亓延軍，程旭東，許 磊，張和平＊

（1.山東消防總隊(duì)，濟(jì)南，250101；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥，230026）

常用聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)的點(diǎn)燃特性研究

亓延軍1，2，程旭東2，許 磊2，張和平2＊

（1.山東消防總隊(duì)，濟(jì)南，250101；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥，230026）

基于錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)，對(duì)常用的聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)的點(diǎn)燃特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。所研究的系統(tǒng)種類包括粘貼保溫板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)，瓷磚飾面粘貼保溫板外墻外保溫系統(tǒng)，膠粉漿料復(fù)合保溫板外墻外保溫系統(tǒng)和保溫裝飾板外墻外保溫系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，聚氨酯硬泡保溫板和聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)都可由熱厚型點(diǎn)燃描述。在防護(hù)層對(duì)點(diǎn)燃時(shí)間的抑制效果方面，膠粉聚苯顆粒復(fù)合保溫板系統(tǒng)最好，瓷磚飾面系統(tǒng)稍差但明顯好于5mm和3mm厚防護(hù)層的薄抹灰系統(tǒng)，鋁板保溫裝飾板系統(tǒng)最差。

聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)；錐形量熱儀；防護(hù)層；點(diǎn)燃特性

0 引言

節(jié)能減排政策的實(shí)施，促進(jìn)了外墻外保溫技術(shù)迅速地應(yīng)用與普及，一方面建筑節(jié)能效果顯著提高，而另一方面與之配套的消防安全法規(guī)卻相對(duì)滯后，大量可燃、易燃的外墻保溫材料被應(yīng)用于大型公用建筑和高層建筑，導(dǎo)致火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，不僅嚴(yán)重威脅了人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，也不乏規(guī)模較大的火災(zāi)造成負(fù)面的社會(huì)影響。為此，公安部消防局65號(hào)文嚴(yán)格限制可燃材料在新建建筑中的應(yīng)用，然而其對(duì)已安裝的有機(jī)外墻外保溫系統(tǒng)卻沒(méi)有相應(yīng)要求。外墻保溫系統(tǒng)是包含了粘結(jié)層、保溫材料層、抹面層和飾面層等的一套體系。因?yàn)橛胁豢扇挤雷o(hù)層的保護(hù)，可燃的保溫材料并不會(huì)直接曝露于火災(zāi)環(huán)境中，所以這種體系被認(rèn)為具有較好的防火效果，然而這種說(shuō)法卻缺少實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。在高強(qiáng)度熱流沖擊下，體系內(nèi)的可燃保溫材料很可能被點(diǎn)燃，由此帶來(lái)的潛在火災(zāi)隱患不容忽視。

本文基于國(guó)際上常用的錐形量熱計(jì)測(cè)試［1，2］，以目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)比較常用的聚氨酯硬泡（RPUF）外墻外保溫系統(tǒng)為對(duì)象，對(duì)其點(diǎn)燃特性進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的調(diào)研，還未見(jiàn)有機(jī)外墻外保溫系統(tǒng)火災(zāi)相關(guān)的研究成果發(fā)表。

1 實(shí)驗(yàn)描述

1.1 保溫系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)構(gòu)造特點(diǎn)，可將外墻外保溫系統(tǒng)的構(gòu)成分成三部分：第一部分為基層墻體，包括水泥砂漿和混凝土外墻。由于錐形量熱儀對(duì)樣品厚度的限制，本文不考慮基層墻體的構(gòu)造。第二部分是保溫層，本文僅考慮RPUF保溫層情況。RPUF保溫材料密度45.6kg／m3，為阻燃型，阻燃劑為磷酸三（1-氯－乙丙基）酯（TCPP）。第三部分是防護(hù)層，也即由抹面層和飾面層共同組成的對(duì)保溫板起保護(hù)作用的面層。綜合考慮系統(tǒng)的構(gòu)造特點(diǎn)，本文主要研究以下幾類外墻外保溫系統(tǒng)：

