隧道阻燃路面探讨

　　1 背景和意义
　　随着我国经济的迅猛发展，高速公路建设已经成为国家经济发展的基础，为了缩小经济差距，拉动偏远地区经济发展，高速公路逐步从平原微丘区向山岭重丘区延伸，由此产生了大量的隧道及隧道群，我国已成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家。截止2012年底，我国公路隧道为10022处、805.27万米，比上年末增加1500处、179.93万米。其中，特长隧道441处、198.48万米，长隧道1944处、330.44万米。2007年~2012年我国公路隧道累计建设情况见表1.1、图1.1所示。
　　表1.1 2007年至2011年我国公路隧道累计建成情况
　　年份（年） 隧道数（处）
　　隧道总数 特长隧道数 长隧道数
　　2007 4673 83 607
　　2008 5426 120 743
　　2009 6139 190 905
　　2010 7384 265 1218
　　2011 8522 326 1504
　　2012 10022 441 1944
　　2012年我国公路隧道累计建成总量是2007年的近一倍，其中特长隧道建成数目为2007年的4倍多，表明随着我国高速公路的建设，长大隧道在公路建设中所占的比例越来越大。
　　我国长大隧道路面多采用水泥混凝土路面，水凝土路面刚度大、抗滑性能差、行车舒适性欠佳，近年来随着高等级公路建设进入新阶段，隧道路面铺装从行车舒适性、抗滑性、降低噪声等角度考虑，大量的长大隧道路面铺装开始采用沥青混凝土路面。与水泥混凝土路面相比，沥青混凝土路面具有无接缝、路面平整度良好、抗滑性能强、施工机械化程度高、维修方便等优点。隧道与高速公路其他组成部分不同，其空间封闭狭长，交通事故频发，一旦发生火灾，隧道内部烟雾和温度不易排出，能见度急剧下降，同时由于沥青混合料中沥青燃烧产生大量有害气体，严重威胁到人员生命财产安全。国内外部分隧道火灾事故统计表如表1.2所示[1,2]。
　　表1.2 国内外部分隧道火灾事故统计
　　隧道名称 时间 国家 火灾原因 损失
　　瓜达马拉隧道 1975 西班牙 载货汽车起火烧毁 损坏货车一辆
　　都夫良野水下隧道 1977.5 日本 载货汽车所载的木料过热引起火灾 一辆载货汽车烧毁
　　威尔森公路隧道 1978.8 荷兰 车辆碰撞 死5人，伤5人，随坏4辆小汽车
　　日本坂公路隧道 1979.7 日本 车辆碰撞 死7人，伤1人，隧道挺用2个月
　　勃朗峰隧道 1999.3 意法 载货汽车失火 41人死亡，38辆汽车被烧毁
　　马道岭隧道 2001.11 中国 发动机起火 12死，6伤，1辆大客车烧毁
　　雨台温高速燕居岭隧道 2003.7 中国 发动机起火 1辆大客车烧毁
　　西湟高速响河隧道 2006.5 中国 汽车追尾 死1人，伤4人
　　延塞高速三郎岔隧道 2007.11 中国 汽车追尾 3伤，1辆轿车烧毁
　　沪蓉西高速女郎山隧道 2008.4 中国 车辆碰撞 隧道通讯光缆烧毁，2辆车烧毁
　　京珠高速大宝山隧道 2008.5 中国 汽车追尾 2死，5伤，封闭维修1个月
　　由表1.2可知，随着公路隧道大量建成通车的同时，隧道内由交通事故引起的火灾风险也不断的增加，而我国公路隧道修建的历史较短，经验尚浅，为了保障隧道的使用安全，隧道的防火救灾问题显得尤为重要。
