崔　崳，李　明，王　劼，初道忠，張　軍

(1.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 山東 淄博 255000；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)

0　引言

聚苯乙烯泡沫包括擠塑聚苯乙烯泡沫(XPS)和膨脹聚苯乙烯泡沫(EPS)，由于其保溫性能優(yōu)異，質(zhì)輕和較好的機(jī)械穩(wěn)定性而廣泛用于保溫領(lǐng)域。自我國(guó)實(shí)施節(jié)能減排政策以來(lái)，大量聚苯乙烯泡沫被用于建筑外墻，由于聚苯乙烯本身可燃，因此造成了極大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。盡管最新的《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016-2014)嚴(yán)格限制了可燃保溫材料在外墻的應(yīng)用，但大量已安裝的聚苯乙烯泡沫外墻保溫系統(tǒng)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題仍不可輕視，尤其是隨著使用時(shí)間的推移，既有系統(tǒng)保護(hù)層老化、破裂、甚至脫落等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，為防火工作帶來(lái)一定困難。

先前對(duì)聚苯乙烯泡沫火災(zāi)特性的研究多基于裸板，研究?jī)?nèi)容集中于點(diǎn)燃分析[1]，燃燒特性[2-3]和火蔓延規(guī)律[4-5]等方面。但實(shí)際使用中外墻保溫系統(tǒng)是一個(gè)完整的體系，其火災(zāi)特性與裸板情況相差較大，特別是聚苯乙烯泡沫的受熱熔化、滴落和燃燒特性會(huì)使保溫系統(tǒng)火災(zāi)更為復(fù)雜，因此聚苯乙烯外墻保溫系統(tǒng)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，應(yīng)引起重視，有進(jìn)一步研究的緊迫性。

目前外墻外保溫系統(tǒng)火災(zāi)相關(guān)的測(cè)試可分為對(duì)火反應(yīng)測(cè)試和全尺寸火災(zāi)模擬測(cè)試兩類(lèi)。對(duì)火反應(yīng)測(cè)試主要關(guān)注于材料自身的燃燒特性，其中ISO 5660[6-8]錐形量熱計(jì)測(cè)試和 ISO 9705[9]標(biāo)準(zhǔn)房間火測(cè)試是最為常用的2個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，兩者都是基于耗氧法測(cè)量材料燃燒的熱釋放速率，不同點(diǎn)是前者樣品尺寸被限制在100 mm×100 mm大小，而后者則可根據(jù)需要自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，因此更加靈活。然而受限于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件和儀器量程，對(duì)火反應(yīng)測(cè)試的火源功率不能很大，在獲取外墻保溫系統(tǒng)火災(zāi)特性參數(shù)時(shí)有一定局限性。全尺寸火災(zāi)模擬測(cè)試主要包括ISO 13785-2[10]，BS 8414[11]和UL1040[12]3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。三者都是通過(guò)構(gòu)建主墻和垂直于主墻的側(cè)墻來(lái)形成墻角結(jié)構(gòu)，不同點(diǎn)在于UL 1040火源緊臨墻角放置，而其他2個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)則是將火源置于燃燒室之中形成溢流火。在實(shí)際火災(zāi)過(guò)程中窗口溢流火更加危險(xiǎn)，因此火災(zāi)測(cè)試中更為常用。ISO 13785-2與BS 8414相比，前者對(duì)燃燒室的構(gòu)建要求較高，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)成本也較高，而后者則相對(duì)簡(jiǎn)單，因此國(guó)內(nèi)測(cè)試較多采用該標(biāo)準(zhǔn)[13]。

綜合以上分析，本文引入3種測(cè)試方法，分別是基于ISO 5660錐形量熱計(jì)的小尺寸測(cè)試方法，基于ISO 9705大型量熱計(jì)的大尺寸測(cè)試方法和基于BS 8414的外墻保溫系統(tǒng)全尺寸測(cè)試方法。目的是對(duì)比研究3種方法評(píng)測(cè)聚苯乙烯外墻保溫系統(tǒng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的適用性，并在此基礎(chǔ)上獲取影響火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵因素，進(jìn)而給出此類(lèi)外墻保溫系統(tǒng)防火關(guān)鍵所在。在實(shí)驗(yàn)材料的選取上，由于XPS密度要大于EPS，其熔化、滴落和燃燒特性更加突出，火災(zāi)危險(xiǎn)性更大，因此本文選用最為常用的薄膜灰外墻保溫系統(tǒng)構(gòu)造方式，以XPS為研究對(duì)象，所得結(jié)果同樣適用于EPS外墻保溫系統(tǒng)。