（1）粘貼保溫板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)

系統(tǒng)組成及做法可參考文獻(xiàn)［3］。用于錐形量熱儀測(cè)試的薄抹灰系統(tǒng)構(gòu)成包括保溫板，抹面層（內(nèi)鋪滿玻纖網(wǎng)）和飾面層。薄抹灰系統(tǒng)抹面層的厚度一般有兩種規(guī)格，普通型厚3mm-5mm，加強(qiáng)型厚5mm-7mm。為了比較薄抹灰系統(tǒng)防護(hù)層的厚度對(duì)防火性能的影響，本文選取了3mm和5mm兩種厚度。系統(tǒng)飾面層選用外墻用乳膠漆。薄抹灰系統(tǒng)樣品實(shí)物見(jiàn)圖1。

圖1 粘貼保溫板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)樣品示意圖Fig.1 Sample of thin-plastering system

（2）瓷磚飾面粘貼保溫板外墻外保溫系統(tǒng)

系統(tǒng)組成及做法可參考文獻(xiàn)［3］。瓷磚飾面粘貼保溫板外墻外保溫系統(tǒng)與粘貼保溫板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)類似，區(qū)別在于抹面層用瓷磚粘結(jié)砂漿代替了抹面砂漿，然后在其上鋪設(shè)外墻瓷磚作為飾面層。實(shí)驗(yàn)樣品粘結(jié)砂漿厚3mm。外墻瓷磚厚6mm。面磚之間用專用勾縫劑勾縫，縫寬8mm。實(shí)物圖2所示。

圖2 瓷磚飾面粘貼保溫板外墻外保溫系統(tǒng)示意圖Fig.2 Sample of ceramic face system

（3）膠粉漿料復(fù)合保溫板外墻外保溫系統(tǒng)

系統(tǒng)組成及做法可參考文獻(xiàn)［4-6］。系統(tǒng)保溫層材料為膠粉聚苯顆粒保溫漿料外加泡沫保溫板。用于錐形量熱儀測(cè)試的膠粉聚苯顆粒保溫漿料樣品厚度為15mm，其上再用3mm厚抹面膠漿抹面，抹面膠漿中鋪滿玻纖網(wǎng)格布，飾面層為外墻乳膠漆，系統(tǒng)實(shí)物見(jiàn)圖3。

圖3 膠粉漿料復(fù)合保溫板外墻外保溫系統(tǒng)示意圖Fig.3 Sample of mineral binder composited system

（4）保溫裝飾板外墻外保溫系統(tǒng)

保溫裝飾板系統(tǒng)的制作相對(duì)簡(jiǎn)單，規(guī)格要求可參考文獻(xiàn)［7-9］。本文保溫裝飾板用0.16mm厚鋁板＋氟碳漆飾面作為防護(hù)層，由專用膠粘劑粘貼于泡沫保溫板之上，樣品實(shí)物見(jiàn)圖4。

圖4 保溫裝飾板外墻外保溫系統(tǒng)示意圖Fig.4 Sample of decorative panel system

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

熱流施加強(qiáng)度是錐形量熱儀測(cè)試的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)于 RPUF 保溫板，本文選取25kW／m2、35kW／m2、50kW／m2和65kW／m2四個(gè)熱流強(qiáng)度；對(duì)于RPUF外墻外保溫系統(tǒng)，由于在有機(jī)保溫板外面有防護(hù)層的保護(hù)，其點(diǎn)燃特性會(huì)受到很大影響，為此本文先用50kW／m2熱流強(qiáng)度進(jìn)行試探性實(shí)驗(yàn)，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果適當(dāng)增加或減小熱流強(qiáng)度的選取范圍，最終各外墻外保溫系統(tǒng)的測(cè)試工況列于表1中。

表1 錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)所選保溫體系種類Table 1 Types of exterior wall insulation systems used for cone calorimeter test

