（道路与铁道工程专业论文）公路隧道耐火沥青路面的性能研究.pdf

摘要 摘要 沥青混凝土路面具有噪音低、抗滑性能好、易丁维修、行车舒适等优点。在我国公路隧道中得 到广泛采川。然而不断发生的公路隧道的火灾事故不仅造成巨大的经济损失，更重要的是严重危害 乘客的生命安全。沥青是一种可燃性材料，沥青混凝_ 十r 路面在使用过程中存在火灾隐患。本文以广 州龙头山隧道的实体i i j 掣为背景，系统研究了隧道火灾规律并配制了具有耐火性能的沥青混合科。 首先运_ i jc f d 技术对隧道内发生火灾时的温度场作了数值模拟计算，研究了不同火火规模及不 同风速条件| 卜沥青混凝十路面的温度分布。数值模拟结果表明，隧道内发生火灾后，温度会在短时 间内升到1 0 0 0 c 左以，这时沥青混凝十路面的温度也在7 0 0 c 左右，通风风速增大贝0 隧道内的温 度相廊降低；另外不同火灾规模对隧道内的温度分布有着明显的影响，火灾规模较小时( 5 m w ) ，沥 青路面温度在2 3 0 c 左右，没有达到沥青的闪点温度，沥青路面不会出现燃烧的危险。 通过对沥青材料燃烧特性的分析，总结了沥青的挥发性燃烧规律，并首次提出配制阻燃沥青的 关键是延缓火火发生时沥青温度的上升、抑制沥青的抨发，从而为人员逃生和救援争取时间。据此， 本文利用氢氧化铝和氢氧化镁锋无机阻燃剂制备了阻燃沥青，并采崩差热分析方法。研究了氢氧化 铝和氢氧化镁的阻燃机理，通过对不同阻燃剂掺量及不同气氛环境卜阻燃沥青的燃烧性能的测试， 系统研究了其阻燃机理。热分析结果表明，阻燃剂受热脱水分解可以吸收人龄热龟，从而有效延缓 沥青的燃烧。 通过对阻燃沥青的常规指标和s h r p 指标的测试，表明阻燃沥青的软化点增人。针入度平延度降 低；车辙网子、粘度随阻燃荆掺量的增加而增人， 燃沥青混合科的高温性能要好丁普通沥青混合料， 要。 疲劳因子! l l i l 相应减少。混合料试验结果表明，阻 其水稳定性可保持不变，可以满足实体r 稃的需 关键词：火灾数值模拟阻燃热分析路h j 性能 a b s t r a c t a b s t r a c t a s p h a l tp a v e m e n tw a sc o n s t r u c t e dw i d e l yi nd o m e s t i cr o a dt u n n e l ，w i t ht h eg o o dp e r f o r m a n c e , s u c h a sl o wn o i s e , 9 0 0 da n t i s l i pp e r f o r m a n c e ，s i m p l em a i n t a i n i n ga n dc o m f o r t a b l er i d i n g h o w e v e r , t u n n e lf i r e n o to n l yc o n d u c e se n o r m o u se c o n o m i cl o s i n g , b u ta l s oc o m p r o m i s e st h es a f e t yo fp a s s e n g e r s a s p h a l ti sa f l a m m a b l em a t e r i a l ，s oa s p h a l tp a v e m e n th a sf i r ef a t a l n e s su n d e rd a i l yw o r k i n g b a s e do ng u a n g z h o u l o n g t o u s h a nt u n n e l ，c h a r a c t e r i s t i co ft u n n e lf i r ew a ss t u d i e d ，a n df l a m e r e t a r d a n ta s p h a l tm i x t u r ew a s m a d e t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt u n n e lu n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tf i es i z ea n dw i n ds p e e dw a s s i m u l a t e du s i n gc f dt e c h n i c a l t h er e s u l t ss h o wt h ea i rt e m p e r a t u r ea n dp a v e m e n tt e m p e r a t u r er e a c h 1 0 0 0 ca n d7 0 0 cr e s p e c t i v e l y t h et e m p e r a t u r ew i l lr e d u c ew h e nt h ew i n ds p e e di n c r e a s e o t h e r w i s e t h e f i es i z eh