1 背景和意義

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，高速公路建設(shè)已經(jīng)成為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，為了縮小經(jīng)濟(jì)差距，拉動偏遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高速公路逐步從平原微丘區(qū)向山嶺重丘區(qū)延伸，由此產(chǎn)生了大量的隧道及隧道群，我國已成為世界上隧道最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國家。截止2012年底，我國公路隧道為10022處、805.27萬米，比上年末增加1500處、179.93萬米。其中，特長隧道441處、198.48萬米，長隧道1944處、330.44萬米。2007年~2012年我國公路隧道累計建設(shè)情況見表1.1、圖1.1所示。

表1.1 2007年至2011年我國公路隧道累計建成情況

年份（年） 隧道數(shù)（處）

隧道總數(shù) 特長隧道數(shù) 長隧道數(shù)

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年我國公路隧道累計建成總量是2007年的近一倍，其中特長隧道建成數(shù)目為2007年的4倍多，表明隨著我國高速公路的建設(shè)，長大隧道在公路建設(shè)中所占的比例越來越大。

我國長大隧道路面多采用水泥混凝土路面，水凝土路面剛度大、抗滑性能差、行車舒適性欠佳，近年來隨著高等級公路建設(shè)進(jìn)入新階段，隧道路面鋪裝從行車舒適性、抗滑性、降低噪聲等角度考慮，大量的長大隧道路面鋪裝開始采用瀝青混凝土路面。與水泥混凝土路面相比，瀝青混凝土路面具有無接縫、路面平整度良好、抗滑性能強(qiáng)、施工機(jī)械化程度高、維修方便等優(yōu)點。隧道與高速公路其他組成部分不同，其空間封閉狹長，交通事故頻發(fā)，一旦發(fā)生火災(zāi)，隧道內(nèi)部煙霧和溫度不易排出，能見度急劇下降，同時由于瀝青混合料中瀝青燃燒產(chǎn)生大量有害氣體，嚴(yán)重威脅到人員生命財產(chǎn)安全。國內(nèi)外部分隧道火災(zāi)事故統(tǒng)計表如表1.2所示[1,2]。

表1.2 國內(nèi)外部分隧道火災(zāi)事故統(tǒng)計

隧道名稱 時間 國家 火災(zāi)原因 損失

瓜達(dá)馬拉隧道 1975 西班牙 載貨汽車起火燒毀 損壞貨車一輛

都夫良野水下隧道 1977.5 日本 載貨汽車所載的木料過熱引起火災(zāi) 一輛載貨汽車燒毀

威爾森公路隧道 1978.8 荷蘭 車輛碰撞 死5人，傷5人，隨壞4輛小汽車

日本坂公路隧道 1979.7 日本 車輛碰撞 死7人，傷1人，隧道挺用2個月

勃朗峰隧道 1999.3 意法 載貨汽車失火 41人死亡，38輛汽車被燒毀

馬道嶺隧道 2001.11 中國 發(fā)動機(jī)起火 12死，6傷，1輛大客車燒毀

雨臺溫高速燕居嶺隧道 2003.7 中國 發(fā)動機(jī)起火 1輛大客車燒毀

西湟高速響河隧道 2006.5 中國 汽車追尾 死1人，傷4人

延塞高速三郎岔隧道 2007.11 中國 汽車追尾 3傷，1輛轎車燒毀

滬蓉西高速女郎山隧道 2008.4 中國 車輛碰撞 隧道通訊光纜燒毀，2輛車燒毀

京珠高速大寶山隧道 2008.5 中國 汽車追尾 2死，5傷，封閉維修1個月

由表1.2可知，隨著公路隧道大量建成通車的同時，隧道內(nèi)由交通事故引起的火災(zāi)風(fēng)險也不斷的增加，而我國公路隧道修建的歷史較短，經(jīng)驗尚淺，為了保障隧道的使用安全，隧道的防火救災(zāi)問題顯得尤為重要。

其次，隨著我國長大隧道公路的建設(shè)，車輛行駛造成的噪音對隧道環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，在隧道內(nèi)部，混響時間比隧道外高得多，據(jù)調(diào)查，長度大于1km的大型公路隧道，噪聲水平均在90dB（A）以上，交通噪聲和通風(fēng)機(jī)運作噪聲經(jīng)隧道避免多次反射，產(chǎn)生較大的噪聲值，對司機(jī)、乘客、檢修人員產(chǎn)生不適的影響。交通噪聲主要由車輛的傳動系統(tǒng)噪聲、動力系統(tǒng)噪聲和輪胎與路面間因泵浦效應(yīng)產(chǎn)生的路面噪聲組成，隨著車輛速度的變化，三類聲源對噪聲的貢獻(xiàn)有所不同。研究表明，當(dāng)汽車行駛速度大于50km/h時，路面噪音是小客車與輕型載重車噪音的主要部分；當(dāng)車速超過80km/h時，路面噪聲會超過其他噪聲源，成為汽車行駛噪聲的主要聲源[3]。

