鄧小兵，趙成剛，蘭 彬，盧國建，劉軍軍

（公安部四川消防研究所，四川 成都 610036）

隨著建筑節(jié)能戰(zhàn)略的實(shí)施，外墻外保溫系統(tǒng)在中國得到廣泛應(yīng)用.薄抹灰外保溫系統(tǒng)（TPETIS）具有自重輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、保護(hù)墻體結(jié)構(gòu)、施工簡便等優(yōu)點(diǎn)，成為中國最普遍應(yīng)用的外墻外保溫系統(tǒng).近年來中國發(fā)生了多起與TPETIS 有關(guān)的高層建筑火災(zāi)事故，引起人們對TPETIS火災(zāi)安全性的高度關(guān)注.影響TPETIS 防火性能主要有起火源、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和保溫材料燃燒性能三大因素.國內(nèi)外學(xué)者對起火源因素和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)因素這2方面已開展了大量的研究和應(yīng)用工作，例如：Lee等［1－3］分析了窗口火的物理蔓延機(jī)制及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了新的關(guān)聯(lián)窗口火火焰高度、溫度及熱通量的特征長度，并改進(jìn)了窗口火的量綱為1的溫度關(guān)聯(lián)方程；Himoto等［4］考慮了窗口火羽流壓力梯度效應(yīng)，提出了窗口火火焰軌跡預(yù)測模型；Oleszkiewicz［5］指出建筑外立面橫向伸出結(jié)構(gòu)能降低90%的輻射熱流量，而豎向伸出結(jié)構(gòu)則會(huì)增加50%的輻射熱流量，他同時(shí)指出火源熱釋放速率、起火間開口尺寸和結(jié)構(gòu)外部形態(tài)對火災(zāi)蔓延具有同等重要的影響，建議對薄抹灰系統(tǒng)每1層或每2層采用防火隔離帶進(jìn)行隔斷，但沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證其有效性；宋長友、季廣其等［6－11］開展了窗口火和角落火試驗(yàn)研究，指出改進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)造形式（如增設(shè)隔斷、無空腔構(gòu)造和增加保護(hù)層厚度）能有效阻止TPETIS火災(zāi)蔓延.但目前對保溫材料燃燒性能這一影響因素還缺乏系統(tǒng)研究.因此，開展保溫材料，特別是可燃類泡沫塑料燃燒性能影響因素的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義.

在中國外保溫工程應(yīng)用中，典型外保溫材料主要為聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯泡沫塑料.常見的聚苯乙烯泡沫塑料有擠塑聚苯乙烯（XPS）和模塑聚苯乙烯（EPS），聚氨酯泡沫塑料有聚異氰酸酯（PUR）和聚異氰脲酸酯（PIR）.本文根據(jù)TPETIS的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，采用標(biāo)準(zhǔn)燃燒性能試驗(yàn)和實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)方法，探究了XPS，EPS，PUR，PIR 這4種泡沫塑料芯材燃燒性能對TPETIS防火性能的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

表1給出了用于標(biāo)準(zhǔn)燃燒性能試驗(yàn)和實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)的泡沫塑料試樣信息.標(biāo)準(zhǔn)燃燒性能試驗(yàn)測試對象為泡沫塑料板材，而實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)測試對象為以表1 所列泡沫塑料為芯材的TPETIS.TPETIS結(jié)構(gòu)見圖1.除泡沫塑料芯材不同外，TPETIS的抹面層（厚5mm）、玻纖網(wǎng)（面密度260g／m2）、錨栓、黏結(jié)基層和外墻墻體材質(zhì)及參數(shù)均保持一致，施工程序也相同.