　　其次，随着我国长大隧道公路的建设，车辆行驶造成的噪音对隧道环境造成严重的污染，在隧道内部，混响时间比隧道外高得多，据调查，长度大于1km的大型公路隧道，噪声水平均在90dB（A）以上，交通噪声和通风机运作噪声经隧道避免多次反射，产生较大的噪声值，对司机、乘客、检修人员产生不适的影响。交通噪声主要由车辆的传动系统噪声、动力系统噪声和轮胎与路面间因泵浦效应产生的路面噪声组成，随着车辆速度的变化，三类声源对噪声的贡献有所不同。研究表明，当汽车行驶速度大于50km/h时，路面噪音是小客车与轻型载重车噪音的主要部分；当车速超过80km/h时，路面噪声会超过其他噪声源，成为汽车行驶噪声的主要声源[3]。
　　路面噪音产生的机理非常复杂，主要是由轮胎与路面相互作用过程产生的。要降低路面噪声，一方面要研究轮胎花纹构造，另一方面要优化路面结构主要由轮胎与路面。由于从研究轮胎花纹构造来降低噪音研究成本昂贵，降噪效果不明显，因此从优化路面结构出发来降低路面噪声成为一种简单有效的降噪手段。
　　目前我国国内隧道沥青路面施工时一般采用热拌沥青混合料进行铺装，但沥青混合料是一种感温性材料，为了达到预期的沥青路面使用性能，在生产沥青混合料时，需要将沥青加热到145~170 左右，矿料加热到155~185 ，然后再将沥青和矿料在高于160 的高温下进行拌合，拌合后的沥青混合料温度不低于150 ，摊铺和碾压时的温度不低于120 [4]，对于改性沥青混合料，需要更高的拌合与压实温度。在这个过程中不仅消耗了大量的能源，而且在沥青混合料混合料的生产、拌合以及施工过程中会释放大量的废气和粉尘，严重影响周围环境质量和施工人员的身体健康。隧道内部在施工过程中通风设施不完善，而热拌沥青混合料摊铺温度较高，在摊铺过程中大量的有害气体和热量不能排除，导致隧道内部施工环境恶劣。
　　伴随着我国经济的迅速发展，汽车已经成为我们交通出行的必备交通工具，因此汽车保有量呈急剧增长的趋势，汽车尾气造成的污染也不断加剧。而长大隧道由于其相对封闭的内部环境，公路隧道中大量汽车尾气不能排出，这些尾气当中含有大量气态相的一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、碳氢化合物（HC）等，还有部分固态相的铅（Pb）、苊烯、芘、屈、荧蒽、苯并（a）蒽[5]等，隧道内空气污染物主要为一氧化氮（NO），它们的危害极大，当隧道内发生严重堵车时，汽车尾气不能及时排出，大量积累形成较高的尾气浓度，当浓度达到一定的浓度时，会致人昏迷，甚至死亡。尾气形成的烟雾不仅影响驾驶员视线，而且和其他污染源有机物通过光化学反应，直接污染隧道内的设施；由于隧道内部通风较差，逐渐积累的尾气在路面形成油渍，是路面抗滑性能下降，影响形成安全。
　　针对长大隧道公路沥青路面的上述不利影响，本研究意在开发一种适用于长大隧路面的环保温拌阻燃剂，并将其掺加入到OGFC沥青混合料中，达到降低施工时烟尘污染，改善施工环境；降低噪音，提高行车舒适性；吸收隧道内部车辆排出的尾气，提高隧道内部空气质量；提高火灾发生时隧道内车辆和人员安全性等目的。
　　2 国内外研究现状
　　2.1 国外研究现状
　　阻燃剂是指能够提高易燃或可燃物的难燃性、自熄性或消烟性的功能性助剂，对于防止火灾及保障人类社会安全至关重要。
　　自20世纪70年代以后，随着人们对PE、PP等合成塑料的大量需求，聚合物阻燃技术得到了迅速的发展，国外研究人员将聚合物材料的阻燃技术中所采用的阻燃产品引入到沥青中，并研制了适合沥青的阻燃剂，且形成了阻燃沥青的生产技术，开发了多种路用阻燃剂。