路面噪音產(chǎn)生的機(jī)理非常復(fù)雜，主要是由輪胎與路面相互作用過程產(chǎn)生的。要降低路面噪聲，一方面要研究輪胎花紋構(gòu)造，另一方面要優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)主要由輪胎與路面。由于從研究輪胎花紋構(gòu)造來降低噪音研究成本昂貴，降噪效果不明顯，因此從優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)出發(fā)來降低路面噪聲成為一種簡單有效的降噪手段。

目前我國國內(nèi)隧道瀝青路面施工時一般采用熱拌瀝青混合料進(jìn)行鋪裝，但瀝青混合料是一種感溫性材料，為了達(dá)到預(yù)期的瀝青路面使用性能，在生產(chǎn)瀝青混合料時，需要將瀝青加熱到145~170℃左右，礦料加熱到155~185℃，然后再將瀝青和礦料在高于160℃的高溫下進(jìn)行拌合，拌合后的瀝青混合料溫度不低于150℃，攤鋪和碾壓時的溫度不低于120℃[4]，對于改性瀝青混合料，需要更高的拌合與壓實溫度。在這個過程中不僅消耗了大量的能源，而且在瀝青混合料混合料的生產(chǎn)、拌合以及施工過程中會釋放大量的廢氣和粉塵，嚴(yán)重影響周圍環(huán)境質(zhì)量和施工人員的身體健康。隧道內(nèi)部在施工過程中通風(fēng)設(shè)施不完善，而熱拌瀝青混合料攤鋪溫度較高，在攤鋪過程中大量的有害氣體和熱量不能排除，導(dǎo)致隧道內(nèi)部施工環(huán)境惡劣。

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為我們交通出行的必備交通工具，因此汽車保有量呈急劇增長的趨勢，汽車尾氣造成的污染也不斷加劇。而長大隧道由于其相對封閉的內(nèi)部環(huán)境，公路隧道中大量汽車尾氣不能排出，這些尾氣當(dāng)中含有大量氣態(tài)相的一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、碳?xì)浠�合物（HC）等，還有部分固態(tài)相的鉛（Pb）、苊烯、芘、屈、熒蒽、苯并（a）蒽[5]等，隧道內(nèi)空氣污染物主要為一氧化氮（NO），它們的危害極大，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重堵車時，汽車尾氣不能及時排出，大量積累形成較高的尾氣濃度，當(dāng)濃度達(dá)到一定的濃度時，會致人昏迷，甚至死亡。尾氣形成的煙霧不僅影響駕駛員視線，而且和其他污染源有機(jī)物通過光化學(xué)反應(yīng)，直接污染隧道內(nèi)的設(shè)施；由于隧道內(nèi)部通風(fēng)較差，逐漸積累的尾氣在路面形成油漬，是路面抗滑性能下降，影響形成安全。

針對長大隧道公路瀝青路面的上述不利影響，本研究意在開發(fā)一種適用于長大隧路面的環(huán)保溫拌阻燃劑，并將其摻加入到OGFC瀝青混合料中，達(dá)到降低施工時煙塵污染，改善施工環(huán)境；降低噪音，提高行車舒適性；吸收隧道內(nèi)部車輛排出的尾氣，提高隧道內(nèi)部空氣質(zhì)量；提高火災(zāi)發(fā)生時隧道內(nèi)車輛和人員安全性等目的。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

阻燃劑是指能夠提高易燃或可燃物的難燃性、自熄性或消煙性的功能性助劑，對于防止火災(zāi)及保障人類社會安全至關(guān)重要。

自20世紀(jì)70年代以后，隨著人們對PE、PP等合成塑料的大量需求，聚合物阻燃技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，國外研究人員將聚合物材料的阻燃技術(shù)中所采用的阻燃產(chǎn)品引入到瀝青中，并研制了適合瀝青的阻燃劑，且形成了阻燃瀝青的生產(chǎn)技術(shù)，開發(fā)了多種路用阻燃劑。

1986年，日本Asahi RekisEi公司公開了一項難燃瀝青制備專利，雖然該阻燃劑阻燃效果顯著，但由于阻燃劑成分配比復(fù)雜、摻量大，且價格昂貴，因此其很難被人們所采用；該公司后來又推出強(qiáng)氧化鋁等無機(jī)阻燃劑，降低了生產(chǎn)成本，但是由于其氧指數(shù)提高不明顯，阻燃劑阻燃效果十分有限，在實際應(yīng)用中很難得到推廣[6]。