表1 用于標(biāo)準(zhǔn)燃燒性能試驗(yàn)和實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)的泡沫塑料信息Table 1 Foam plastics used in standard combustion tests and real scale fire tests

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)燃燒性能試驗(yàn)

（1）單體燃燒試驗(yàn)

圖1 TPETIS結(jié)構(gòu)Fig.1 TPETIS configuration

依據(jù)GB／T 20284—2006《建筑材料或制品的單體燃燒試驗(yàn)》進(jìn)行泡沫塑料板材燃燒試驗(yàn)，測試泡沫塑料板材熱釋放速率峰值（HRRp）和燃燒增長速率指數(shù)（FIGRA），評價(jià)泡沫塑料板材在墻角火（30kW）火災(zāi)場景下的對火反應(yīng).

（2）氧指數(shù)試驗(yàn)

依據(jù)GB／T 2406.2—2009《塑料 用氧指數(shù)法測定燃燒行為 第2部分：室溫試驗(yàn)》測量泡沫塑料板材氧指數(shù)OI.

1.2.2 實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)建筑

試驗(yàn)建筑為公安部四川消防研究所的高層火災(zāi)試驗(yàn)塔（鋼混框架建筑），見圖2（a）.選取該試驗(yàn)塔西面1個(gè)單元的第2，3，4層外墻立面及對應(yīng)房間作為試驗(yàn)區(qū)域.該試驗(yàn)區(qū)域外部尺寸為3.6m×5.2m×9.3m，見圖2（b）.由于建筑回轉(zhuǎn)墻會(huì)改變空氣卷吸方式，加速外墻火災(zāi)蔓延［12］，在外墻主立面左側(cè)邊緣增設(shè)1.4m×9.3m 的副墻.在試驗(yàn)區(qū)域底層設(shè)置燃燒室，并將試驗(yàn)區(qū)域第2和3層房間作為觀察室.

燃燒室內(nèi)部尺寸為2.0m×2.0m×1.0m，其開口寬高比為1.0.燃燒室開口寬高比對窗口火形態(tài)有重要影響，在自然對流情況下，當(dāng)燃燒室開口寬高比大于0.8時(shí)，窗口火更趨向于沿外墻立面?zhèn)鞑?，形成貼壁效應(yīng)［13］.燃燒室用燃料參照BS 8414－1：2002標(biāo)準(zhǔn)［14］，以杉木（規(guī)格50mm×50mm）搭建木垛，其外形尺寸為1.5m×1.0m×1.0 m，質(zhì)量為420kg.

觀察室設(shè)有2.3m×1.5m 窗戶開口.窗戶開口兩側(cè)安裝3mm 厚單層玻璃構(gòu)成的塑鋼窗扇，中間留有0.7m×1.5m 的通風(fēng)口.觀察室內(nèi)部尺寸為3.2m×4.8m×2.8m.

（2）熱電偶測點(diǎn)布置

圖2 高層火災(zāi)試驗(yàn)塔和實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)區(qū)域示意圖Fig.2 High rise building for fire test and schematic diagram of test zone for real scale fire test

熱電偶測點(diǎn)布置見圖3（a）～（d），其中測量TPETIS表面溫度的是橫向間距為0.80m、豎向間距為0.60m 的5×12列陣熱電偶（見圖3（a）），測量觀察室溫度的是觀察室內(nèi)窗沿四周中心點(diǎn)放置的4只熱電偶（見圖3（c））以及在室內(nèi)對角線上放置的5棵熱電偶樹（見圖3（d）），每棵熱電偶樹由3只熱電偶構(gòu)成（圖3（b））.另外，在燃燒室開口上沿下方設(shè)置有間距0.90m 的3只熱電偶.

