陳舒

福建省消防總隊(duì)福州市消防支隊(duì)

建筑塑料管材火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

陳舒

福建省消防總隊(duì)福州市消防支隊(duì)

本文利用水平垂直燃燒測(cè)定儀、氧指數(shù)測(cè)定儀、煙密度測(cè)試儀、錐形量熱儀，對(duì)建筑中常用的硬聚氯乙烯管（PVC-U）、交聯(lián)聚乙烯管（PEX）、鋁塑復(fù)合管（PAP）、聚丙烯管（PP-R）、聚丁烯管（PB）等5種塑料管材的燃燒性能進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明在熱輻射強(qiáng)度35kW/m2下，PVC-U的熱釋放速率峰值和總釋熱量是五種塑料管材中最小的，但CO的產(chǎn)率是最高的。煙密度測(cè)試結(jié)果表明PVC-U的產(chǎn)煙量是最大的；LOI和水平垂直燃燒測(cè)試表明PVC-U的氧指數(shù)最高，水平燃燒屬于FH-1級(jí)別，垂直燃燒屬于FV-0級(jí)別。

塑料管材；火災(zāi)危險(xiǎn)性；燃燒性能

引言

國(guó)內(nèi)塑料管材的發(fā)展始于二十世紀(jì)八十年代中期，塑料管道因其具有耐腐蝕性、抗老化、質(zhì)量輕、水流阻力小、施工便捷、工程造價(jià)低等特點(diǎn)，在管道工程中占據(jù)著重要的位置，形成了一種勢(shì)不可擋的發(fā)展趨勢(shì)，但卻存在著很多火災(zāi)危險(xiǎn)性。一方面，塑料管材遇火時(shí)會(huì)因樹(shù)脂熔融而滴落，很容易造成火災(zāi)的蔓延；另一方面，管道的通路也會(huì)成為火災(zāi)、煙氣傳播擴(kuò)散的通道，導(dǎo)致火災(zāi)的蔓延擴(kuò)大，而且塑料燃燒后產(chǎn)生很多有毒氣體，這些煙氣可以使人窒息、中毒，給人們?cè)斐苫艁y，給被困人員和救援人員造成嚴(yán)重威脅。

1 建筑塑料管材燃燒性能測(cè)定

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

表1 選用管材指標(biāo)

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 錐形量熱儀法。錐形量熱儀采用耗氧原理測(cè)量材料的熱釋放速率，所謂耗氧原理就是材料燃燒時(shí)消耗每一單位的氧氣所釋放的熱量基本是相同的。應(yīng)用CONE可以得到燃燒試樣的多個(gè)性能參數(shù)，如熱釋放速率（HRR）、質(zhì)量損失速率（MLR）、總釋放熱（THR）、一氧化碳生成量（CO）、二氧化碳生成量（CO2）等參數(shù)。

1.2.2 氧指數(shù)測(cè)定法。物質(zhì)燃燒時(shí)，需要消耗大量的氧氣，不同的可燃物通過(guò)對(duì)物質(zhì)燃燒過(guò)程中消耗最低氧氣量的測(cè)定，計(jì)算出物質(zhì)的氧指數(shù)值，可以評(píng)價(jià)物質(zhì)的燃燒性能。所謂氧指數(shù)（Oxygen Index），是指在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下，試樣在氧氮混合氣流中，維持平穩(wěn)燃燒（即進(jìn)行有焰燃燒）所需的最低氧濃度，以氧所占的體積百分?jǐn)?shù)的數(shù)值表示（即在該物質(zhì)引燃后，能保持燃燒50mm長(zhǎng)或燃燒時(shí)間3min時(shí)所需的氧、氮混合氣體中最低氧的體積百分比濃度）。

1.2.3 水平垂直燃燒性能測(cè)定法。水平垂直燃燒的原理就是水平或垂直地夾住試樣的一端，對(duì)試樣自由端施加規(guī)定的氣體火焰，通過(guò)測(cè)量線燃燒速度（水平法）或有焰燃燒及無(wú)焰燃燒時(shí)間（垂直法）等來(lái)評(píng)價(jià)試樣的燃燒性能。通過(guò)水平法實(shí)驗(yàn)，可測(cè)定材料的最大燃燒長(zhǎng)度或燃燒速度及其它燃燒現(xiàn)象；通過(guò)垂直法實(shí)驗(yàn)，可將材料按燃燒性能進(jìn)行分級(jí)。

