
839.3 |
15.3 |
瀝青及混合料材料與阻燃木質纖維板相比較，難點燃。
瀝青的熱釋放速率均值是阻燃木質纖維板的2倍以上，瀝青及混合料的熱釋放均為迅速達到峰值，并可在較高水平保持一定時間。而混合料的放熱率較純基質瀝青有所改善，但，以混合料形式存在的瀝青其放熱量沒有明顯的減少。
瀝青材料的發煙率是阻燃木質纖維板的120多倍，而混合料的發煙率是阻燃木質纖維板的8.6倍。按混合料中的瀝青質量計算，其發煙率為122.1 m2／(m2·g)，比基質瀝青稍小；混合料中有除瀝青外的質量損失，即礦粉等成分會進入煙塵中，地影響火災現場的救援和逃生環境。
從燃燒階段的一氧化碳和二氧化碳平均釋放量(圖6)來看，混合料的釋放量明顯高于瀝青和阻燃木質纖維板，而木質纖維板的釋放量最小。
比消光面積(Specific extinction area，SEA)指在燃燒過程中某時刻單位質量試樣燃燒產生的煙量，表示試樣分解揮發單位質量的可燃物所產生煙的能力。從試驗結構看瀝青材料生煙能力強，試樣在燃燒過程中的發煙量大，保證救援和逃生條件的可見度差。
瀝青混合料燃燒性能
在上述的試驗中，主要對及瀝青及SMA-13級配中值10.0％油石比的混合料進行了對比研究。在文獻[2]中，通過錐形量熱儀的瀝青混合料中尺度燃燒實驗，具體的分析了火災規模、路面類型、油石比、改性劑添加比例對瀝青混合料燃燒性能的影響。
試樣選擇了3種隧道瀝青路面常用的的AC-13( 油石比5.4%) 、SMA-13( 油石比6%) 、OGFC-13( 油石比4.5%)混合料。試驗設備同樣選擇了英國FTT的錐形量熱儀。
試樣基本情況及試驗方案
測試參數包括：
隨著火災功率的增大，混合料的點燃時間逐漸縮小，燃燒熱釋放率達到峰值的時間。
從總熱釋放量角度，火災的功率越大則瀝青混合料燃燒釋放的總熱量越大。
總煙霧生成量在75kW/m2的條件下最高。由煙霧釋放率可以看出，煙霧釋放率隨熱釋放率達到一個尖銳峰值，隨后逐漸平緩，出現峰值的時間與熱釋放率峰值時間接近。
SMA 路面的熱釋放率峰值最高，AC路面的總熱釋放量最高，而OGFC 路面燃燒過程中煙霧釋放量最大。
根據主觀判斷，油石比較大的瀝青混合料應該表現出較高的燃燒性能，試驗結果證實了這一推斷。油石比對混合料的熱釋放參數有較大的影響，但試驗時間內總熱釋放量差距不大。
從煙霧釋放角度油石比的影響較大，總體來看煙霧釋放率隨著熱釋放率增大而增大，趨勢一致。初始燃燒階段，較高的油石比會造成總煙霧釋放量急劇上升。
從熱釋放角度，隨著改性劑添加比例的增大，點燃時間逐漸降低；但熱釋放峰值及達到時間相差不大，但達到峰值后，改性劑為0%的試樣熱釋放率要明顯低于其他。
從煙霧釋放角度，3 種瀝青混合料相差較大，改性劑的添加比例對煙霧釋放有較大的影響。
總體來看，改性劑的比例差異對熱釋放率峰值、總熱釋放量的影響不大，而總煙霧釋放方面，改性劑比例為15%時，煙霧釋放量最大，煙霧釋放量隨著改性劑比例的增加逐漸增大。
本文內容摘自文獻：[1]紀倫,譚憶秋,陳正錦,等.瀝青燃燒特性的試驗研究[J].中外公路,2010,30(3):240-243.[2]李曉東.瀝青路面燃燒性能研究[J].北方交通,2018,4:95-99.更多詳細研究分析及內容請參考文獻原文。
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