圖3 熱電偶測點(diǎn)布置Fig.3 Thermocouple locations（size：m）

（3）試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)TPETIS由成都科文保溫材料有限公司統(tǒng)一施工，施工程序及工藝按JGJ 144—2004《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》和DB 50417—2007《建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》進(jìn)行.TPETIS施工完畢后養(yǎng)護(hù)28d，然后在溫度為（20±15）℃、燃燒室地面以上3m 高度處空氣流速小于2m／s的環(huán)境條件下進(jìn)行實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn).將燃燒室溫度達(dá)到200℃且持續(xù)60s以上的第1個(gè)時(shí)間點(diǎn)作為起始試驗(yàn)時(shí)間，試驗(yàn)進(jìn)行30min.試驗(yàn)前5min開啟數(shù)據(jù)記錄軟件采集環(huán)境參數(shù)，然后點(diǎn)燃木垛，觀察TPETIS 在窗口火條件下的火災(zāi)蔓延行為，并自動(dòng)保存記錄溫度測量數(shù)據(jù).測試TPETIS火焰蔓延高度（Lf）、TPETIS損毀高度（Ld）、2層和3層觀察室TPETIS內(nèi)部溫度（tin－f2和tin－f3）、2層和3層觀察室內(nèi)頂棚溫度（tce－f2和tce－f3）.

Lf是根據(jù)TPETIS外表面的測量溫度確定的，即將溫度為538 ℃的窗口火火焰尖端位置作為TPETIS火焰蔓延高度［13］.

在實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)后，首先測量抹面層損毀高度，再剝離抹面層，測量泡沫塑料芯材損毀高度，取兩者最大值的平均值作為TPETIS損毀高度（Ld）.

在距2層和3層觀察室下窗沿下方100mm 處的TPETIS泡沫塑料芯材內(nèi)部中心點(diǎn)位置分別等距預(yù)埋5只熱電偶，取試驗(yàn)過程中的最大溫度值作為2，3層觀察室TPETIS內(nèi)部溫度tin－f2，tin－f3.

2層和3層觀察室內(nèi)頂棚溫度tce－f2和tce－f3分別取實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)中2，3層觀察室內(nèi)5顆熱電偶樹頂部（距吊頂10cm）的5只熱電偶的最大平均溫度.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

表2給出了6種泡沫塑料標(biāo)準(zhǔn)燃燒性能試驗(yàn)結(jié)果.根據(jù)表3給出的分級(jí)判據(jù)［15］，試樣2＃和6＃的潛在燃燒性能等級(jí)為B級(jí)，試樣5＃為C級(jí)，試樣3＃和4＃為D 級(jí)，試樣1＃為F級(jí).表4給出了對應(yīng)表1所列芯材的TPETIS實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果.

表2 泡沫塑料標(biāo)準(zhǔn)燃燒性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Standard combustion test results for foam plastics

2.2 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.2.1 TPETIS火焰蔓延高度

TPETIS火焰蔓延高度（Lf）與泡沫塑料芯材HRRp和OI的關(guān)系如圖4所示.由圖4可見，Lf隨HRRp增加而增大，隨OI增加而降低.

按式（1）擬合火焰蔓延高度與HRRp和OI之間關(guān)系，結(jié)果表明火焰蔓延高度理論值（Lfs）與實(shí)測值Lf之間具有滿意的擬合度（R2＝0.977 4）.根據(jù)表3的FIGRA 判據(jù)，結(jié)合GB／T 20284—2006中的FIGRA 計(jì)算公式，可推算出B級(jí)、C級(jí)和D級(jí)泡沫塑料的HRRp分別為144，300，900kW，再結(jié)合OI判據(jù)，可得到如圖5所示的Lfs與泡沫塑料芯材燃燒性能等級(jí)的關(guān)系.由圖5可見：B級(jí)、C 級(jí)芯材TPETIS的Lfs不超過2.6m，D 級(jí)芯材TPETIS的Lfs未超過3.0m，均沒有超過燃燒室上方3層觀察室樓板高度（4.3m），這表明B，C，D 級(jí)芯材TPETIS表面火焰蔓延風(fēng)險(xiǎn)有限.