a st h em o s ti m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n t h et e m p e r a t u r eo f t h ep a v e m e n t i sa b o u t2 3 0 w h e nt h ef i r es i z ei s5 m w ：a n dt h e r ei sn on e e dt ow o r r ya b o u tt h eb u r n i n go f a s p h a l t a s p h a l th a st h ec h a r a c t e r i s t i co fv o l a t i l eb u r n i n g ，t h ek e yi np r e p a r i n gf l a m e - r e t a r d a n ta s p h a l ti ss l a y t h et e m p e r a t u r er i s eo fa s p h a l t s ot h i sc a l le a r nt i m ef o rw i t h d r a wa n ds u c c o r f l a m e r e t a r d a n ta s p h a l tw a s p r e p a r e dw i t ha 丁ha n dm g ( o h ) 2 a n dt h e r em e c h a n i s mo ff l a m e - r e t a r d a n c yw e r es t u d i e du s i n gt h e r m a l a n a l y s i sw i t hd i f f e r e n td o s a g ea n dd i f f e r e n ta t m o s p h e r e w h e nh e a t e d ，a t ha n dm 坂o h ) 2c a l ld e h y d r a t i o n a n da b s o r bl a r g en u m b e ro f e n e r g y s ot h i sc a l ls t a yt h eb u r n i n go f a s p h a l t s u m m a r yf r o mf l a m e - r e t a r d a n ta s p h a l tn o r m a li n d e x e sa n ds h r pi n d e x e s ，i ti ss h o wt h a ta l o n gw i t h t h em o d i f i e ri n c r e a s e ，t h er u t t i n gf a c t o ra n dv i s c o s i t yo ft h ef l a m e - r e t a r d a n ta s p h a l te n h a n c e s , b u tt h e f a t i g u ef a c t o rd e c r e a s e s 。t h es o f t e n i n gp o i n to ff l a m e r e t a r d a n ta s p h a l ti n c r e a s e ，p e n e t r a t i o na n dd u c t i l i t y d e c r e a s e d t e s tr e s u l t so fa s p h a l tm i x t u r e si n d i c a t et h a th i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo ff l a m e r e t a r d a n t a s p h a l tm i x t u r e si sb e t t e rt h a nn o r m a la s p h a l tm i x t u r e s t h em o i s t u r es t a b i l i t yo ff l a m e - r e t a r d a n ta s p h a l t m i x t u r ec a l lr e t a i ne x c e l l e n t s oi tc a na c h i e v et h er e q u i r e m e n to f p r a c t i c a lp r o j e c t k e y w o r d s ：f i r en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f l a m e r e t a r d a n t ，t h e r m a la n a l y s i s ，p a v e m e n tp r o p e r t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：轻、茧遽， 日期：1 竺置4 l v 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：血銎宝 导师签名： 、i 幽f t 期：! 