1　實(shí)驗(yàn)裝置及工況

薄抹灰外墻保溫系統(tǒng)按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)制做，各層結(jié)構(gòu)如圖1所示。所用XPS保溫板密度為31 kg/m3，抹面層為3 mm聚合物砂漿，飾面層為外墻用乳膠漆，耐堿網(wǎng)格布滿鋪于砂漿內(nèi)以增加保護(hù)層的抗裂性能。

圖1　 XPS薄抹灰外墻保溫系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1　The composition of XPS plastering exterior wall insulation system

用于錐形量熱計(jì)測(cè)試的樣品被切割為100 mm×100 mm 大小，由于實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)樣品高度有限制，所有樣品都未加裝混凝土基層。樣品四周和底面由鋁箔包裹后置于無(wú)機(jī)纖維絕熱材料之上以減少測(cè)試過(guò)程中向周?chē)臒釗p失。選取35，50，65和80 kW/m24個(gè)級(jí)別的熱流強(qiáng)度。

基于ISO 9705的大尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2(a)所示，由2塊標(biāo)準(zhǔn)尺寸(1 200 mm×600 mm)的保溫板構(gòu)成墻角結(jié)構(gòu)。火源為丙烷氣體火，功率為50 kW。樣品基層由水泥砂漿和玻鎂復(fù)合防火板構(gòu)成?；鹪醋饔糜谀M外墻上的熱流由Vatell1000-1A Gardon水冷式總熱熱流計(jì)標(biāo)定，熱流分布見(jiàn)圖2(b)。

圖2　基于ISO 9705的大尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.2　Large scale bench based on ISO 9705

基于BS 8414的全尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示，火源為木垛火，木垛長(zhǎng)×寬×高為1 500 mm×1 000 mm×1 000 mm，由長(zhǎng)度分別為1 000 mm和1 500 mm，截面尺寸為50 mm×50 mm的松木條搭建而成。

圖3　基于BS 8414的全尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意Fig.3　Full-scale test bench based on BS 8414

2　結(jié)果分析

2.1　ISO 5660錐形量熱計(jì)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)初始，可以觀察到保護(hù)層發(fā)生了沉降，說(shuō)明內(nèi)部的XPS受熱后熔化、收縮失去了原來(lái)的支撐作用。由于受到金屬框的支撐，保護(hù)層沉降幅度并不大，其結(jié)果是在保護(hù)層與熔化的XPS粘稠物之間形成空腔。空腔為可燃熱解氣提供了輸送通道，隨著熱流的持續(xù)施加，可觀察到大量白色的熱解氣通過(guò)防護(hù)層與側(cè)邊的縫隙溢出，當(dāng)熱解氣達(dá)到點(diǎn)燃濃度后即被電火花點(diǎn)燃。在長(zhǎng)時(shí)間受熱后，保護(hù)層開(kāi)裂，部分高輻射強(qiáng)度工況甚至出現(xiàn)保護(hù)層破碎的情況，此時(shí)可燃?xì)庥善扑楹蟮目p隙溢出燃燒，導(dǎo)致火焰瞬時(shí)變大。

XPS薄膜灰外墻保溫系統(tǒng)的點(diǎn)燃特性可由Janssens模型[14]分析得到。樣品被點(diǎn)燃時(shí)已完全熔化為很薄的粘稠液體層，因此可按熱薄型點(diǎn)燃模型處理。將所施加熱流強(qiáng)度與點(diǎn)燃時(shí)間繪制于圖4，從圖中可以看出兩者呈線性關(guān)系，將數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合直線延長(zhǎng)使其與橫軸相交，交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的熱流值即為臨界點(diǎn)燃熱流。由圖4可知，3 mm厚XPS薄抹灰外墻系統(tǒng)的臨界點(diǎn)燃熱流為22.3 kW/m2。

圖4　點(diǎn)燃時(shí)間和熱流強(qiáng)度關(guān)系Fig.4　Relationship between ignition time and heat flow intensity