表3 墻面保溫泡沫塑料燃燒性能分級(jí)部分判據(jù)［15］Table 3 Classification criteria of combustion property for foam plastic wall insulation materials（partial）［15］

表4 TPETIS實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Real scale fire test results for TPETIS

圖4 Lf與泡沫塑料芯材HRRp和OI的關(guān)系Fig.4 Fire propagation height（Lf）versus peak heat release rate and oxygen index of foam plastic core materials

2.2.2 TPETIS損毀高度

圖5 Lfs與泡沫塑料芯材燃燒性能等級(jí)之間的關(guān)系Fig.5 Theoretical fire propagation height（Lfs）versus classification of combustion property of foam plastic core materials

實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)后TPETIS的損毀情況見圖6.TPETIS損毀高度（Ld）與泡沫塑料芯材FIGRA 之間的關(guān)系如圖7所示.由圖7可見，Ld隨FIGRA 增加而增大.采用式（2）擬合TPETIS 損毀高度與FIGRA 之間關(guān)系.按式（2）推算，B，C，D 級(jí)芯材TPETIS最大損毀高度理論值（Lds）分別為3.7，4.1，4.7m.這表明，B 級(jí)和C 級(jí)芯材TPETIS損毀高度有限，但D 級(jí)芯材TPETIS損毀高度超過3層觀察室樓板高度（4.3m）.

2.2.3 TPETIS內(nèi)部溫度

tin－f2與泡沫塑料芯材FIGRA和OI之間的關(guān)系見圖8；tin－f3與泡沫塑料芯材FIGRA 之間的關(guān)系見圖9.由圖8可見，tin－f2隨FIGRA增加而增大，隨OI增加而減??；由圖9可見，tin－f3隨FIGRA 增加而增大.

圖6 實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)后TPETIS的損毀情況Fig.6 TPETIS damage statuses after real scale fire tests

圖7 Ld與泡沫塑料芯材FIGRA 之間的關(guān)系Fig.7 Damage height（Ld）versus FIGRA of foam plastic core materials

圖8 tin－f2與泡沫塑料芯材FIGRA 和OI之間的關(guān)系Fig.8 TPETIS internal temperature at second floor versus FIGRA and OI of foam plastic core materials

采用式（3）擬合2層觀察室TPETIS內(nèi)部溫度與泡沫塑料芯材FIGRA 和OI之間的關(guān)系；采用式（4）擬合3層觀察室TPETIS內(nèi)部溫度與泡沫塑料芯材FIGRA 之間的關(guān)系.按式（3）推算2層觀察室TPETIS內(nèi)部溫度理論值tins－f2，然后繪制tins－f2與泡沫塑料芯材燃燒性能等級(jí)之間的關(guān)系曲線，結(jié)果見圖10.由圖10可知，B，C 級(jí)芯材TPETIS的tins－f2不超 過300 ℃，D 級(jí)芯材TPETIS 的tins－f2不超過549℃.同理，由式（4）推算3 層觀察室TPETIS內(nèi)部溫度理論值tins－f3，然后繪制tins－f3與芯材燃燒性能等級(jí)之間的關(guān)系曲線（圖略），結(jié)果表明，B，C級(jí)芯材TPETIS的tins－f3不超過62℃；D 級(jí)芯材TPETIS的tins－f3不超過170 ℃.假設(shè)TPETIS內(nèi)部隱匿燃燒的溫度條件與Lf相同，則D 級(jí)芯材TPETIS 存在一定的隱匿燃燒風(fēng)險(xiǎn).

圖9 tin－f3與泡沫塑料芯材FIGRA 之間的關(guān)系Fig.9 TPETIS internal temperature at third floor versus FIGRA of foam plastic core materials

圖10 tins－f2與泡沫塑料芯材燃燒性能等級(jí)之間的關(guān)系Fig.10 TPETIS theoretical internal temperature at second floor versus classification of combustion property of foam plastic core materials

2.2.4 觀察室內(nèi)頂棚溫度

2層觀察室內(nèi)頂棚溫度（tce－f2）與泡沫塑料芯材HRRp和OI之間的關(guān)系見圖11；3層觀察室內(nèi)頂棚溫度（tce－f3）與泡沫塑料芯材OI之間的關(guān)系見圖12.由圖11可見，tce－f2隨HRRp增加而增大，隨OI增加而減小.由圖12可見，tce－f3隨OI增加而減小，當(dāng)OI低于29.9%（圖中趨勢線交點(diǎn)）時(shí)，OI增加79%，tce－f3降 低31%，而 當(dāng)OI 高 于29.9%時(shí)，OI 增 加21%，tce－f3降低69%.上述表明，tce－f3減小趨勢有明顯階段特征，當(dāng)OI低于29.9%時(shí)，OI對tce－f3貢獻(xiàn)較小，而當(dāng)OI高于29.9%時(shí)，OI對tce－f3貢獻(xiàn)較大.