Walter于1987年公開的在防火油氈中摻加阻燃劑制成阻燃改性瀝青專利，該阻燃劑包括磷酸銨鹽、鹵素和紅磷或適量加入金屬氫氧化物等阻燃劑，將混合阻燃劑加入到已加熱至176℃的SBS改性瀝青中，再用高速攪拌器混合均勻，試樣試驗結(jié)果顯示此阻燃劑具有較好的阻燃性能，根據(jù)ASTM E-108標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了Class A級別[7]。

Jolitz于1989年公開的SBS阻燃改性瀝青專利技術(shù)，主要采用了有機(jī)溴檸檬酸鉀、胺類等具有協(xié)效作用的阻燃劑；1992年又進(jìn)一步公開了一項專利，采用硫酸銨和含硅聚合物作為阻燃劑，制備的阻燃瀝青在UL790條件下由UL測試，獲得了Class A級別[8]。

自20世紀(jì)90年代以后，隨著對阻燃瀝青產(chǎn)品需求的增長，對于阻燃瀝青的研究也取得了很大進(jìn)展，Hageman于1990年公開的將碳酸氫鈉加入到阻燃瀝青油氈而加速固化過程，發(fā)現(xiàn)再加入碳酸氫鈉的同時，增加了瀝青的阻燃性能，分析認(rèn)為是由于碳酸氫鈉在受熱時分解產(chǎn)生二氧化碳稀釋了周圍空氣中氧氣的濃度，從而致使火焰窒息達(dá)到阻燃的目的[9]。

Slusher于1996年公開的阻燃改性瀝青專利采用了膨脹型阻燃劑[10]，大量易燃聚合物中都開始采用膨脹型阻燃劑，因為在聚合物受熱燃燒時膨脹型阻燃劑能分解產(chǎn)生均勻的碳層泡沫層，此層隔熱、隔氧、抑煙，并能有效防止熔滴現(xiàn)象，因此具有良好的阻燃性能，采用膨脹型阻燃劑不僅可使材料達(dá)到一定的阻燃級別，而且可減少材料燃燒時放出的煙量及消除鹵化氫。

在2001年，Brown公開了采用鋁礬土、水鎂石等無機(jī)阻燃劑的阻燃瀝青專利技術(shù)，并根據(jù)錐形量熱儀測試結(jié)果，表明其阻燃效果比傳統(tǒng)無機(jī)阻燃劑氫氧化鋁更為優(yōu)異[11]。

1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對阻燃瀝青的研究相對國外起步較晚，1989年武漢工業(yè)大學(xué)吳國南《對阻燃油氈及阻燃瀝青流變學(xué)研究》的碩士論文對阻燃瀝青技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究。

2002年，重慶交通科研設(shè)計院的陳輝強(qiáng)等作對瀝青的阻燃性能及阻燃機(jī)理進(jìn)行了研究，他們采用了自由基捕捉劑和C13跟蹤原子對鹵素阻燃作用進(jìn)行了研究，采用瀝青氧指數(shù)對阻燃性能進(jìn)行測試；最終試驗結(jié)果表明，阻燃劑的摻入對SBS改性瀝青的性能影響較小，且有機(jī)阻燃劑是通過自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實現(xiàn)阻燃，無機(jī)阻燃劑主要通過分級吸熱達(dá)到阻燃作用[12]。

2005年，何唯平等公開了一項阻燃瀝青的科研成果，此技術(shù)指出阻燃瀝青在指標(biāo)過程中，“阻燃”和“抑煙”對于阻燃瀝青都同等重要。遼寧石油化工大學(xué)的郭進(jìn)寸等也進(jìn)行了阻燃技術(shù)的研究，試驗過程中對鹵阻燃劑在內(nèi)的多種阻燃材料進(jìn)行測試和對比，結(jié)果表明，阻燃瀝青中阻燃材料之間存在相互的協(xié)同作用，從試驗中發(fā)現(xiàn)氫氧化鋁具有良好抑煙性能和阻燃作用[13]。

2005年同濟(jì)大學(xué)楊群等針對水泥混凝土隧道路面的抗滑性不足、噪音低、接縫損壞以及排水困難等問題對阻燃多孔瀝青混合料進(jìn)行研究，由于開級配OGFC瀝青混合料相比密級配瀝青混合料具有較大空隙率，具有良好的透水性能，當(dāng)滲漏或傾倒在路面表面的可燃性液體經(jīng)過瀝青混合料的空隙排出，降低了可燃性液體的有效燃燒量，從而達(dá)到良好的防火效果且從其路用性能及路面使用性能提出了合適的空隙率[14]。

