隧道瀝青阻燃與路面結(jié)構(gòu)研究綜述

1、    隧道瀝青阻燃與路面結(jié)構(gòu)研究綜述    王怡平【摘要】隧道由于其特殊的地質(zhì)條件、水文條件、環(huán)境條件及交通狀況，導(dǎo)致隧道路面結(jié)構(gòu)與一般路面結(jié)構(gòu)差別很。本文分析了隧道瀝青路面易失火的原因，研究了國內(nèi)外隧道瀝青路面阻燃技術(shù)，闡述了隧道復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，提出了隧道路面結(jié)構(gòu)與材料研究方面存在的不足?！娟P(guān)鍵詞】隧道，阻燃，復(fù)合式瀝青路面1 引言目前，我國己成為世界上隧道最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國家、特別是國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國西部多山地區(qū)公路建設(shè)將保持較大的建設(shè)規(guī)模和較快的發(fā)展速度，隧道的里程將大大增加；隨著公路服務(wù)水平和線性等級(jí)的提高，公

2、路隧道目前正朝著長大化方向發(fā)展，隧道內(nèi)的行車速度和密度越來越大。隧道路面與一般道路相比，它是一個(gè)半封閉、空間狹小的管狀結(jié)構(gòu)物，隧道路面受雨水、太陽輻射、通風(fēng)等影響較少，視覺空間小，能見度較低，行車狀況較為復(fù)雜。這種環(huán)境對(duì)路面結(jié)構(gòu)有更多要求，常用的路面類型是水泥混凝土和瀝青混凝土兩種，與水泥混凝土路面相比，瀝青混凝土路面的抗滑性、平整性、降噪性等比較好，且養(yǎng)護(hù)容易，在公路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。隧道內(nèi)采用瀝青混凝土路面，在常溫及開放環(huán)境內(nèi)，瀝青屬于難燃材料，而在隧道內(nèi)部一旦發(fā)生火災(zāi)，由于空間狹小，積蓄的熱量能夠使得瀝青達(dá)到燃點(diǎn)并燃燒釋放出大量煙霧和有毒氣體，給消防工作帶來極大隱患，因此，開展瀝青路

3、面面層材料阻燃性能研究非常必要。隧道路面除地基板為彈性模量較高的基巖，其地質(zhì)條件、水文條件、環(huán)境條件及交通狀況的特殊性使得隧道路面結(jié)構(gòu)的受力、變形等特性與隧道外路面結(jié)構(gòu)存在明顯差別，但是隧道內(nèi)路面結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)沒有專門的規(guī)范和指南，而是套用公路或城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范。因此，需要對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)深入分析。2 隧道瀝青路面阻燃性能研究2.1 隧道失火的原因1）車輛燃燒是引發(fā)隧道火災(zāi)的主要誘因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車火災(zāi)的原因有：電氣線路短路起火、汽化器起火，載重汽車氣動(dòng)系統(tǒng)起火等。如1964年，日本關(guān)門隧道大火起因?yàn)殡姎饩€路起火引起；2010年浙江大溪嶺隧道大火為是貨車輪胎起火造成的。2）貨車上的貨物引起火災(zāi)。由

4、于所載貨物中有可燃或易燃物品，遇明火易發(fā)生燃燒或自燃。如1996年英法海底隧道火災(zāi)是因一列火車上的聚苯乙烯起火造成。3）車輛相互碰撞起火。如1978年荷蘭凡爾遜隧道火災(zāi)，1979年日本燒津隧道火災(zāi)，都是由車輛在隧道內(nèi)發(fā)生互相碰撞引起的。4）隧道內(nèi)設(shè)施的電氣線路短路引起火災(zāi)。隧道內(nèi)設(shè)施由于老化或受潮等原因，進(jìn)而引發(fā)汽車或貨物著火。2.2國外隧道瀝青路面阻燃現(xiàn)狀研究國外對(duì)于瀝青阻燃性能研究，是在瀝青毛氈的阻燃技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，借鑒聚合物阻燃經(jīng)驗(yàn)，一般采取的技術(shù)是在瀝青中添加阻燃劑來改善材料的阻燃性能，實(shí)現(xiàn)瀝青的阻燃目的。sbs改性瀝青中添加1-20%的鹵素阻燃劑和1-5%的無機(jī)磷（磷酸銨或紅磷）制