1.2.4 煙密度測(cè)定法。建材在燃燒或分解時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣，這些煙氣對(duì)可見(jiàn)光有吸收和散射作用，通過(guò)觀察光的透過(guò)率變化可以了解煙氣量的多少。比光密度是指將試樣置于一定容積的實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，在試樣因燃燒而產(chǎn)生煙霧的過(guò)程中，測(cè)量穿過(guò)煙霧的平行光束的透過(guò)率變化，計(jì)算出在規(guī)定試樣面積、光程長(zhǎng)度下相應(yīng)的光密度。那么最大的比光密度就是煙密度。但要說(shuō)明的是，它僅用于評(píng)定在規(guī)定條件下建材的發(fā)煙性能，不能作為評(píng)定實(shí)際使用條件下發(fā)煙危害性的依據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 建筑塑料管材的LOI及水平垂直燃燒分析

用極限氧指數(shù)和水平垂直燃燒測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可以看出PVC-U的氧指數(shù)為33.8，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他幾種管材，屬于難燃材料；PEX、PP-R、PB的氧指數(shù)都是17.8，屬于易燃材料，在空氣中都能很快的燃燒；PAP的氧指數(shù)為22.4，比PEX、PP-R、PB的要高些，在空氣中也能很快的燃燒，屬于易燃材料。從表中可以看出，水平燃燒實(shí)驗(yàn)除了PVC-U屬于FH-1級(jí)別外，其他的幾種管材都屬于FH-3級(jí)別，并且燃燒速度也差不多。垂直燃燒極限除了PVC-U屬于FV-0級(jí)別外，其它的幾種管材都燃燒劇烈，不適合用垂直燃燒法來(lái)測(cè)定它們的燃燒性能。

表3 幾種塑料管材的氧指數(shù)和水平垂直燃燒性能

2.2 建筑塑料管材的煙密度性能測(cè)試

根據(jù)三個(gè)平行試件在每隔15s所測(cè)得光吸收率求出平均值，作圖作出光吸收率平均值與試驗(yàn)時(shí)間關(guān)系的曲線。曲線最高的光吸收率讀數(shù)為最大煙密度值（MSD）；曲線下所圍成的面積表示試件總的產(chǎn)煙量；縱橫坐標(biāo)端點(diǎn)代表的長(zhǎng)度值相乘再除曲線下所圍成的面積后乘以一百，定義為試件的煙密度等級(jí)（SDR）。圖1表示這幾種建筑塑料管材的煙密度（Ds）曲線，由圖中可以看出出現(xiàn)峰值的時(shí)間按PVC-U、PAP、PEX、PB、PP-R的順序延后；出現(xiàn)的峰值按照PVC-U、PB、PP-R、PAP、PEX的順序依次遞減。表4中列出了幾種建筑塑料管材的最大煙密度值及煙密度等級(jí)，可以看出MSD和SDR都是按照PVC-U、PB、PP-R、PAP、PEX的順序遞減。綜合上述可知道PVC-U的煙氣最大值最大且出現(xiàn)的時(shí)間最快，煙氣的總量也最多，所以PVC-U的煙氣危害最大，而PEX的煙氣總量及出現(xiàn)的時(shí)間以及最大值都很小，它的煙氣危害性最小。

圖1 幾種建筑塑料管材的Ds曲線

表4 幾種塑料管材的煙密度測(cè)試結(jié)果

2.3 相同熱輻射強(qiáng)度下幾種建筑塑料管材的錐形量熱儀測(cè)試參數(shù)分析

測(cè)試中選取熱輻射強(qiáng)度為35kW/m2。

2.3.1 不同建筑塑料管材的熱釋放速率比較

圖2表示這幾種塑料管材的HRR曲線，可以看出PEX和PB出現(xiàn)了比較尖的峰值，而PVC-U、PP-R、PAP的峰值都比較平緩，中間出現(xiàn)了一個(gè)HRR基本不變的階段，此時(shí)的燃燒比較穩(wěn)定。最大峰值以PP-R、PB、PEX、PAP、PVC-U的順序呈下降趨勢(shì)，PP-R的峰值熱釋放速率為345kW/m2且這個(gè)峰值階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，平均熱釋放速率為176.025 kW/m2，在幾種建筑塑料管材中最大。出現(xiàn)的時(shí)間以PVC-U、PB、PEX、PP-R、PAP的順序逐漸增大，PVC-U在135s時(shí)最早出現(xiàn)峰值，說(shuō)明PVC-U容易燃燒。而PAP的峰值較小，且出現(xiàn)時(shí)間很晚，因此PAP的火災(zāi)危險(xiǎn)性相對(duì)較小，雖然PVC-U出現(xiàn)的峰值最早，對(duì)于初期火災(zāi)，火災(zāi)危險(xiǎn)性較大，但由于其峰值階段相對(duì)較小，所以火災(zāi)危險(xiǎn)性較小。