為了了解系統(tǒng)內(nèi)部溫度分布情況，本文用熱電偶對(duì)測(cè)試過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)部溫度進(jìn)行了測(cè)量。熱電偶位置見(jiàn)圖5，樣品中軸線附近沿厚度方向放置5個(gè)熱電偶。第1個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)置于樣品表面（Ts）；第2個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)放在防護(hù)層與有機(jī)保溫層材料的交界面（Tb）（注：對(duì)于有機(jī)泡沫板則沒(méi)有這個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)）；第3至第5個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)在材料內(nèi)部和底面，距離底面0cm、1cm和2cm的位置放置熱電偶測(cè)點(diǎn)，標(biāo)號(hào)分別為T(mén)5，T4和T3。選用K型鎧裝熱電偶，外徑1mm。熱電偶延長(zhǎng)部分被彎曲成特定形狀，可牢固地卡在樣品不銹鋼外套和樣品托盤(pán)之間。

圖5 錐形量熱儀測(cè)試熱電偶位置Fig.5 Positions of thermocouples in the sample of cone calorimeter test

2 結(jié)果與分析

2.1 聚氨酯硬泡保溫板點(diǎn)燃分析

通過(guò)模型將輻射強(qiáng)度與點(diǎn)燃時(shí)間相關(guān)聯(lián)可對(duì)材料的點(diǎn)燃特性參數(shù)進(jìn)行分析。由Quintiere和Harkleroad［10］發(fā)展的 ASTM E1321標(biāo)準(zhǔn)方法［11］比較常用，但其只適用于熱厚型材料，Janssens［12］對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，使其應(yīng)用范圍擴(kuò)大到非熱厚型材料，模型計(jì)算主要包含以下步驟：

（1）通過(guò)下式建立不同熱流強(qiáng)度下材料點(diǎn)燃時(shí)間關(guān)系：

（3）由式（2）求出 Tig以及hig。本文中假設(shè)ε＝1，表面向上平板的對(duì)流換熱系數(shù)可取h＝0.010kW／m2·K［13］；

（4）通過(guò)下式建立各數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系：

圖6 RPUF n值求解（Janssens模型）Fig.6 Calculation of nin the Janssens model for RPUF

圖7 RPUF熱流－點(diǎn)燃時(shí)間關(guān)系Fig.7 Correlation of heat flux and ignition time for RPUF

表2 聚氨酯硬泡點(diǎn)燃特性參數(shù)Table 2 Ignition properties of RPUF

2.2 聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)點(diǎn)燃分析

用Janssens模型對(duì)聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)的熱流強(qiáng)度－點(diǎn)燃時(shí)間進(jìn)行分析，得到的臨界熱流數(shù)據(jù)為負(fù)值，說(shuō)明Janssens模型不適用于帶有不可燃防護(hù)層的外保溫體系。沒(méi)有防護(hù)層的聚氨酯硬泡材料是典型的熱厚型材料，但加上防護(hù)層后樣品的點(diǎn)燃時(shí)間被延長(zhǎng)，熱量不斷向內(nèi)部傳導(dǎo)，樣品內(nèi)部溫度有逐漸均一的趨勢(shì)，給材料點(diǎn)燃特性的判斷帶來(lái)一定難度。由此本文對(duì)點(diǎn)燃時(shí)各熱電偶測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行了分析，并得到了如下溫差數(shù)據(jù)：DT1＝Tb－T3；DT2＝T3－T4；DT3＝T4－T5；其中DT1，DT2和DT3代表不同位置溫度測(cè)點(diǎn)的溫度差，測(cè)點(diǎn)位置代號(hào)見(jiàn)圖5。各外墻外保溫系統(tǒng)在不同熱流施加強(qiáng)度下點(diǎn)燃時(shí)聚氨酯硬泡內(nèi)溫差數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8。

圖8 不同保溫體系點(diǎn)燃時(shí)聚氨酯硬泡內(nèi)部溫差Fig.8 Temperature differences in the RPUF at the time of ignition

