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原文传递基于沥青各组分热力学特性的复合阻燃机理研究

论文题名：	基于沥青各组分热力学特性的复合阻燃机理研究
关键词：	长隧道公路;沥青组分;热力学特性;阻燃剂设计
摘要：	随着我国公路建设规模的不断扩大，公路隧道数量和里程数也在逐渐增加。随之而来，隧道火灾事故也不断见诸报端。由于沥青路面具有行车舒适、施工周期短、养护方便、噪音小、抗滑性能好等优点，目前长隧道公路大多采用沥青路面。沥青路面一旦发生火灾，短时间内将会释放大量热量和有毒烟气，隧道内人员逃生困难，救援、疏散、灭火等难度较大，往往造成重大人员伤亡及财产损失。在沥青混合料中掺加阻燃剂是当前长隧道公路工程中抑制烟气、减小火灾损失的主要措施之一。需要指出的是，普遍认为，沥青由四种组分构成，分别是:饱和分、芳香分、胶质和沥青质。各组分之间的热力学特性(包括燃烧和热解的发生温度及产物的种类的数量）有较大差异，需根据各个组分的不同热力学特性选择阻燃剂采用复合阻燃技术才能达到最佳阻燃效果。但在当前工程实践中大多将沥青作为一个整体进行阻燃剂设计，故不能达到最佳阻燃效果。　　本文以国家自然科学基金项目“基于沥青各组分热解动力学特性的复合阻燃技术研究”为依托。首先，通过大量试验揭示了沥青各组分燃烧和热解的动力学特性;在此基础上进一步研究了沥青燃烧和热解时的微观反应，明确了基于沥青各组分热力学特性的复合阻燃机理，提出了沥青复配阻燃剂设计方案。最后，通过室内试验和全真数值模拟，对复配阻燃剂的阻燃及抑烟效果进行了验证。论文的主要内容概括如下: 　　(1)根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中相关规定进行了基质沥青组分分离试验得到了沥青的四种组分。试验结果表明，本文所用基质沥青各组分的质量百分比为:饱和分11％、芳香分53％、胶质21％和沥青质15％。结合试验经验总结了沥青组分分离试验的注意事项，为沥青组分分离试验的标准化操作提供借鉴; 　　(2)进行了沥青各组分热重-质谱(TG-MS)试验，结果表明饱和分在燃烧时存在3个峰值温度，而其他组分仅有2个峰值温度。利用Coats-Redfern模型和分布活化能模型研究了沥青四种组分燃烧时的热力学特性，饱和分和芳香分的活化能在燃烧过程中不断增大，胶质和沥青质的活化能则不断减小。根据燃烧各阶段沥青各组分的质谱图，分析了各组分在各阶段的燃烧产物; 　　(3)沥青四种组分热解试验结果显示各组分在热解时均包括一个温度峰值。利用Coats-Redfern模型计算了四种组分在热解时的活化能。与各组分燃烧特性比较可知，各组分热解活化能均低于其燃烧时的活化能，热解和燃烧反应有部分重合。利用各组分热解时的质谱扫描结果推断了各组分的热解产物; 　　(4)根据沥青各组分燃烧和热解时的热力学特性，本文选用氢氧化铝和氢氧化镁作为复配阻燃剂主料，包覆红磷和膨胀石墨作为复配阻燃剂辅料。基于沥青热力学参数在掺加阻燃剂前后的变化规律，提出了热失重速率衰减率和活化能增长率两个指标以评价阻燃剂的抑烟和阻燃效果; 　　(5)对比掺加不同成分复配阻燃剂前后沥青热力学特性的变化规律，利用热失重速率衰减率和活化能增长率评价了各种阻燃剂的阻燃和抑烟效果。根据分析结果，氢氧化铝48％;氢氧化镁32％;包覆红磷15％;膨胀石墨5％组成的复配阻燃剂的效果最佳。提出了基于沥青各组分热力学特性的复配阻燃剂的设计步骤，并推荐了复配阻燃剂的配比方案; 　　(6)利用Fire Dynamic Simulation(FDS)软件对复配阻燃剂的阻燃及抑烟效果进行了全真数值模拟。通过对燃烧点附近温度及烟气高度变化规律的分析验证了最佳复配阻燃剂配比的有效性。
作者：	赵洁雯
专业：	交通运输工程；道路与铁道工程
导师：	黄晓明
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文