堡：! ! ! ! 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 目前国内常用的隧道路面结构形式主要有水泥路面和沥青路面两种结构形式。水泥 路面的优势在于能见度高、不具有可燃性，因此在一段时间内曾是我国隧道路面的主要 结构形式；但水泥路面具有明显的缺点，就是其防滑能力较差，特别是在洞口位置和洞 内渗水位置，极易发生由于路面防滑系数下降而引起的交通事故。沥青混凝土路面使 用沥青作为结合料，矿料问的粘结力较高，具有良好的强度和稳定性，提高了路面的使 用质量和耐久性。因此，沥青隧道路面越来越受到重视，例如美国沥青路面占9 4 ，日 本占9 3 。我国高速公路建设起步较晚，白八十年代中期以来，我国开始进入高等级公 路建设的新时期，其中已建和在建的公路中，沥青路面占9 0 以上。 然而隧道火灾已经成为一个国际性的难题n ，如下图。隧道火灾造成隧道设施和隧 道整体结构的严晕损坏，弓1 起短则数小时，长则几天或者更长时间的道路交通中断，并 图卜l 隧道火灾发生时燃烧剧烈 图卜2 隧道火灾发生后路面损坏情况 严重威胁人们的生命和财产安全，造成无法估量的经济损失。当隧道内发生火灾时产生 的烟、热不易排除，洞内烟雾弥漫，能见度下降；同时伴随高温和毒气，给安全疏散和 救援工作带来很大困难。另外，由隧道外的快速车道上行来的车辆进入隧道后，横断面 变小，部分隧道内为曲线线路，使司机视野变小。当前面发生车辆事故时，后面的司机 不易发现，容易造成追尾，并使大量车俩堵塞，加剧火灾的发展，造成更严重的损失。 近半个世纪以来，隧道火灾带给人们的损失是十分严重的”一“。1 9 4 9 年美国的哈兰公路 隧道，一辆装载二硫化碳( 高挥发性液体燃料) 的大型汽车驶入隧道不久，因车身起火发生爆 炸，结果烧毁汽车l o 辆，6 6 人中毒受伤；1 9 7 8 年荷兰维尔森隧道由于撞车引起的火灾造成 6 辆车辆损失、1 1 人死伤；1 9 7 9 年闩本的r 本板隧道内发生火灾造成9 人死伤，1 8 9 辆车辆 损失；1 9 8 2 年美国n # i 卡乐德卡特公路隧道发生火灾，造成7 人死亡2 人受伤。进入9 0 年 代以来，人们对隧道火灾的危害性有了很多的了解，但隧道火灾还时有发生，1 9 9 1 年同本的 一次隧道火灾燃烧了四天；1 9 9 5 年奥地利p h a e n d e 隧道火灾造成了三人死亡的结果；1 9 9 9 年3 月发生在法国与意大利之间的勃朗峰( m o n t b i a n c ) 隧道，死亡4 1 人，还有一名消防 人员冈伤势严讴i n 陟e 亡，3 6 辆汽车被毁，大火燃烧了5 3 个小时，隧道结构大面积破坏，关 闭近i 年；1 9 9 9 年5 月2 9 闩，奥地利p q 邢令长6 4 k m 的t a u e r n 隧通内，4 辆轿车、2 辆货 车相掩起火，这场人火烧了十几个小时，烧毁1 4 辆载重卡乍和2 6 枘小汽1 ：，有1 2 名朵窖 被火焰吞没或j 息死【= t j 有4 9 人受伤，2 0 0 1 年1 0 月iu = 界址k 运f f 公路隧道之一f j 瑞i 1 垄堕叁兰堡主堂堡堡苎 s tg o t h a r d 隧道发生车祸，两辆大卡车迎头相撞引发大火，有1 1 人丧命，1 2 8 人失踪。隧 道内浓烟滚滚，空气难以流通，救援工作非常困难，大火烧了一天一夜，烧毁4 0 辆车，运 载轮胎的卡车起火燃烧后，有毒的黑烟使众多人被熏死；2 0 0 3 年韩国首尔弘智门隧道火灾造 成约3 0 人受伤；2 0 0 5 年法国和意大利之问的弗雷瑞斯公路隧道火灾，造成2 人死亡。 近年来国内也发生过几起隧道火灾事故：1 9 9 8 年7 月7 同福建盘陀山第二公路隧道因 货车起火发生火灾；1 9 9 9 年浙江大溪岭隧道发生火灾；2 0 0 2 年1 月，一辆满载皮鞋、打火 机和透明胶水等杂物的东风大货车，行至猫狸岭隧道左洞距隧道出口7 8 0 m 附近时发生火灾， 整个火灾持续2 个小时，中断交通1 8 天，造成巨大的经济损失。2 0 0 3 年贵遵路货车发生追 尾，车上黄磷着火燃烧，引起路面大面积燃烧；2 0 0 4 年3 月位于高速公路北京塔山服务区附 近一辆满载2 5 吨燃料油的油罐车与前方行驶的货车发生追尾引起火灾，路面燃烧面积达4 0 0 多平方米：2 0 0 5 年2 月一辆满载6 0 0 套啤酒瓶箱子的平头加长卡车，行驶在长吉高速公路 1 2 公罩处忽然起火，损失十几万元，部分高速公路路面被烧毁；2 0 0 6 年在浙江温州温瞿公 路天长岭隧道和3 1 9 国道黔江段的正阳一号隧道又分别发生火灾事故，造成巨大的直接 与间接经济损失。 隧道火灾事故的巨大危害引起了人们对隧道安全性与火灾问题的极大关注，许多国家已 经把隧道火灾防治的研究列为重要课题。我国近年来也加强了对隧道火灾的研究，力图 将隧道火灾的损失降到最低点。 