沥青燃烧全相态物质变迁规律及靶向型阻燃体系构建

Asphalt concrete has been widely used in road tunnels. However, asphalt materials are flammable, the fire safety of asphalt has caused great concern. The complexity of asphalt compositions brings the difficulties in flame retardancy and smoke suppression. In this study, the key scientific problems including: the mechanism of gaseous products released in pyrolysis and composition transformation of condensed phase during combustion will be investigated from the sight of asphalt’s chemical structure. The all phase combustion characteristics of asphalt combustion will be investigated systematically by building the pyrolysis network model and dynamically analyzing the chemical structure of condensed phase. Targeting relationships between chemical structure and flame-retardant design will be established with the link of combustion characteristics of asphalt in both gas and condensed phase. A designable targeted asphalt flame-retardant system will be proposed to overcome the limitations of extensibility of traditional flame-retardant synergy. At last, the system will be optimized by the pavement performance analysis. The research can not only complete the understanding of combustion mechanism of asphalt binder, but also provide a scientific basis for guiding the quantitative design of flame retardant asphalt.

沥青作为隧道路面的重要铺装材料，由于具有易燃性，其火灾安全性备受关注。针对沥青组成复杂性带来的阻燃抑烟难题，本研究引入沥青化学结构分析视角，从热解气态产物释放机制与燃烧过程凝聚相演化特性两大关键科学问题出发，通过热解网络模型构建和凝聚相化学结构动态分析，系统获取沥青的全相态燃烧特性；并以气相和凝聚相的燃烧特性为纽带，构建起化学结构和阻燃设计间的靶向关系，从而突破传统阻燃复配协同外延性不明的局限，提出具有可设计性的靶向型沥青阻燃体系，并结合路用性能分析对该体系进行优化。研究不仅可完善对沥青燃烧机理的认识，也为指导沥青阻燃定量化设计奠定理论基础。

沥青作为隧道路面的重要铺装材料，具有易燃性，其火灾安全性备受关注。针对沥青组成复杂性带来的阻燃抑烟难题，本研究引入沥青化学结构分析视角，研究了不同升温速率和氧浓度下沥青燃烧的失重过程，得到了沥青燃烧过程中气态产物的析出规律，构建了反应动力学模型，并利用红外光谱仪对沥青热解燃烧过程中凝聚相残留物的官能团演变规律进行了分析。以气相和凝聚相的燃烧特性为纽带，研究了沥青化学结构和阻燃设计间的靶向关系，探讨了层状双金属氢氧化物LDHs的阻燃机理，构建了一套靶向型沥青阻燃体系，并分析了阻燃剂对路用性能的影响。研究主要结论如下：.（1）沥青燃烧主要包括有氧热解和重质组分燃烧两个阶段。有氧热解阶段，饱和分、芳香分和胶质热解对温度的敏感性逐渐降低，活化能逐渐增大。重质组分燃烧阶段相比胶质有氧热解，最大失重速率及红外光谱吸收峰强度随升温速率变化不大。芳香分和胶质在沥青燃烧失重的第一和第二阶段均占有最大的比重，抑制两者的燃烧对整个沥青燃烧过程控制与烟气释放的抑制都极为关键。.（2）当氧气浓度低于15%时，沥青燃烧各阶段的失重率开始降低，有氧热解阶段的失重比例增加。在有氧热解阶段，低氧浓度主要抑制脱氢反应，从而抑制大分子和沥青质等重组分的完全氧化和裂解，这种抑制作用会在碳化层中产生更多的脂肪族化合物；在重组分燃烧阶段，氧气浓度低会抑制有氧阶段生成的芳烃、酯和其他化合物的完全燃烧，更多的组分被转化为短链烷烃、烯醚、硫醚和脂肪族磺酸，并以残留物的形式存在。.（3）LDHs在低添量（2wt%）时，对沥青的阻燃作用主要通过层状阻隔抑制轻质组分挥发以及提升表面碳层的完整性、抗氧化性和致密性实现；高掺量（25wt%）时，阻燃机理则主要表现为稀释作用，对碳层致密性的提升作用下降。氢氧化铝和硼酸锌复配阻燃剂可以针对沥青燃烧气态产物的析出和凝聚相成碳靶点起到协同阻燃作用，在延迟沥青点燃时间，降低燃烧热释放速率和总发烟量方面均表现出了较好的效果。