極限氧指數(shù)儀/氧指數(shù)測試儀瀝青測試方法

我國西部地區(qū)山區(qū)國土面積大 ，修筑山區(qū)高等級公路必然要構(gòu)筑大量的橋隧結(jié)構(gòu)物 ，特別是山區(qū)高速公路 ，橋隧相連的路段占的比例更大。對于隧道路面 ，瀝青混凝土將逐漸成為發(fā)展的主流。從隧道安全角度而言，瀝青的阻燃性能至關(guān)重要。目前評價瀝青燃燒性能的指標(biāo)主要有閃點和燃點 ，這只是描述了瀝青能夠燃燒的條件 ，而不能說明瀝青在已經(jīng)著火燃燒的情況下持續(xù)燃燒的能力。 在化工等領(lǐng)域通常采用氧指數(shù)來定量描述材料的持續(xù)燃燒性能 ，并已有相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。 但是在瀝青材料方面 ，目前國內(nèi)外很少有相關(guān)文獻(xiàn)報道。本文嘗試借鑒國內(nèi)化工行業(yè)氧指數(shù)試驗方法來測試瀝青的燃燒性能 ，對瀝青的氧指數(shù)測試方法進(jìn)行一定的探討。

1 試驗設(shè)備和方法

1.1 參考的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

我國國標(biāo)關(guān)于氧指數(shù)的測試標(biāo)準(zhǔn)主要集中于塑料、玻璃纖維、橡膠、紡織品以及絕緣液體等。國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有: 美國國家標(biāo)準(zhǔn) [6 ]和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) [7 ]。各標(biāo)準(zhǔn)在試件制備、試驗條件以及試驗數(shù)據(jù)處理等方面稍有差異 ，但采用的原理和基本方法一致。都是在一定氧氮濃度下 ，點燃試樣 ，觀察燃燒現(xiàn)象 ，記錄持續(xù)燃燒時間或試樣燃燒量 ，再與規(guī)定值相比較 ，調(diào)整氧氮濃度得到試樣的氧指數(shù)。瀝青的燃燒性能與上述各種材料存在較大差異 ，不可能完全采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)測定。 在參考其他行業(yè)氧指數(shù)測試基本原理和測試方法的基礎(chǔ)上 ，通過試驗確定瀝青燃燒持續(xù)時間與各影響因素的相關(guān)關(guān)系 ，從而為瀝青氧指數(shù)測試方法提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1. 2 儀器設(shè)備

試驗儀器采用YZS-8A型氧指數(shù)儀。燃燒所用氣源為工業(yè)級氣體， O2和N2含量濃度均≥ 99. 5% ，符合 GB3863及 GB3864標(biāo)準(zhǔn)要求。計時器用秒表，精度 0.2 s。點火器材統(tǒng)一采用內(nèi)徑為 2 mm±1 mm的管子通以液化石油氣。 該液化石油氣的技術(shù)要求符合 GB11174— 89的要求。

1. 3 試驗方法

( 1)試驗原理：氧指數(shù)是指在規(guī)定的條件下，試樣在氧、氮混合氣流中維持平衡燃燒所需的較低氧濃度，以氧氣所占的體積百分?jǐn)?shù)表示，表示為 IO( ox yg en index ) ，部分文獻(xiàn)中也稱為極限氧指數(shù)，表示為 IO，L ( limit ox yg en index )。

( 2)瀝青燃燒臨界氧氣濃度測定。目前路用瀝青閃點一般較高 (遠(yuǎn)高于常溫 )，在常溫下 ，即使加大氧濃度，仍然難以點燃。在試驗中對于參考標(biāo)準(zhǔn)的點燃方法做一定的調(diào)整: 將瀝青試樣加熱到一定的溫度后 ，再點燃并測試相應(yīng)的氧氣濃度及燃燒時間。從燃燒試驗觀察 ，對于瀝青持續(xù)燃燒能力測試影響因素較多，本文主要從試樣燃燒前溫度、試樣量和燃燒時總氣流量 3個方面進(jìn)行比較。

2 影響因素分析

由于瀝青的性質(zhì)與一般紡織品、電子、電工產(chǎn)品差異較大，在借鑒其測試方法時，必須針對瀝青固有特性 (針對燃燒性能方面 )對試驗方法進(jìn)行調(diào)整 ，并找出影響瀝青持續(xù)燃燒能力測試的主要因素。 國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報道影響氧指數(shù)測試因素包括很多方面: 試樣燃燒前溫度、試樣量、燃燒時總氣流量、點火氣源、點火高度、燃燒氣源等。 經(jīng)過分析 ，對于瀝青氧指數(shù)測試主要考慮了前 3種因素。

2.1 試樣燃燒前加熱溫度

參考標(biāo)準(zhǔn)中通常規(guī)定試驗溫度為常溫。 由于瀝青閃點遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此規(guī)定溫度 (中、輕交通道路瀝青中較低閃點要求不小于180°C) ，所以在這樣的溫度條件下無法點燃瀝青 ，將氧濃度調(diào)至 60% ～ 80% 都不能夠燃燒。所以 ，必須將瀝青加熱到一定的溫度再進(jìn)行燃燒測試。