1 2 隧道火灾事故原因 造成隧道火灾事故的原因是多方面的，归纳起来有如下几点： 首先，汽车本身发生火灾引起隧道火灾。引起汽车火灾的原因是电气线路老化，发 动机部位有混合气体泄漏，从而引起短路起火、汽化器起火，载重汽车气动系统起火。 如1 9 6 4 年日本关门隧道大火就是汽车电气线路故障引起的。据资料分析，汽车大约每 行车1 0 0 0 万公罩平均发生0 5 1 5 次火灾。 其次，货车上的货物引起火灾。隧道内通行的车辆种类繁多，它们所载货物有的是 可燃或易燃物品，遇明火发生燃烧或自燃。如1 9 4 9 美国纽约哈兰隧道火灾，1 9 7 7 年日 木都夫良野隧道火灾，都是出于货物遇火种引起燃烧造成的。 第三，车辆互相撞击起火。由于隧道内道路空问比较狭小，能见度较差，情况比较 复杂，容易发生车辆相撞事故。如1 9 7 8 年荷兰凡尔逊隧道火灾，1 9 7 9 年同本烧滓隧道 火灾，都是由于在隧道内发生交通事故、车辆互相撞击引起的。 第四，隧道内电气线路或i = 扫器设备短路起火。一般隧道内湿度比较大，各种电器 线路容易受潮破坏。另外隧道多处于偏远地区，同常检查及维护不及时都容易使线路老 化而发生短路引起火灾。 第五，当车辆进入隧道时一般要减速，驶出隧道时要加速，这样都会使隧道进出口 处的路面摩擦系数明显降低，尤其在阴雨天气，隧道进出后处的路面会因多种原因变得 湿滑。另外超载超限车辆的增加、驾驶员违规操作和超速行驶等因素都会增加车辆发生 事故进而着火的可能性。 1 3 隧道火灾事故特点 由于隧道位置的特殊性和空间的局限性，其封闭的特殊环境造成疏散和救援都相当 困难，生成大量烟气，且很难排除，外部灭火效果也十分有限，这使隧道内火灾和一般 火灾的特征明显不同，公路隧道火灾有其自身显著特点“1 。 首先，燃烧猛烈，温度急剧上升。据德国g m t 现场火灾实验表明，轿车起火后不到 l o m i n 就会形成大火，可见隧道内从起火发展成大火的时阳j 相当短。并且隧道内部空间 狭窄，随着火灾扩教，大量高温有毒烟气很快充满隧道，温度可达1 2 0 0 左右。从消防 角度看，公路隧道一般远离市区，旦发生火灾，城市消防队很难及时到火灾现场，更 不要说穿过充满大量高温有毒烟气的隧道抵达火源点。对隧道火灾事故调查表明，隧道 火灾时洞内温度将在开始的1 0 - - 1 5 分钟内达到最高。隧道沥青路面中可燃成分主要是 沥青，沥青因有易燃烧、受热熔滴、流淌的特点，当隧道内得温度达到沥青的燃点时就 会起火。如果大面积的沥青路面燃烧起来，会释放出大量的热量、烟雾和有毒气体，给 救援工作带来极大的困难。 其次，隧道发生火灾时产生大量有害烟雾。隧道火灾调查表明，隧道火灾发生，一 般会出现两种状况：一是伴随燃烧产生的光化学反应和热化学反应，在消耗了大量氧气 的同时，产生出大量的有害烟雾二是在严重缺氧的情况下，火灾初期呈现种阴燃状 态，散发出大餐的有害烟雾。返两种现象都表明，隧道内火灾的发生，会伴随着产生大 量的烟气。有资料表明，气体的扩散速度、范围比温度扩散速度要快，这些气体包括c o 、 c o ：、h c 、s o ：等。未经稀释的烟雾中的有毒气体和微尘比高温对人体的危害性更大。烟 气的危害性在于大量烟层能阻挡人们的视线，烟气刺激人的眼睛。使车道能见度在极短 时自j 内迅速恶化；隧道火灾产生的一氧化碳等有毒气体直接威胁人的生命安全，导致疏 散困难，极易发生次生灾害。因此，公路隧道内灭火、救援工作难度很大。 最后，隧道火灾蔓延迅速。试验结果表明，隧道内一旦起火，火灾时隧道内的温度 有一个急剧增加的过程，一般在起火后的4 l o m i n 内，温度即达到最高，由于从起火 到爆发成灾经历的时问最多只有1 0m i n 。由于烟囱效应，温度和烟雾会迅速传播，产生 的大部分能量释放在有限的隧道空问内，顺风向宅气的温度可达到1 0 0 0 以上，炽热的 空气在流经途中可把它的热量传递到任何易燃或可分解的材料上，从而引起隧道内大面 积的火灾。 由此可见，隧道火灾的自身特点也导致其破坏性比一般建筑火灾要大得多。火灾一 旦发生，很短时间内就达到很高的温度，使人员难以迅速逃生，不仅能引燃隧道内部的 沥青路面、洞壁装修，而日对衬砌产生巨大的损坏，致使结构的承载力降低或完全丧失， 破坏隧道防水体系，造成隧道不同程度的渗漏水，以致影响隧道的币常运营；火灾时产 生大量的有毒烟雾，降低隧道内的能见度，影响人员和车辆的逃生以及救援工作的丌展- 一 因i ，一般发生大规模的隧道火灾，都会造成大量的人员伤亡和财产损失。 调奄结果表明，隧道火灾事故的发生，严重影响了隧道安全。如何根据隧道火灾事 故的特点，选择合理的路面结构组合形式及材料，使其具有阻燃、抗滑性能具有重要的 意义。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 隧道火灾数值模拟 由于隧道火灾的规模较大，且其过程不易控制，因此难以进行现场实测，在圈内外隧道 火灾研究中，多采用数值模拟的方法。对于隧道火灾的数值模拟，主要应用的方法有区域模 拟和场模拟两种。区域模拟( z o n em o d e l ) 是将建筑物空问划分若干个区域，每个区域再划 分成物理、化学性质均匀的高温烟层与低温烟层，并利用能量、动量、质量及组成成分守恒 原理，预测火灾的成长、烟的流动以及每个区域内的温度、浓度分析，情形。