表5顯示的是幾種建筑用塑料管材的平均熱釋放速率和峰值熱釋放速率，可以看出PP-R的峰值熱釋放速率為346.22 kW·m-2，平均熱釋放速率為176.03 kW·m-2，說(shuō)明其火災(zāi)危險(xiǎn)性最大。

圖2 35kWm2時(shí)的HRR曲線

表5 幾種塑料管材的平均熱釋放速率和峰值熱釋放速率

2.3.2 不同建筑塑料管材的總釋放熱比較

材料在燃燒時(shí)釋放的熱量越大，說(shuō)明材料在火災(zāi)中的危險(xiǎn)性也就越大。圖3表示幾種建筑塑料管材的THR曲線，可以看出PP-R的總釋放熱最大，為102.10 MJ/m2，在650s時(shí)總釋放熱達(dá)到最大值，其火災(zāi)危險(xiǎn)性也最大。PAP的THR曲線出現(xiàn)的最晚，其最大總釋放熱為56.97 MJ/m2，出現(xiàn)的時(shí)間為860s，其潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)性也較小。PVC-U的最大總釋放熱為40.63 MJ/m2，是幾種塑料管材中最小的，出現(xiàn)的時(shí)間為535s，其火災(zāi)危險(xiǎn)性也較小。表6列出了幾種建筑塑料管材的總釋放熱。

圖3 35kWm2時(shí)的THR曲線

（4）PAP的點(diǎn)燃時(shí)間是最長(zhǎng)的，引燃的危險(xiǎn)性最小，PVC-U的引燃時(shí)間是最短的。

（5）LOI和水平垂直燃燒測(cè)試表明：PVC-U的氧指數(shù)為33.8，水平燃燒結(jié)果為FH-1燃燒級(jí)別，垂直燃燒結(jié)果為FV-0燃燒級(jí)別。其它的幾種管材氧指數(shù)都在18左右，屬于易燃材料，水平燃燒性能都屬于FH-3級(jí)別，不適合垂直燃燒法測(cè)定這幾種管材的燃燒性能。

（6）PVC-U的產(chǎn)煙量是最大的，且出現(xiàn)峰值是最早的，PEX的產(chǎn)煙總量是最低的，出現(xiàn)峰值的時(shí)間都較晚，所以PEX煙氣危害是相對(duì)最小的。

（7）綜上，PEX的火災(zāi)危險(xiǎn)性是這幾種塑料管材中最小的。

表6 幾種塑料管材的總釋放熱（MJ/m2）

2.3.3 不同建筑塑料管材的CO/CO2產(chǎn)率比較

表7表示幾種塑料管材的CO/CO2產(chǎn)率，可以看出PVC-U的CO的產(chǎn)率是最高的，PEX的CO產(chǎn)率是最小的，PB的CO2的產(chǎn)率是最高的，PEX得CO2產(chǎn)率是幾種塑料管材中最少的。2

表7 幾種塑料管材的CO/CO產(chǎn)率（平均值）

2.3.4 不同建筑塑料管材的點(diǎn)燃時(shí)間比較

點(diǎn)燃時(shí)間越短的塑料管材，火災(zāi)危險(xiǎn)性一般越大。表8列出了幾種塑料管材的引燃時(shí)間，可以看出PAP的引燃時(shí)間為300s要明顯高于其它管材，從點(diǎn)燃的角度來(lái)看PAP是比較安全的。點(diǎn)燃時(shí)間按照PAP、PEX、PP-R、PB、PVC-U的順序縮短，PVC-U的引燃時(shí)間為35s，是最短的。

表8 幾種塑料管材的引燃時(shí)間（s）

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用氧指數(shù)測(cè)定儀、建材煙密度測(cè)試儀、水平垂直燃燒測(cè)定儀和錐形量熱儀對(duì)選用建筑塑料管材進(jìn)行測(cè)試，所得到的數(shù)據(jù)和參數(shù)來(lái)綜合評(píng)價(jià)其火災(zāi)危險(xiǎn)性，主要結(jié)論如下：

（1）在相同熱輻射強(qiáng)度下，PVC-U的熱釋放速率相對(duì)較小，火災(zāi)危險(xiǎn)性相對(duì)于其它塑料管材較小。PP-R的熱釋放速率較大，并且峰值階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，火災(zāi)危險(xiǎn)性相對(duì)其它塑料管材大。

（2）PP-R的總釋放熱要明顯比其它的塑料管材要大，它的火災(zāi)危險(xiǎn)性要相對(duì)較高，PVC-U的總釋放熱最小，所以它的火災(zāi)危險(xiǎn)性相對(duì)較小。

（3）PEX的CO產(chǎn)率和CO2產(chǎn)率都是幾種建筑塑料管材中最小的。PVC-U的一氧化碳產(chǎn)率在幾種管材中是最高的，其潛在的毒性相對(duì)較大。