　　1986年，日本Asahi RekisEi公司公开了一项难燃沥青制备专利，虽然该阻燃剂阻燃效果显著，但由于阻燃剂成分配比复杂、掺量大，且价格昂贵，因此其很难被人们所采用；该公司后来又推出强氧化铝等无机阻燃剂，降低了生产成本，但是由于其氧指数提高不明显，阻燃剂阻燃效果十分有限，在实际应用中很难得到推广[6]。
　　Walter于1987年公开的在防火油毡中掺加阻燃剂制成阻燃改性沥青专利，该阻燃剂包括磷酸铵盐、卤素和红磷或适量加入金属氢氧化物等阻燃剂，将混合阻燃剂加入到已加热至176 的SBS改性沥青中，再用高速搅拌器混合均匀，试样试验结果显示此阻燃剂具有较好的阻燃性能，根据ASTM E-108标准达到了Class A级别[7]。
　　Jolitz于1989年公开的SBS阻燃改性沥青专利技术，主要采用了有机溴柠檬酸钾、胺类等具有协效作用的阻燃剂；1992年又进一步公开了一项专利，采用硫酸铵和含硅聚合物作为阻燃剂，制备的阻燃沥青在UL790条件下由UL测试，获得了Class A级别[8]。
　　自20世纪90年代以后，随着对阻燃沥青产品需求的增长，对于阻燃沥青的研究也取得了很大进展，Hageman于1990年公开的将碳酸氢钠加入到阻燃沥青油毡而加速固化过程，发现再加入碳酸氢钠的同时，增加了沥青的阻燃性能，分析认为是由于碳酸氢钠在受热时分解产生二氧化碳稀释了周围空气中氧气的浓度，从而致使火焰窒息达到阻燃的目的[9]。
　　Slusher于1996年公开的阻燃改性沥青专利采用了膨胀型阻燃剂[10]，大量易燃聚合物中都开始采用膨胀型阻燃剂，因为在聚合物受热燃烧时膨胀型阻燃剂能分解产生均匀的碳层泡沫层，此层隔热、隔氧、抑烟，并能有效防止熔滴现象，因此具有良好的阻燃性能，采用膨胀型阻燃剂不仅可使材料达到一定的阻燃级别，而且可减少材料燃烧时放出的烟量及消除卤化氢。
　　在2001年，Brown公开了采用铝矾土、水镁石等无机阻燃剂的阻燃沥青专利技术，并根据锥形量热仪测试结果，表明其阻燃效果比传统无机阻燃剂氢氧化铝更为优异[11]。
　　1.2.2 国内研究现状
　　我国对阻燃沥青的研究相对国外起步较晚，1989年武汉工业大学吴国南《对阻燃油毡及阻燃沥青流变学研究》的硕士论文对阻燃沥青技术进行了相关的研究。
　　2002年，重庆交通科研设计院的陈辉强等作对沥青的阻燃性能及阻燃机理进行了研究，他们采用了自由基捕捉剂和C13跟踪原子对卤素阻燃作用进行了研究，采用沥青氧指数对阻燃性能进行测试；最终试验结果表明，阻燃剂的掺入对SBS改性沥青的性能影响较小，且有机阻燃剂是通过自由基链式反应实现阻燃，无机阻燃剂主要通过分级吸热达到阻燃作用[12]。
　　2005年，何唯平等公开了一项阻燃沥青的科研成果，此技术指出阻燃沥青在指标过程中，阻燃和抑烟对于阻燃沥青都同等重要。辽宁石油化工大学的郭进寸等也进行了阻燃技术的研究，试验过程中对卤阻燃剂在内的多种阻燃材料进行测试和对比，结果表明，阻燃沥青中阻燃材料之间存在相互的协同作用，从试验中发现氢氧化铝具有良好抑烟性能和阻燃作用[13]。
　　2005年同济大学杨群等针对水泥混凝土隧道路面的抗滑性不足、噪音低、接缝损坏以及排水困难等问题对阻燃多孔沥青混合料进行研究，由于开级配OGFC沥青混合料相比密级配沥青混合料具有较大空隙率，具有良好的透水性能，当渗漏或倾倒在路面表面的可燃性液体经过沥青混合料的空隙排出，降低了可燃性液体的有效燃烧量，从而达到良好的防火效果且从其路用性能及路面使用性能提出了合适的空隙率[14]。