但区域模式只 能预测平均的烟流动情形，无法预测实际火灾发生时建筑物内详细的流场与温度场分 布，并且区域模式建立在计算几个区域。p 的火焰删流或热气流的某种模拟的基础上，这 样就不得刁i 在相当程度上简化复杂的物碍 过程咀保证合理区域内的计算要求，在很大程 度上依赖实验数据。由于这一缺陷，近年来的发展更多的趋向于对场模拟的应用上。场 模拟( f i e l dm o d e l ) b p c f d ( c o m p u t a l i o n a lf i r ed y n a m i c s ) 是对表征流场中能量、质赶、 奎堕叁兰堡：! 堂堡堡兰 动量守恒的通用微分方程进行求解。 a 国外研究现状睁” ( 1 ) 英国火灾研究中心的c o x ( 1 9 8 5 ) 和k u m a r ( 1 9 8 7 ) 较早的采用c f d 方法研究公路 隧道的火灾问题，建立了求解三维非稳念问题的烟气流动模型，开发了j a s m i n e 程序， 研究了不同纵向风速下隧道内中型火灾的温度场、流场、烟气浓度场的动态发展，并对 辐射热传导和璧面粗糙度对隧道火灾的影响进行了研究。j a s m i n e 模型中输入火源的热 释放速率随时问变化的数据，以模拟火灾的非稳念发展状况，但未考虑辐射换热的影响。 ( 2 ) w o o d b u m 和b r i t t e r ( 1 9 9 6 ) 采用c f d 通用f l o w 3 d 模拟了隧道内火源下风方向区 域的热特性及烟气流动状况，着重考察数值模拟结果的影响因素。研究表明，除纵向通 风速度对烟气回流扩散范围具有决定性影响外，火源释热率以及湍流模型的选择对烟气 回流扩散范围影响也较大。而火源下风方向区域的温度场、速度场与湍流模型的选择几 乎无关。 ( 3 ) w u 和b a k a r ( 2 0 0 0 ) 利用c f d 通用软件f l u e n t 模拟了5 种矩形断面隧道的火灾，还 对临界风速进行了模拟研究。结果表明，c f d 能很好的模拟速度场的分布，特别是烟气 回流区域的速度场与实验结果吻合较好，但由于湍流模型的限制，仅模拟了连续火焰区 的温度分布。 ( 4 ) h w a n g 和e d w a r d s ( 2 0 0 1 ) 用商业软件c f d 2 0 0 0 对隧道路面火灾进行了模拟，隧道 计算长度取为3 0 m ，进口设为速度边界，出口设为压力边界，隧道璧面为绝热边界，火 源为丙烷燃烧，标准k e 模型，研究了通风速度，燃料盘直径和隧道坡度等因素对烟气温 度分布、速度分布和烟气回流长度的影响。 ( 5 ) 法国的s h a r a dt r i p a t h i 等人用c f d 软件p a n t u n n e l 对两个隧道算例进行了计算。 第一个算例为矩形断面隧道，长5 0 0 m ，模拟了3 0 m w 和1 0 0 m w 火灾规模下，氧气和二 氧化碳的浓度以及烟气温度分布在排烟通道打开i i 后的变化情况；第二个算例为半圆形 断面隧道，模拟了最大热释放率3 0 m w 火灾规模下，氧气和二氧化碳的浓度以及烟气温 度分布在排烟通道打开前后的变化情况。这两个算例的结果都表明，排烟通道的打开能 大大降低隧道内温度和的浓度。模拟采用标准的考虑浮力的湍流模型，但没有考虑燃烧 过程，将火源处理成面热源、氧气损耗源、二氧化碳释放源。 ( 6 ) m c g r a t t a n 等人( 2 0 0 2 ) 用n i s t 开发的f d s 软件按照2 0 0 1 年发生的h o w a r ds t r e e t 隧 道火灾原型，进行了模拟。模拟结果在火灾燃烧区域的最高温度达到1 0 0 0 ，在火源附 近3 至1 1 4 辆列车长的区域平均温度达到5 0 0 。火源上方接触火焰的隧道壁表面温度达到 8 0 0 。 ( 7 ) h w a n g 和e d w a r d s ( 2 0 0 2 ) 用f d s 软件进行了模拟研究，建立了小尺寸模型( 隧道 横断面0 4 m ，高0 3 m ，隧道长度4 9 m ) 和大尺寸模型隧道( 横断面宽8 6 m ，高7 ，0 m ，隧 道长8 5 3 m ) 。模拟结果显示，在热释放速率小的时候，l 晦界风速与热释放率成正比，当 热释放率增大到一定程度后，临界风速并不随着热释放速率的增大而增大。而是几乎保 持不变。同时还模拟了隧道坡度对临界肛l 速的影响。 ( 8 ) l i 和c h o w ( 2 0 0 3 ) 用c f d 软件，建立了矩形断面隧道模型，将火灾规模设定为 0 5 m w ，时问步长取1 s ，瞬态计算了1 2 0 s ，研究了网格划分疏密、迭代步数和计算时间 对计算结果精度的影响，以及计算时问、迭代步数、网格数目之i 日j 的关系。用该c f d 模 型取火灾规模5 m w 、2 0 m w 和5 0 m w ，比较了纵向通风、半横向风、全横向通风、部分 横向通风和混合通风系统的性能表现。 