5、成阻燃瀝青，其符合astm e-108中要求的a級(jí)材料要求，即具有極高的阻燃性能；采用40-60%瀝青、1-20%sbs和30-40%阻燃劑（由65-80%磷酸一銨、5-15%硫酸銨和1%硅膠組成）制成阻燃瀝青，被美國保險(xiǎn)商試驗(yàn)室（ul）認(rèn)證為a級(jí)；在瀝青中添加35-50%的硬硼酸鈣石制成瀝青毛氈用于建筑屋頂；以十溴二苯醚、五氧化二銻和硼酸鋅為阻燃添加劑，加入熱彈性改性瀝青中制成阻燃改性瀝青；將在表層使用聚磷酸銨（app）作用添加劑制成具有自愈合性能的改性瀝青膠漿用于建筑屋頂，且具有一定的阻燃等級(jí)。由上可見，國外對(duì)于瀝青阻燃的研究成果大部分應(yīng)用于瀝青油氈和瀝青涂層，而應(yīng)用于瀝青路面的研究卻很少

6、。2.3 國內(nèi)隧道瀝青阻燃現(xiàn)狀研究國內(nèi)對(duì)于瀝青阻燃的研究相對(duì)較晚，而且最早對(duì)于瀝青阻燃的研究是針對(duì)瀝青油氈和瀝青涂層進(jìn)行的，隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，隧道規(guī)模和交通密度的增長，行車速度的提高，隧道交通事故發(fā)生的頻率也隨之加快，同時(shí)隨著人們對(duì)公路隧道防災(zāi)的重視程度的提高，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)于隧道內(nèi)瀝青路面的阻燃性能也開始著手研究，有關(guān)單位開始將瀝青阻燃技術(shù)應(yīng)用于隧道內(nèi)瀝青路面。近年來多條已通車隧道瀝青路面進(jìn)行阻燃處理，并開展了大量的研究，取得了一定的研究成果。重慶公路科學(xué)研究，采用7%左右摻量溴系阻燃劑摻入sbs改性瀝青中，氧指數(shù)（loi）從19%提高到23%，并且根據(jù)阻燃瀝青的評(píng)價(jià)的建議，即提出

7、阻燃改性瀝青的極限氧指數(shù)大于23%時(shí)就可滿足工程需要。同濟(jì)大學(xué)楊群等人研究了ogfc對(duì)瀝青路面阻燃性能的影響，由于ogfc自身具有大空隙率的特性，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，如有可燃液體通過ogfc中的大空隙通道離開燃燒范圍，從而起到一定程度上的阻燃效果。在ogfc的基礎(chǔ)上，武漢理工大學(xué)丁慶軍等在瀝青中按照一定比例加入氫氧化鋁（ath）、氫氧化鎂（mh）和zeolite沸石粉，可以使阻燃瀝青的極限氧指數(shù)達(dá)到29%以上，閃點(diǎn)可達(dá)到420，同時(shí)可使ogfc的孔隙率在20%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到7365次/mm，燃燒時(shí)間較水泥混凝土縮短一半，逃逸汽油量高達(dá)89%。譚憶秋等在ath摻量為瀝青20%的情況下，將礦粉與瀝青按