圖9 不同熱流施加強(qiáng)度下RPUF外墻外保溫系統(tǒng)點(diǎn)燃時(shí)間Fig.9 Ignition time of RPUF exterior wall insulation systems under different heat fluxes

從圖8中可以看出，各系統(tǒng)DT1的值都很大，說(shuō)明在點(diǎn)燃時(shí)樣品內(nèi)部有較大的溫度梯度，可認(rèn)為是熱厚型材料。由此，各外墻外保溫系統(tǒng)的點(diǎn)燃時(shí)間可用熱厚型材料的點(diǎn)燃關(guān)系式進(jìn)行描述，所得熱流強(qiáng)度－點(diǎn)燃時(shí)間關(guān)系在圖9中給出。

從圖9中可以看出，對(duì)于同一類型的外墻外保溫系統(tǒng)，施加熱流強(qiáng)度是決定點(diǎn)燃時(shí)間的關(guān)鍵參數(shù)，所施加熱流強(qiáng)度與點(diǎn)燃時(shí)間的－0.5次方呈較好的線性關(guān)系。在施加熱流強(qiáng)度相同的條件下，防護(hù)層的熱防護(hù)性能成為影響材料點(diǎn)燃時(shí)間的重要參數(shù)。鋁板保溫裝飾板系統(tǒng)點(diǎn)燃時(shí)間最短，這是因?yàn)橐环矫驿X板的隔熱性能最差，熱量在較短的時(shí)間即可穿透防護(hù)層使聚氨酯硬泡保溫材料熱解，另一方面油性的氟碳漆首先被快速點(diǎn)燃，生成的火焰又在邊緣引燃了保溫層熱解出的可燃?xì)?。?duì)于薄抹灰系統(tǒng)，3mm防護(hù)層隔熱效果要弱于5mm的防護(hù)層，這一點(diǎn)在點(diǎn)燃時(shí)間上也有所體現(xiàn)。瓷磚飾面和膠粉復(fù)合保溫板系統(tǒng)防護(hù)層都較厚，相應(yīng)的隔熱性能也較好，點(diǎn)燃時(shí)間也會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)。特別對(duì)于膠粉復(fù)合保溫板系統(tǒng)，在35kW／m2和50kW／m2兩個(gè)熱流施加強(qiáng)度下樣品沒(méi)有被點(diǎn)燃，除自身隔熱性能較好外，膠粉聚苯顆粒層無(wú)機(jī)膠粉在受熱過(guò)程中掉落到保溫材料之上也可能會(huì)影響到樣品的點(diǎn)燃。

2.3 防護(hù)層對(duì)點(diǎn)燃時(shí)間的抑制效果

圖10給出了各外墻外保溫系統(tǒng)點(diǎn)燃時(shí)間與沒(méi)有防護(hù)層的RPUF保溫板點(diǎn)燃時(shí)間的比值，比值的大小可表征防護(hù)層對(duì)點(diǎn)燃時(shí)間的抑制效果。從圖10中可以看出，膠粉聚苯顆粒復(fù)合保溫板系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)燃時(shí)間的抑制效果最好，在35kW／m2和50kW／m2熱流強(qiáng)度工況都沒(méi)有被點(diǎn)燃。瓷磚飾面系統(tǒng)稍差但也明顯好于5mm和3mm厚防護(hù)層的薄抹灰系統(tǒng)，鋁板保溫裝飾板系統(tǒng)最差，對(duì)點(diǎn)燃時(shí)間的抑制效果并不明顯。從圖10中還可以看出，防護(hù)層對(duì)點(diǎn)燃時(shí)間的抑制效果隨熱流強(qiáng)度的增大而增大。

3 結(jié)論

由Janssens點(diǎn)燃模型分析可知，RPUF保溫板為熱厚型點(diǎn)燃，也即其點(diǎn)燃時(shí)間的－0.5次方與熱流施加強(qiáng)度呈線性關(guān)系。對(duì)于有不可燃防護(hù)層的外墻外保溫系統(tǒng)，Janssens模型已不再適用，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)保溫層溫度的分析，可認(rèn)為RPUF外墻外保溫系統(tǒng)可由熱厚型點(diǎn)燃描述。