f 9 ) b a r i 和n a s e r ( 2 0 0 5 ) 用通用c f d 软件f l u e n t 6 0 研究了d o m a i n 隧道火灾中氧气、 一氧化碳、二氧化碳浓度纵向分布情况，模型中采用了v h s 火源模型。 ( 1 0 ) i n g a s o n 和s e e n ( 2 0 0 5 ) 用c f d 软件f l u e n t 模拟了既有纵向通风，又有排烟竖井 的模型隧道在煤油燃烧下的烟气运动，采用涡耗散燃烧反应模型。模型隧道长2 0 m ，中 问有竖并排烟，比较了不同的燃料进口外形、辐射模型和湍流模型对计算结果的影响， 第一章绪论 并和该模型隧道的实体实验结果进行了比较。 b 国内研究现状 相对于国外而言，我国在隧道火灾数值模拟研究方面起步较晚，西南交通大学，清 华大学，北京工业大学和中国科学技术大学在这个领域做了较多的工作。 ( 1 ) 香港理工大学的c h o w ( 1 9 8 8 1 9 9 8 ) 等人用场模型求解k e 方程，并用p h o e n i c s 程序对火灾烟气与紧急通风进行了三维瞬态模拟。计算隧道长为2 0 m 、高5 m 、宽5 m 。 研究表明，纵向风速的增加会增加烟气的产生量，还会增加火源的热释放速率。 ( 2 ) 清华大学李先庭等学者( 1 9 9 3 ) ，建立了场模型模拟地铁隧道的烟气流动，研究表 明，在3 m w 的热释放速率下，2 m s 的纵向j x l 速可抑制火灾热烟气向上游流动，并且机械 通风时，隧道坡度对烟气流动的影响不大。 f 3 纠b 京工业大学的阳沛哲( 2 0 0 2 ) 采用c f d 软件c f x 5 5 对二郎山半横向通风特长公 路隧道进行数值分析与计算，隧道的沿程阻力系数取0 0 2 2 ，平行导洞和横通道的沿程阻 力取0 0 2 ，讨论了发生火灾时不考虑对侧隧道送风、考虑对侧隧道送风时的各种阀门和 风机的控制方式对隧道内尤其是对着火点及其周围气流分布的影响，分析了各种控制方 式的气流流动趋势和特点，并在此基础上得出了二郎山隧道火灾通风的控制方案。研究 将隧道内的气流看成是理想流体的一维恒定流动，没有考虑火源的热释放和烟气释放和 浮升效应，也就是说没有考虑火灾对通风的影响。 ( 4 ) 中国矿业大学的顾i f 洪、程远平( 2 0 0 3 ) 用专业火灾场模拟软件f d s 对尤罩卡项 目中使用的隧道进行了模拟，在模拟中考虑了随时间变化的热释放曲线，设定了5 个不 同的热释放曲线。模拟得出在相同条件下，火灾规模越大，火灾所产生的温度越高，多 车辆成组火灾时，火灾所产生的温度并不时单个车辆的简单叠加；在相同条件下，火灾 所产生的温度随时问的变化过程分为发展阶段、稳定阶段和衰减阶段，发展阶段是报警、 救灾、逃生的最佳时机；在相同火灾规模条件下，随着通风风速的增大，火灾所产生的 温度有一个由低到高和由高到低的发展过程，在保证烟气不向上游回流的前提下，应降 低隧道内的纵向风速。 ( 5 ) 上海交通大学的罗马吉、黄震等( 2 0 0 3 ) 采用数值模拟方法研究隧道火灾的c f d 模型。湍流模型采用大涡模拟( l e s ) ，火源采用混合物组分燃烧模型，用此模型对某隧 道实验火灾进行了数值模拟，并将计算结果与实验数据及f l o w 3 d 程序计算结果对比。 结果表明， 采用该模型计算的结果优于程序计算结果，与实验数据具有较好的一致性：充分发展后 的烟气流动具有温度分层现象。 ( 6 ) 哈尔滨工程大学与香港理工大学的学者( g a o 等，2 0 0 4 ) 等，利用c f d 模拟了一段 9 0 m 长隧道火灾的烟气特性，并比较了大涡模拟与k e 二方程湍流模型的计算结果，模拟 未考虑火灾的燃烧过程，采用体积热源模型；未考虑烟气释放，没有引入组分方程，不 能预测烟气浓度的分布。研究表明，相对于k e 模型，l e s 可以更好地模拟火灾时的烟气 回流以及隧道断面的热分层现象，但对烟气温度的模拟计算结果同样大大高于试验数 据。 ( 7 1 西南交通大学王婉娣、冯炼等人( 2 0 0 4 ) 采用c f d 方法建立了隧道火灾烟气流动 的三维模型，用连续性方程、动量方程、能量方程及气体组分方程描述气流流动状态； 湍流模型采用浮力修币的k - e 模型，采用s i m p l e 算法进行求解，湍流燃烧模型采用基于 涡团耗散概念模型，考虑了辐射，壁面采用温度边界条件。将数值计算结果与秦岭终南 山特长公路隧道火灾模型试验结果进行比较，验证了所建火灾模型的合理性和有效性。 ( 8 1 西南交通大学张发勇等( 2 0 0 4 ) 采用计算流体力学方法，对秦岭终南山特长公路 隧道进行了火灾通风数值模拟研究，模拟火灾规模4 0 m w ，模型中包含了横通道，考虑 了火灾中横通道的开启，考虑壁面传热、辐射、浮升力影响。通过对不同纵向通风方案 下的气流流动和火灾下游温度分布分析，评估了各通风方案所能达到的效果。比较数值 查堕叁兰堡兰竺丝塞 模拟结果和相关的模型试验，发现模拟计算结果取得了满意的预期效果。 ( 9 ) 中国科学技术大学与香港理工大学的李元洲、霍然、周允基等( 2 0 0 4 ) ，运用区域 模拟和场模拟的方法，通过一个假定的长隧道火灾算例，分析了几种不同情况下隧道火 灾的烟气发展情况。