圖11 tce－f2與泡沫塑料芯材HRRp和OI之間的關(guān)系Fig.11 Room ceiling temperature at second floor versus HRRp and OI of foam plastic core materials

圖12 tce－f3與泡沫塑料芯材OI之間的關(guān)系Fig.12 Room ceiling temperature at third floor versus OI of foam plastic core materials

式（5），（6）分別給出了2，3層觀察室內(nèi)頂棚溫度與泡沫塑料芯材燃燒性能參數(shù)之間的擬合關(guān)系.根據(jù)式（5）推算2層觀察室內(nèi)頂棚溫度理論值tces－f2，然后繪制tces－f2與泡沫塑料芯材燃燒性能等級(jí)之間的關(guān)系曲線，結(jié)果見圖13.由圖13 可見，對B 級(jí)和C級(jí)芯材TPETIS而言，2層觀察室內(nèi)頂棚溫度理論值不超過195℃；對D 級(jí)芯材TPETIS而言，2層觀察室內(nèi)頂棚溫度理論值不超過283℃.對于室內(nèi)煙氣層的熱輻射，可接受的煙氣溫度為200℃，耐受時(shí)間為20s［16］.從煙氣層熱輻射風(fēng)險(xiǎn)考慮，B，C 級(jí)芯材TPETIS的風(fēng)險(xiǎn)較小，但D 級(jí)芯材TPETIS的風(fēng)險(xiǎn)較大.同理，根據(jù)式（6）推算3層觀察室內(nèi)頂棚溫度理論值tces－f3，然后繪制tces－f3與芯材燃燒性能等級(jí)之間的關(guān)系曲線（圖略），結(jié)果表明，對B 級(jí)和C 級(jí)芯材TPETIS而言，3層觀察室內(nèi)頂棚溫度理論值不超過95℃；對D 級(jí)芯材TPETIS而言，3層觀察室內(nèi)頂棚溫度理論值在95～106℃之間，這表明，3層觀察室內(nèi)熱輻射風(fēng)險(xiǎn)處于可接受范圍.

圖13 tces－f2與泡沫塑料芯材燃燒性能等級(jí)之間的關(guān)系Fig.13 Theoretical room ceiling temperature at second floor versus classification of combustion property of foam plastic core materials

3 結(jié)論

（1）在系統(tǒng)構(gòu)造方式相同條件下，泡沫塑料芯材的燃燒增長速率指數(shù)、熱釋放速率峰值和氧指數(shù)是影響TPETIS防火性能的關(guān)鍵因素.熱釋放速率峰值和氧指數(shù)直接影響TPETIS 的火焰蔓延高度和室內(nèi)頂棚溫度，燃燒增長速率指數(shù)直接影響TPETIS的內(nèi)部溫度和損毀高度.

（2）B，C級(jí)芯材TPETIS火焰蔓延高度理論最大值＜2.6m，損毀高度理論最大值≤4.1m，2層觀察室TPETIS內(nèi)部溫度和內(nèi)頂棚溫度理論最大值分別為300，195℃，系統(tǒng)表面火焰蔓延、內(nèi)部隱匿燃燒和室內(nèi)煙氣層熱輻射風(fēng)險(xiǎn)較低.D 級(jí)芯材TPETIS火焰蔓延高度理論最大值＜3.0m，損毀高度理論最大值為4.7m，2 層觀察室TPETIS 內(nèi)部溫度和內(nèi)頂棚溫度理論最大值分別為549，283℃，系統(tǒng)具有一定的內(nèi)部隱匿燃燒和煙氣層熱輻射風(fēng)險(xiǎn).

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