2006年，武漢理工大學(xué)的從培良等針對阻燃瀝青的流變特性進(jìn)行了研究，對阻燃瀝青采用了DSR和布氏粘度法進(jìn)行研究，并采用不同方法對試驗結(jié)果進(jìn)行了分析；結(jié)果表明，阻燃瀝青的彈性性能對溫度敏感性大于基質(zhì)瀝青，而老化后阻燃瀝青的流變性能對溫度敏感性下降，且粘度升高[15]。

2007年，東南大學(xué)的屈言賓等采用氫氧化鋁與氫氧化鎂作為阻燃劑對阻燃瀝青進(jìn)行了研究，考察了在不同阻燃劑摻量下阻燃劑對瀝青物理指標(biāo)（延度、針入度、軟化點）的影響；試驗中還采取了TG測量方法進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，在瀝青中摻加ATH和MH之后，降低了瀝青的熱分解溫度，氫氧化物的分解出結(jié)合水，同時吸收大量熱，不但可以降低材料在火焰中的溫度，還可以進(jìn)一步抑制可燃性氣體的分解，形成了隔離層，使瀝青的阻燃性能有了很大的改善，且具有一定的抑煙性[16]。

2008年武漢理工大學(xué)大學(xué)劉新權(quán)等提出以APP/PER和ATH為基礎(chǔ)的阻燃瀝青OGFC瀝青混合料，從阻燃瀝青及OGFC燃料逃逸理論出發(fā)對開級配阻燃瀝青混合料進(jìn)行了研究，從試驗結(jié)果中提出了APP/PER及ATH/MH阻燃體系的最佳摻配比例和最佳摻量，通過OGFC瀝青混合料燃燒試驗證明其具有良好的阻燃效果[17]。

2009年長安大學(xué)徐婷通過對鹵系阻燃體系、膨脹阻燃體系及膨脹無機(jī)阻燃體系阻燃機(jī)理進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明，鹵系阻燃劑具有良好的阻燃特性，但其在燃燒過程中產(chǎn)生大量的煙和有害氣體；膨脹型阻燃劑作為新型環(huán)保阻燃體系，在燃燒過程中具有良好的抑煙性，是新型阻燃劑發(fā)展的一種趨勢[18]。

2010年長安大學(xué)王春通過在不同溫拌劑中摻入膨脹型阻燃劑，研究了溫拌阻燃劑的阻燃效果，研究結(jié)果表明，在SBS改性瀝青中摻入阻燃劑后再加入Sasobit，會使瀝青的阻燃效果產(chǎn)生下降，但滿足隧道路面對阻燃瀝青的要求。溫拌阻燃瀝青混合料拌合和壓實溫度相比熱拌瀝青混合料較低，可減少溫室氣體排放，具有節(jié)能減排、綠色環(huán)保的優(yōu)勢；阻燃劑的摻入降低了溫拌阻燃瀝青混合料的水穩(wěn)定性，添加抗剝落劑可使其水穩(wěn)定性滿足規(guī)范要[19]。

3 研究方向

1、隧道瀝青路面環(huán)保溫拌阻燃材料性能研究

通過對環(huán)保溫拌膨脹型阻燃體系及環(huán)保溫拌無機(jī)阻燃體系進(jìn)行瀝青氧指數(shù)試驗，得出氧指數(shù)與阻燃劑摻量的關(guān)系，再通過阻燃劑對瀝青物理技術(shù)性能的影響，確定阻燃劑的最佳摻配比例及最佳摻量。

2、環(huán)保溫拌阻燃材料瀝青混合料性能研究

對研制的環(huán)保溫拌阻燃材料進(jìn)行各項路用性能試驗，并與不摻加環(huán)保溫拌阻燃材料的SBS改性瀝青混合料性能進(jìn)行比較，并進(jìn)行了燃燒性能分析，研究了環(huán)保溫拌阻燃瀝青對阻燃抑煙效果的影響。

3、隧道OGFC瀝青混合料技術(shù)性能研究

對15%、18%、20%、22%、24%五種不同空隙率下OGFC-13瀝青混合料進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、抗剪試驗及空隙率對路面性能影響分析，得出適合于隧道瀝青路面的空隙率和級配范圍。

4、環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益分析

對環(huán)保溫拌阻燃瀝青混合料進(jìn)行汽車尾氣吸收降解試驗，研究時間、級配對降解率的影響；通過計算得出環(huán)保溫拌阻燃瀝青混合料生產(chǎn)中相對熱拌瀝青混合料所減少的能源消耗。

5、試驗路的鋪筑

通過試驗路鋪筑來檢驗環(huán)保溫拌阻燃劑路面實際應(yīng)用情況，并提出環(huán)保溫拌阻燃瀝青混合料施工工藝，為后來隧道路面施工提供理論依據(jù)。