讨论了烟气温度、高度的变化情况，得到了不同区段火和烟气对人 构成威胁和对隧道结构造成破坏的情况。区域模拟采用多室模拟的c f a s t 软件，将隧道 分为2 1 段；场模拟采用f d s 软件，湍流模型采用大涡模拟模型：火源功率均取2 0 m w ， 为定常火源。 ( 1 0 ) 北京工业大学张娜等( 2 0 0 5 ) 使用商用c f d 计算软件c f x 5 5 对典型的拱形断面 隧道进行模拟计算，计算长度取2 0 0 m ，采用v h s 火源模型。模拟了热释放率分别为5 m w 、 1 0 m w 、2 0 m w 、5 0 m w ，发烟量分别为1 8 k g s 、2 7 k g s 、3 5 k g s 、5 2 k g s 及隧道壁面摩阻 系数取0 0 2 。隧道坡度从o 1 0 变化的临界风速的大小。并从模拟结果中推得了通用的 临界风速坡度修正系数。 ( 1 1 ) 刘红元等( 2 0 0 5 ) 利用c f d 软件p h o e n i c s 对地铁区间隧道火灾问题在不同通风 速度下进行了模拟计算和分析，得出了在不同通风速度下烟气流动规律和温度分布情 况。模拟计算长度取1 0 0 m ，将列车火源处理成稳态发热功率i o m w ( v h s 模型) ，烟气 散发率设为定值3 0 m 3 s 。模拟结果得到的烟气分布图和温度分布图几乎相同，通风速度 为2 5 m s 或更大时，烟气基本不再在隧道区域内积聚，随着j ) 吨流排出隧道区域外。 ( 1 2 ) 广州大学赵相相等( 2 0 0 5 ) 用c f d 软件模拟了1 0 m w 火灾规模下，6 0 0 m 长的广州 地铁二号线区间隧道的火灾烟气流动特性。采用浮力修j 下的k e 湍流模型，分析了火灾烟 气特性随火灾发展过程的变化情况瞬态模拟，得到了烟气特性变化曲线，针对不同的火 灾荷载，研究了临界风速随火灾强度的变化关系。 ( 1 3 ) 浙江大学陆晖( 2 0 0 5 ) 采用c f d 软件f l u e n t 对隧道内火灾时烟气运动规律、温 度场分靠、路面燃烧特性等进行了数值模拟研究。分析了不同风速、不同规模及不同火 源高度时隧道内温度分布，指出了隧道内污染物的分布规律。 ( 1 4 ) 支f j 敏等( 2 0 0 5 ) 应用火灾动力学模拟软件f d s 对某公路隧道内的火灾过程进行了 数值模拟，定量预测了不同工况条件下隧道内的烟气流动状况及温度分布，并在此基础 上对隧道通风方式、耐火性能以及火灾探测报警中的温度点漂移问题进行了讨论。模拟 中用简化的快速反应的混合分数模型来模拟火灾过程的燃烧反应，火灾规模为2 0 m w 。 ( 1 5 ) 西南交通大学谢宁等( 2 0 0 5 ) 用连续方程、动量方程、能量方程及气体组分方程 描述隧道内气流流动状态，采用考虑浮力影响的k e 湍流模型，对某实验隧道火灾进行三 维瞬态模拟分析，研究隧道火灾烟气特性和烟气的速度场及温度场发展规律。研究结果 表明，在横截面上先被加热的是拱顶，随着时间推移，高温烟气不断对其进行对流换热， 整个横截面温度逐渐升高，且分布发生变化，经过一定时间后分布形式基本确定，并向 稳态逼近：采用3 m s 的机械通风，隧道内没有出现烟气逆流层。 ( 1 6 ) 湖南科技大学成剑林等( 2 0 0 6 ) 利用c f d 软件f l u e n t 对1 0 0 m 长的隧道，火灾发 热量为5 m w 时的情况进行了模拟，火源采用e d c 涡耗散概念湍流燃烧模型。 ( 1 7 ) 张进华、杨高尚等( 2 0 0 6 ) 运用场模拟的方法，用商业c f d 软件p h o e n i c s 3 5 对雪峰山特长隧道进行了稳态和瞬态数值模拟，取隧道长3 0 0 m ，火源发热功率为2 0 m w ， 隧道壁面粗糙度0 0 1 ，壁面为绝热边界，研究了不同纵向通风速度下，该公路隧道火灾 烟气的浓度场、温度场等的蔓延规律。 ( 1 8 ) 同济大学姚坚( 2 0 0 7 ) 用f l u e n t 6 2 软件，建立t c f d 隧道火灾计算模型。合理地 设定热释放曲线，通过计算，细致地研究了上、下层隧道在不同通风速度和不同火灾规 模下的温度场分布变化规律( 最高温度、纵断面温度、水平断面温度、横断面的温度以 及它们随时间的变化) ，及火灾规模和通风速度的影响。提出了可以用于描述公路隧道 内火灾温度场纵向和横向分布的近似公式，以供防火设计参考。 综合分析可见，目前国内外对隧道火灾的数值模拟多侧重于隧道内温度场及烟气流 墨二兰笙堡 动情况的研究，而对沥青混凝土路面的温度场分布几乎没有涉及。由于温度对沥青材料 的燃烧特性有着最重要的影响，因此要确定沥青路面燃烧与否及燃烧程度就必须明确火 灾时路面的温度分布情况。另外，现有的数值模拟研究多是把隧道四壁做绝热处理，即 不考虑隧道四壁的传热及与高温烟气流的对流辐射换热。考虑到隧道壁面一般都加铺一 层绝热材料，这样的假设是合理的，但对于隧道沥青路面这种假设就明显不成立。本文 中就同时考虑了壁面传热、辐射及浮升力的影响，对火灾时隧道路面的温度场进行了数 值模拟研究。 1 4 2 阻燃剂的研究 一般阻燃剂按其化学成分可以分为有机阻燃剂和无机阻燃剂两大类。