　　2006年，武汉理工大学的从培良等针对阻燃沥青的流变特性进行了研究，对阻燃沥青采用了DSR和布氏粘度法进行研究，并采用不同方法对试验结果进行了分析；结果表明，阻燃沥青的弹性性能对温度敏感性大于基质沥青，而老化后阻燃沥青的流变性能对温度敏感性下降，且粘度升高[15]。
　　2007年，东南大学的屈言宾等采用氢氧化铝与氢氧化镁作为阻燃剂对阻燃沥青进行了研究，考察了在不同阻燃剂掺量下阻燃剂对沥青物理指标（延度、针入度、软化点）的影响；试验中还采取了TG测量方法进行分析，分析结果表明，在沥青中掺加ATH和MH之后，降低了沥青的热分解温度，氢氧化物的分解出结合水，同时吸收大量热，不但可以降低材料在火焰中的温度，还可以进一步抑制可燃性气体的分解，形成了隔离层，使沥青的阻燃性能有了很大的改善，且具有一定的抑烟性[16]。
　　2008年武汉理工大学大学刘新权等提出以APP/PER和ATH为基础的阻燃沥青OGFC沥青混合料，从阻燃沥青及OGFC燃料逃逸理论出发对开级配阻燃沥青混合料进行了研究，从试验结果中提出了APP/PER及ATH/MH阻燃体系的最佳掺配比例和最佳掺量，通过OGFC沥青混合料燃烧试验证明其具有良好的阻燃效果[17]。
　　2009年长安大学徐婷通过对卤系阻燃体系、膨胀阻燃体系及膨胀无机阻燃体系阻燃机理进行分析研究，结果表明，卤系阻燃剂具有良好的阻燃特性，但其在燃烧过程中产生大量的烟和有害气体；膨胀型阻燃剂作为新型环保阻燃体系，在燃烧过程中具有良好的抑烟性，是新型阻燃剂发展的一种趋势[18]。
　　2010年长安大学王春通过在不同温拌剂中掺入膨胀型阻燃剂，研究了温拌阻燃剂的阻燃效果，研究结果表明，在SBS改性沥青中掺入阻燃剂后再加入Sasobit，会使沥青的阻燃效果产生下降，但满足隧道路面对阻燃沥青的要求。温拌阻燃沥青混合料拌合和压实温度相比热拌沥青混合料较低，可减少温室气体排放，具有节能减排、绿色环保的优势；阻燃剂的掺入降低了温拌阻燃沥青混合料的水稳定性，添加抗剥落剂可使其水稳定性满足规范要[19]。
　　3 研究方向
　　1、隧道沥青路面环保温拌阻燃材料性能研究
　　通过对环保温拌膨胀型阻燃体系及环保温拌无机阻燃体系进行沥青氧指数试验，得出氧指数与阻燃剂掺量的关系，再通过阻燃剂对沥青物理技术性能的影响，确定阻燃剂的最佳掺配比例及最佳掺量。
　　2、环保温拌阻燃材料沥青混合料性能研究
　　对研制的环保温拌阻燃材料进行各项路用性能试验，并与不掺加环保温拌阻燃材料的SBS改性沥青混合料性能进行比较，并进行了燃烧性能分析，研究了环保温拌阻燃沥青对阻燃抑烟效果的影响。
　　3、隧道OGFC沥青混合料技术性能研究
　　对15%、18%、20%、22%、24%五种不同空隙率下OGFC-13沥青混合料进行高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗剪试验及空隙率对路面性能影响分析，得出适合于隧道沥青路面的空隙率和级配范围。
　　4、环境经济效益分析
　　对环保温拌阻燃沥青混合料进行汽车尾气吸收降解试验，研究时间、级配对降解率的影响；通过计算得出环保温拌阻燃沥青混合料生产中相对热拌沥青混合料所减少的能源消耗。
　　5、试验路的铺筑
　　通过试验路铺筑来检验环保温拌阻燃剂路面实际应用情况，并提出环保温拌阻燃沥青混合料施工工艺，为后来隧道路面施工提供理论依据。