8、1：1混合，此時(shí)loi實(shí)驗(yàn)結(jié)果為32.5%，以充分實(shí)現(xiàn)了材料自熄性。并對(duì)a-t阻燃體系的放熱及發(fā)煙特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，其性能均優(yōu)于基質(zhì)瀝青。由此可見，雖然我國對(duì)阻燃瀝青的研究起步較晚，但越來越重視阻燃瀝青的研究，并在國內(nèi)隧道內(nèi)進(jìn)行鋪筑試驗(yàn)路或直接進(jìn)行施工，開發(fā)了多種隧道阻燃瀝青路面及其阻燃技術(shù)方案。3 隧道瀝青路面結(jié)構(gòu)組合研究隨著交通量的不斷增加和行車舒適性，安全性要求的不斷提高，對(duì)隧道路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用性能提出了更高的要求，其發(fā)展方向是水泥混凝土路面向柔性，瀝青混凝土路面向硬性，因此隧道復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)力應(yīng)用而生，其力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，貧混凝土瀝青路面等國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀如下：由于復(fù)合

9、式路面結(jié)構(gòu)中水泥混凝土板接縫的存在，使得加鋪于水泥混凝土板上面的瀝青混凝土層與公路隧道普通瀝青路面結(jié)構(gòu)的受力狀況相差很大。石春香等建立了公路隧道復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的三維有限元分析模型，分析了隧道復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)接縫處瀝青混凝土層內(nèi)部和界面處應(yīng)力進(jìn)行了分析比較，確定偏載為最不利加載位置，提煉出關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo)：縱縫邊緣加載位中心對(duì)應(yīng)的瀝青混凝土層底水平拉應(yīng)力和接縫處瀝青混凝土層頂面豎向剪應(yīng)力。利用多元非線性回歸技術(shù)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行整理，得出了高強(qiáng)度基巖下的應(yīng)力回歸公式，并通過工程實(shí)例闡明了公路隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)瀝青混凝土層厚度設(shè)計(jì)計(jì)算步驟。楊群針對(duì)目前隧道復(fù)合式瀝青路面表面出現(xiàn)受拉破壞的現(xiàn)象，揭示

10、瀝青層表面破壞的力學(xué)機(jī)理，運(yùn)用三維有限元方法建立隧道復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)與荷載模型，分析垂直荷載與水平荷載綜合作用下瀝青層表面的拉應(yīng)力，得出了影響瀝青層表面拉應(yīng)力的影響因素，提出了延長隧道復(fù)合式路面使用壽命的措施。李英濤針對(duì)當(dāng)前高速公路隧道復(fù)合式路面瀝青層混合料設(shè)計(jì)方法存在的不足，根據(jù)隧道交通及復(fù)合式路面的受力特點(diǎn)，首次提出了隧道復(fù)合式路面瀝青層混合料的剪應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合實(shí)際工程提供了設(shè)計(jì)示例。劉朝輝等人通過比較中國公路隧道路面結(jié)構(gòu)類型，針對(duì)g319湖南瀏陽焦溪嶺隧道提出路面結(jié)構(gòu)方案，針對(duì)目前中國公路隧道路面結(jié)構(gòu)類型與材料現(xiàn)狀，提出了一種新的纖維混凝土復(fù)合式隧道路面結(jié)構(gòu)，并論述其施工要求及注意事

11、項(xiàng)，結(jié)果表明，鋼纖維混凝土是剛?cè)嵯酀?jì)的復(fù)合型材料，抗彎拉強(qiáng)度比普通混凝土明顯提高，具有很強(qiáng)的抵抗動(dòng)載沖擊能力和耐疲勞能力。其特點(diǎn)恰恰與隧道路面技術(shù)控制指標(biāo)相吻合。黃曉明等為了選擇適合于隧道工作環(huán)境與交通條件的路面結(jié)構(gòu)類型，提高隧道路面的使用性能延長使用壽命，采用灰靶理論從整體剛度、耐久性、平整度、抗滑性能、耐磨性能、修復(fù)與重建難度六個(gè)方面系統(tǒng)地比較了水泥混凝土與瀝青混凝土兩種常用的路面結(jié)構(gòu)類型在隧道內(nèi)的適用性。分析結(jié)果表明，采用灰靶理論評(píng)判模型選擇隧道路面結(jié)構(gòu)類型在一定程度上克服了選擇過程的主觀因素，使隧道路面的選擇結(jié)果更具有客觀性；在隧道內(nèi)特殊的工作環(huán)境與交通條件下瀝青路面的性能更加優(yōu)越，具