圖10 防護(hù)層對(duì)點(diǎn)燃時(shí)間的抑制效果Fig.10 The inhibitory effect of the protective layer on the ignition time

防護(hù)層對(duì)點(diǎn)燃時(shí)間的抑制效果以外保溫系統(tǒng)的點(diǎn)燃時(shí)間與同熱流強(qiáng)度下RPUF保溫板的點(diǎn)燃時(shí)間之比來(lái)量化?？偟膩?lái)說(shuō)膠粉復(fù)合保溫板系統(tǒng)和瓷磚飾面系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)燃時(shí)間的抑制效果比較接近，都要優(yōu)于5mm厚和3mm厚防護(hù)層的薄抹灰系統(tǒng)以及鋁板保溫裝飾板系統(tǒng)。

需要注意的是，以上結(jié)果僅限于本文實(shí)驗(yàn)條件，各種系統(tǒng)之間的比較也是相對(duì)的，由于有機(jī)外墻外保溫系統(tǒng)的保溫層是可燃材料，所以并不存在絕對(duì)的消防安全。

［1］ISO 5660-1-2002.Reaction-to-fire tests -Heat release，smoke production and mass loss rate Part 1：Heat release rate（cone calorimeter method）［S］.

［2］ISO 5660-3-2003.Reaction-to-fire tests -Heat release，smoke production and mass loss rate-Part 3：Guidance on measurement［S］.

［3］JG 149-2003.膨脹聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)［S］.

［4］DB11／T463-2007.外墻外保溫施工技術(shù)規(guī)程（膠粉聚苯顆粒復(fù)合型外墻外保溫系統(tǒng)）［S］.

［5］JG 158-2004.膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)［S］.

［6］CAS126-2005.膠粉聚苯顆粒復(fù)合型外墻外保溫系統(tǒng)［S］.

［7］JGJ144-2008.外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程［S］.

［8］DB11／T697-2009.外墻外保溫施工技術(shù)規(guī)程（外墻保溫裝飾板做法）［S］.

［9］DBJ／T14-072-2010.保溫裝飾板外墻外保溫系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程［S］.

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Ignition characteristics of commonly used exterior thermal insulation systems with rigid polyurethane foam

QI Yan-jun1，2，CHENG Xu-dong2，XU Lei2，ZHANG He-ping2

（1.Fire Corps of Shandong Province，Jinan 250101，China；2.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China）

The ignition characteristics of rigid polyurethane foam based exterior thermal insulation systems was experimentally studied by the cone calorimeter.The four types of systems examined in this paper include the thin-plastering exterior insulation system （thin-plastering system），the exterior thermal insulation system with ceramic tile face（ceramic face system），the composited exterior wall thermal insulation system with mineral binder and expanded polystyrene granule aggregate（mineral binder composited system），and the decorative insulated exterior wall panel system （decorative panel system）.The experimental results show that the ignitions of both the rigid polyurethane foam board and the rigid polyurethane foam based exterior insulation systems can be described by the thermal-thick ignition model.The protective layer of the mineral binder composited system has the best delay effect on the ignition time.The time-delay effect of protective layer of the ceramic face system is slightly worse than the mineral binder composited system but is much better than the 5mm and the 3mm thin-plastering system.The decorative panel system has the worst time-delay effect on the ignition.

Rigid polyurethane foam based exterior wall insulation system；Cone calorimeter；Protective layer；Ignition characteristics

TU998.12；X932

A

1004-5309（2012）-0117-06

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.03.02

2012-06-19；修改日期：2012-06-27

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（2012CB719701）

亓延軍（1964-），男，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工程碩士，現(xiàn)任山東消防總隊(duì)副總隊(duì)長(zhǎng)。高級(jí)工程師，主要從事防火監(jiān)督方面研究。

張和平，教授，Email：zhanghp＠ustc.edu.cn