瀝青的比熱容與它的稠度、溫度有關(guān)。 在 0°C時 ，瀝青的比熱容為 1。 672× 10- 6～ 1。 7974×10- 6J/( kg· °C)。溫度每升高 1°C，瀝青的比熱容就增加1。 672× 10- 6～ 2。 058×10- 6J/( kg·°C)。在不同的溫度條件下燃燒 ，由于瀝青比熱的差異 ，燃燒所需要以及產(chǎn)生和傳遞的熱量就存在很大差異 ，相應(yīng)持續(xù)燃燒的時間就不一致 ，必然造成氧指數(shù)測定值的不同。 在其余條件相同的情況下 ，溫度越高 ，瀝青比熱就越大 ，持續(xù)燃燒的時間就可能越長。所以將試樣燃燒前的加熱溫度作為試驗比較的靠前個影響因素。 將其他測試條件固定 (包括試樣量、氧氣濃度以及總氣流量等 ) ，在燃燒前將試樣加熱到不同的溫度 ，測試其持續(xù)燃燒時間。

2.2 試樣量

試樣量的不同決定了燃燒時吸 (放 )熱量的不同 ，也可能影響瀝青持續(xù)燃燒性能。為測試試樣量對燃燒持續(xù)時間的影響 ，將試驗燃燒前加熱溫度固定 ，總氣流量以及氧氣濃度固定 ，測試不同試樣量與燃燒時間的相關(guān)關(guān)系。

2.3 總氣流量

在燃燒過程中，煙 (氣)流的速度對熱量的傳遞影響較大。氣流速度快 ，可能導(dǎo)致熱量傳播方向產(chǎn)生逆流向，影響持續(xù)燃燒時間;同時熱量傳遞速度增快 ，試樣內(nèi)部的熱量不足以維持繼續(xù)燃燒。因此，在固定試樣量和加熱溫度后，采用相同或近似的氧氣濃度，變化總的氣流量 ，測試總氣流量對燃燒時間的影響。

3 結(jié)果與討論

3. 1 不同試樣溫度對測定的影響

為了測試溫度對試驗結(jié)果的影響 ，采用試樣量固定為 30 g ，氧氣濃度為 19.35% ，流量為 9. 3 L /min。在低于瀝青閃點附近以 10°C級差的初始溫度值點燃進(jìn)行測試 ，測試溫度從 240°C～ 300°C。測試結(jié)果。

由圖 1可知，在固定試樣量、氧氣濃度以及總氣流量的條件下 ，試樣溫度 T 與燃燒時間 t有很好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0. 95。試驗發(fā)現(xiàn)，在其他條件相同情況下，試件燃燒前加熱溫度越高，在該氧氣濃度下其持續(xù)燃燒時間越長。按照氧指數(shù)測試方法規(guī)定 ，可以推斷測試的氧指數(shù)也越低。 一般當(dāng)檢測試樣的氧指數(shù)值IO≤ 21時判定該試樣為易燃物體，但是對于瀝青由于溫度對測試數(shù)值影響較大，所以不能簡單根據(jù) IO 值進(jìn)行判定。必須根據(jù)相同溫度條件進(jìn)行比較，或者在給出IO 值時附加溫度條件標(biāo)記予以說明。

3.2 不同試樣量對測定的影響

為測試瀝青的試樣量對燃燒時間的影響關(guān)系。試驗中采用 5 g的級差 (其余試驗條件相同 ，試樣燃燒前溫度為 280°C，氧氣濃度 19.35% ，氣流量 12.4L /min) ，取樣范圍從 20 g到 40 g來測試試樣量 m對燃燒時間的影響。

從目前試驗結(jié)果來看 ，試樣量的差異對測定結(jié)果有一定的影響 ，但是影響程度不大?？赡艿脑蚴侨紵龝r試樣的有效燃燒面積和氧接觸面積對燃燒有影響。

3.3 不同流量對測定的影響

為測試總氣流量對測試結(jié)果的影響。 采用燃燒前加熱溫度 280°C、試樣量 20 g ，在同氧氣濃度或相近的氧氣濃度條件下 ，測試不同總流量Q對結(jié)果的影響。 結(jié)果如表2所示 ，h為氧氣濃度。從試驗結(jié)果來看 ，當(dāng)氧氣濃度相同 ( 19.35% )時 ，氣流量 相差 3.1 L /min 時，燃燒時間相 差87.5 s;在氧氣濃度接近 ( 18. 8% 和 18. 6% )時 ，氣流量相差 3.1 L /min時 ，燃燒時間相差 44 s。 可以看出，氣流量對燃燒時間影響較大 ，從而也影響氧指數(shù)的測定。 基本規(guī)律是氣流量與燃燒時間成負(fù)相關(guān)關(guān)系。 所以在測試時應(yīng)該將總的氣流量控制在某一范圍之內(nèi)來調(diào)整氧濃度。 這就要求測試儀器能夠提供較高的流量控制精度。

4 結(jié) 論

通過本次試驗研究 ，得出如下幾點初步結(jié)論:

( 1)瀝青的持續(xù)燃燒能力可以通過氧指數(shù)評價 ，但必須給出相對應(yīng)的對比參數(shù)或者制定相應(yīng)的試驗規(guī)程，以利于比較評價。

( 2)對目前測定有關(guān)儀器設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和修改非常必要。制造適合于瀝青氧指數(shù)測試的檢測儀器 ，為瀝青氧指數(shù)評價提供必要的試驗檢測設(shè)備。