12、有更好的適用性，能提高隧道路面抗滑性能，降低噪音，改善行車舒適性，維修、養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)便，保證隧道營運(yùn)通暢，為實(shí)體工程路面結(jié)構(gòu)類型選擇提供依據(jù)。付其林等為了分析貧混凝土基層瀝青路面在不同路面結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)下的溫度-荷載耦合應(yīng)力狀況，通過三維有限元數(shù)值方法，分析了瀝青面層厚度和模量、貧混凝土基層厚度和模量及基層縮縫寬度對(duì)瀝青路面溫度-荷載耦合應(yīng)力的影響。研究表明：瀝青面層厚度和基層縮縫寬度對(duì)路面溫度-荷載耦合應(yīng)力有顯著影響；基層厚度和模量對(duì)耦合應(yīng)力的影響不顯著。適當(dāng)增加瀝青面層厚度對(duì)預(yù)防反射裂縫十分有效；改變貧混凝土基層的厚度和模量對(duì)預(yù)防反射裂縫作用不大；適當(dāng)寬度的基層縮縫對(duì)延緩反射裂縫效果顯著。4 隧

13、道瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料存在的問題1）阻燃性良好的阻燃劑大多數(shù)毒性大目前最有效的鹵-銻、鹵-磷、磷-氮協(xié)效類阻燃劑，但有機(jī)溴類阻燃劑加工、拌合、施工和燃燒過程中會(huì)釋放出溴化氫和二惡英等有毒和致癌物質(zhì)，其中二惡英類物質(zhì)具有急性致死毒性、致癌性、生殖毒性和內(nèi)分泌干擾毒性、發(fā)育毒性和致畸性、免疫毒性等特點(diǎn)。2）阻燃瀝青燃燒發(fā)煙量大阻燃劑往往是通過捕獲燃燒釋放的自由基、釋放氣體形成隔離層、形成固相保護(hù)層等機(jī)理來實(shí)現(xiàn)阻燃。但是往往由于抑制燃燒時(shí)，導(dǎo)致燃燒物的不完全燃燒，反而使燃燒物生煙量變大。3）阻燃劑有效性阻燃瀝青在拌和、運(yùn)輸、攤鋪過程中，長時(shí)間處于高溫狀態(tài)，這樣會(huì)導(dǎo)致部分阻燃劑會(huì)開始熱解，釋放出毒性氣體

14、。這樣不僅會(huì)降低阻燃效果，而且影響施工人員的健康狀況。4）隧道復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)隧道組合是瀝青路面結(jié)構(gòu)反射裂縫問題需要長期深入研究，由于基層面層材料的物理力學(xué)性能差異較大，導(dǎo)致層間結(jié)合效果差，層間是隧道復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。5 結(jié)論在設(shè)計(jì)隧道瀝青路面結(jié)構(gòu)之前，深入調(diào)查、觀測(cè)和研究氣候、環(huán)境對(duì)隧道內(nèi)路面結(jié)構(gòu)和材料的影響，以實(shí)體工程為依托，通過調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、室內(nèi)外試驗(yàn)、工后觀測(cè)和理論分析，結(jié)合新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝、新技術(shù)等的應(yīng)用研究，科學(xué)、系統(tǒng)地提出隧道路面結(jié)構(gòu)合理型式、合理厚度和結(jié)構(gòu)組合，提出隧道路面材料設(shè)計(jì)指標(biāo)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提出隧道路面結(jié)構(gòu)施工工藝以及隧道舊路面的修復(fù)技術(shù)，用以指導(dǎo)我國公路隧道路面的建設(shè)及養(yǎng)護(hù)，提高隧道路面使用性能、使用壽命及服務(wù)水平，降低行車噪聲和養(yǎng)護(hù)成本，提高公路隧道運(yùn)營的安全與綜合效益。參考文獻(xiàn)：1yu jy， cong pl， wu sp. investigation of the properties of asphalt and its mixtures containing flameretardant modifierj. constr build mater