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原文传递隧道火灾过程沥青路面热行为及阻燃抑烟机理研究

论文题名：	隧道火灾过程沥青路面热行为及阻燃抑烟机理研究
关键词：	公路隧道;隧道火灾;沥青路面;阻燃机理;抑烟机理
摘要：	随着公路建设迅速发展，公路隧道日益增多。沥青路面因其行车舒适、抗滑性能好、噪音小、建设周期短、维修方便等优点在长大型隧道内日益得到广泛应用。由于沥青在隧道火灾高温环境下会热解、燃烧，并释放出大量有毒烟气和热量，造成严重次生灾害，给人员逃生及火灾救援带来极大困难。因此，隧道沥青路面阻燃及抑烟性能的研究日益受到普遍重视。但是，目前针对隧道火灾下沥青路面结构温度场分布规律研究较少，更鲜有涉及隧道火灾下沥青热解、燃烧动力学模型及阻燃抑烟机理的研究，对阻燃剂粉体在沥青中的微观分散机制及其对沥青及沥青混合料性能影响的研究更少。鉴于此，本文采取数值模拟和试验相结合的方法，就上述问题进行了深入研究和探索。本文以京珠高速广州龙头山隧道阻燃抑烟沥青路面关键技术研究为工程背景，基于有限体积法建立经可靠性验证的隧道火灾数值计算模型，通过隧道火灾现场的计算流体力学数值模拟，分析了火灾规模、发生位置、通风速度等不同工况下隧道内温度场、流场的变化规律，提出实体工程临界风速，并分析了在此风速下火源上风向及下风向路面温度场变化情况：研究了火灾产生的热量通过辐射、对流、传导对路面结构内部温度场影响，分析了火灾过程沥青路表可能达到的最高温度及沥青路面燃烧范围、深度，探讨了相应的沥青路面结构阻燃设计方案，并对灾后沥青路面进行评价，提出了隧道沥青路面灾后修复建议，也为沥青阻燃抑烟机理研究提供了参考。根据隧道火灾过程中沥青路面结构温度场分布规律，研究了各种阻燃剂性能特点和热解特性，优选了适合于隧道沥青路面的阻燃方案。采用热重-差热同步热分析仪研究了不同阻燃剂掺量沥青的热稳定性、热效应及热解动力学特性，计算了不同阻燃剂掺量沥青的热分析动力学参数，从而定量评价了不同阻燃剂掺量对沥青阻燃效果的影响。经沥青热解机理函数的优化识别，分别确定了沥青和阻燃沥青热解机理模型和反应机理函数，建立了单阶段的沥青热解动力学模型，对沥青的热解过程进行预测，并利用试验数据验证了沥青热解模型的合理性，为揭示沥青的热解机理和阻燃沥青配方设计提供理论依据。沥青热解产生的可燃性挥发分在火灾现场的高温空气中会燃烧。采用热重-差热同步分析方法研究了不同阻燃剂掺量的沥青在空气中燃烧动力学特性和热效应，定量评价了阻燃剂掺量对沥青在不同燃烧阶段的阻燃效果。根据沥青各组分在火灾下的不同燃烧特性，经过沥青燃烧机理函数优化识别，确定了沥青及阻燃沥青在空气中的各阶段的燃烧机理模型和反应机理函数，建立了沥青三阶段燃烧模型，对沥青的燃烧过程进行了预测，并利用试验数据验证了三阶段预测模型的合理性。然后，通过常用的氧指数试验和水平燃烧试验进一步验证了燃烧动力学分析结果可靠性，从而揭示了沥青燃烧过程动力学特性和阻燃机理。隧道火灾下沥青热分解过程中会释放出大量有毒烟气。针对隧道火灾过程85％以上死亡者是由于有毒烟气造成的事实，本文首先分析了沥青热分解析出烟气的成分和各种抑烟剂性能特点，有针对性地选择了适合于隧道沥青路面的抑烟剂，然后采用热重-傅立叶红外光谱分析联用技术在线研究了抑烟剂对沥青热分解析出有毒挥发分的影响，分析了不同热分解阶段沥青析出有毒挥发分的变化规律，探讨了抑烟剂对沥青有毒挥发分析出的抑制作用，揭示了以氢氧化镁为代表的无机氢氧化物对沥青熟分解过程中的抑烟、消烟机理，对隧道沥青路面选择环保、高效的抑烟剂具有现实指导意义。隧道沥青路面不仅需要一定的阻燃抑烟性能，更要具备良好的路用性能。运用阻燃剂粉体在沥青中的微观分散机制，通过沥青常规试验、动态剪切流变试验、弯曲梁流变试验、粘温特性试验分析了阻燃剂粉体对沥青高温、低温、流变等性能的影响。为了减小无机阻燃剂对沥青路用性能的影响，确定阻燃剂粉体替代填料(矿粉)比例及合适的粉胶比范围，并通过沥青混合料高温、水损、疲劳、SPT等各项试验研究了阻燃剂掺量对沥青混合料路用性能的影响。最后，结合沥青阻燃性能试验研究结果，确定了适宜的阻燃剂掺量，推荐了阻燃剂配方和施工质量控制方法，为实体工程阻燃沥青路面施工提供依据。
作者：	许涛
专业：	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：	2008
正文语种：	中文