有机阻燃剂分 为磷系和卤系两个系列，前者在室温下多为液态，发烟量大，有毒性，要求被阻燃结构 中含有大量h 、0 元素才能脱水形成碳化层，因而其应用受到很大限制；卤系阻燃剂主要 包括氯和溴两大类，其中溴系阻燃剂使用更普遍，当前卤系阻燃剂仍占主导地位，但其 发烟量大，燃烧时释放出卤化氢气体，进而吸水形成具有强腐蚀性的氢卤酸而造成二次 公害。 无机阻燃剂主要品种有氢氧化铝、氢氧化镁、红磷、氧化锑、氧化铝、钥酸氨、硼 酸锌、氧化锌、氧化错、氢氧化错等，其中以氨氧化铝、氢氧化镁、红磷、氧化锑应用 最为广泛，尤其是氢氧化铝、氢氧化镁不仅可以起到阻燃作用，而且可以起到填充作用。 它们具有热稳定好、高效、抑烟、阻滴、填充安全、对环境基本无污染等特点，在无卤 阻燃材料中得到广泛的应用。 表1 1 世界部分国家和地区阻燃剂结构比例( ) 、国家 阻燃剂、 美国西欧日本中国 氯系阻燃剂 l o1 258 4 溴系阻燃剂 1 62 22 14 磷及卤化磷系阻燃剂 1 4 1 61 04 无机阻燃剂 6 05 06 48 由表1 1 可见，发达国家阻燃剂中无机阻燃剂占很大比重，且其所占份额有上升的 趋势。另外，欧盟已经宜布将从2 0 0 6 年7 月1 日起开始在电子产品中停止使用溴系阻 燃剂。所以目l j 高分子材料阻燃已趋向无卤化，对无卤阻燃剂的研究成为世界各国的热 点之一。我国阻燃剂工业发展极不平衡，氯系阻燃剂所占比例较重，为各阻燃剂之首， 其中氯化石蜡占垄断地位。但氯系阻燃剂起作用时释放出有毒气体，这不符合现代生活 所追求的无毒高效。 根据国内外的相关研究，可以总结出常用阻燃剂的阻燃机理如下： ( 1 ) 卤系阻燃剂：在受热时发生分解生成卤素离子，并进一步参与反应生成卤化氢， 卤化氢可与h o _ 和h 一等反应生成活性较低的x 一，抑制连锁反应的发生，可使燃烧延缓或 终止。另外，若生成的卤化氢较多，则可进一步稀释可燃气体，并覆盖在材料表面，阻 止氧气扩散到可燃气体中，从而使材料燃烧速度降低或自熄“1 。 ( 2 ) 磷系阻燃剂：无机磷系阻燃剂( 红磷及磷酸赫) 在燃烧时生成磷酸、偏磷酸和聚 偏磷酸等，它们能使聚合物炭化形成炭膜，聚偏磷酸则呈粘稠状液体覆盖于未燃材料的 表面，这种固态或液态膜既能阻止自由基逸出，又能隔绝氧气起到阻燃作用。有机磷系 查塑叁兰堡! ：兰竺堡兰 阻燃剂( 膦酸三甲酚酯、亚磷酸酯、膦酸脂等) 在燃烧时可与聚合物基体或者其分解产 物反应生成p o _ c 键，形成含磷的炭化保护层，或发生交联反应生成热稳定性好的多芳 结构的网状化合物，从而起到阻燃作用”b 】。 ( 3 ) 氮系阻燃剂：含氮阻燃剂的阻燃机理详细报道比较少，它受热分解出c 0 2 、n o z 、n ：、 n h 。、h ：o 等不燃气体，可以冲淡可燃气体，覆盖、环绕在聚合物周围，隔断聚合物与空 气中氧气的接触，同时氮气能捕捉高能自由基，抑制聚合物的持续燃烧达到阻燃目的。1 。 ( 4 ) 金属氢氧化物阻燃剂：以氢氧化铝和氢氧化镁为代表，氢氧化镁的分解温度为3 4 0 4 9 0 ，氢氧化铝的分解温度为2 0 0 3 0 0 ，分解后发生脱水反应并吸收大量热 量，降低了燃烧材料表面温度；脱水产生的大量水蒸气可以稀释可燃气体和氧气的浓度， 分解产生的氧化物沉积于聚合物表面起到隔热隔氧作用，同时达到抑烟效果。 ( 5 ) 可膨胀石墨体系：可膨胀石墨( e g ) 是近年来出现的一种新型无卤阻燃剂，有天 然石墨经化学处理而成，其阻燃机理为：在瞬| 日j 受到2 0 0 以上的高温时，由于吸留在 层型点阵中的化合物分解，石墨会沿着结构的轴线呈现数百倍的膨胀，并在1 1 0 0 时达 到最大体积，体积最大可以扩大2 8 0 倍，利用这一特性，在火灾发生时通过体积瞬i 日j 扩 大将火焰熄灭“。 1 4 3 阻燃沥青的研究 最早对阻燃沥青进行的研究是1 9 8 7 年w a i t e r s 和r o b e r tb 3 以及1 9 8 9 年j o l i t zrj 和k i r k dr “”发表的两篇美国专利“阻燃沥青共混料”，主要是以卤系和磷作为阻燃剂， 制备的阻燃沥青用于屋面阻燃油毡。其原理是借鉴了化工领域罩的有机材料阻燃技术， 通过添加阻燃剂来降低沥青的可燃性。在国内，原武汉工业大学有机材料研究所早在上 世纪9 0 年代就开始进行这方面的研究“3 “1 ，主要应用于沥青油毡、防水材料方面，其后 对于多数阻燃沥青的研究都是防水卷材和油毡。 对于道路用阻燃沥青的研究很少见到报道“”，中国专$ l j 9 5 1 1 7 0 2 6 0 公开了一种防火 的石油沥青油毡，它是在沥青中加入阻燃剂如磷酸铵、氢氧化镁和胶联剂( 二硫化四甲 基秋兰母) 制成，主要应用在屋顶作为防火材料，没有用到道路上。美国专利u s 4 6 5 9 3 8 l 公开了一种阻燃沥青混合料，它是通过在改性沥青中添加至少一种卤系阻燃剂和至少一 种含磷的无机化合物( 磷酸铵或红磷) 来达到防火阻燃的目的，然而红磷在摩擦碰撞时 易燃，而且抑烟效果也不明显，所以难以满足现代隧道阻燃路面的使用要求。 重庆交通科研设计院的陈辉强、陈仕周“等人利用s b s 改性沥青制备的阻燃剂沥 青，初步分析了沥