熱釋放速率是評(píng)測(cè)材料火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性的一項(xiàng)重要參數(shù)，XPS薄抹灰外墻保溫系統(tǒng)燃燒的熱釋放速率在圖5中給出。由圖5可見(jiàn)，在4種外加熱流條件下，HRR都呈現(xiàn)出單峰，與文獻(xiàn)[15]中XPS裸板工況相比，其HRR峰值要小的多，說(shuō)明保護(hù)層對(duì)熱釋放速率有明顯的抑制作用。對(duì)圖5中數(shù)據(jù)積分后再對(duì)時(shí)間平均可得到在35，50，65和80 kW/m2熱流強(qiáng)度下的平均燃燒熱分別為63.4，70.2，83.8和90.4 kW/m2?？梢?jiàn)隨著所施加熱流強(qiáng)度的增加，系統(tǒng)燃燒也更加劇烈。

圖5　錐形量熱計(jì)測(cè)試的熱釋放速率情況Fig.5　Heat release rate of the cone calorimeter test

在測(cè)試過(guò)程中，保護(hù)層的作用一方面降低了施加于底部XPS熔融層的熱流強(qiáng)度，另一方面降低了熱解氣體的溢出速度，因此保護(hù)層的完整性和密封性對(duì)抑制火勢(shì)發(fā)展至關(guān)重要，應(yīng)是評(píng)測(cè)的重點(diǎn)。圖6給出了測(cè)試后保護(hù)層的完整情況，可以看出在35和50 kW/m2熱流強(qiáng)度下，雖然保護(hù)層已出現(xiàn)裂紋，但由于無(wú)機(jī)纖維網(wǎng)格布的粘連作用，保護(hù)層還能保持相對(duì)完整。65和80 kW/m2熱流強(qiáng)度下保護(hù)層則破碎嚴(yán)重，說(shuō)明在高熱流強(qiáng)度下無(wú)機(jī)纖維網(wǎng)格布粘結(jié)力喪失，導(dǎo)致保護(hù)層的機(jī)械性能變得非常差，進(jìn)而變脆斷裂。保護(hù)層破碎現(xiàn)象在熱釋放速率曲線中也有所體現(xiàn)，由圖5中可以明顯看到，65和80 kW/m2工況的熱釋放速率峰值更加陡峭，其原因是保護(hù)層破裂導(dǎo)致大量可燃?xì)庖绯鋈紵?，瞬間增加了熱釋放速率值。

2.2　基于ISO 9705的自建實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試

圖6　錐形量熱計(jì)測(cè)試后保護(hù)層的完整情況Fig.6　The integrity of the protective layer after the cone calorimeter test

圖7　基于ISO 9705的大尺寸火災(zāi)測(cè)試過(guò)程Fig.7　Fire test of large scale fire test based on ISO 9705

如圖7(a)所示，在50 kW丙烷火沖擊下外墻乳膠漆首先分解，炭化變黑。如圖7(b)所示，182 s左右，白色的煙霧從頂部縫隙溢出。在這一階段，火焰周?chē)腦PS已完全熔化，系統(tǒng)內(nèi)部形成空腔。隨著外部火焰的持續(xù)沖擊，可燃?xì)獠粩嗌刹⑼ㄟ^(guò)系統(tǒng)空腔由頂部縫隙溢出，在272 s左右溢出的可燃?xì)膺_(dá)到點(diǎn)燃濃度而被點(diǎn)燃。與此同時(shí)，可觀察到系統(tǒng)側(cè)面也出現(xiàn)可燃?xì)鈴?qiáng)烈溢出現(xiàn)象，說(shuō)明XPS不斷受熱熔化導(dǎo)致空腔范圍持續(xù)擴(kuò)大。在341 s左右，如圖7(c)所示，大量積聚在系統(tǒng)空腔底部的熔融物掉落，遇空氣后燃燒，形成油池火。由于樣品底部喪失了密封性，空氣得以進(jìn)入空腔，空腔內(nèi)部未熔化的XPS遇空氣后被點(diǎn)燃。可以觀察到丙烷火源兩側(cè)不斷有燃燒的熔融物滴落，使得油池火范圍不斷增大。1 600 s左右油池火熄滅，測(cè)試完畢。

燃燒過(guò)程中的熱釋放速率情況在圖8中給出，可見(jiàn)熱釋放速率曲線呈現(xiàn)出單峰，峰值出現(xiàn)在點(diǎn)燃后300 s左右，此時(shí)大量熔融物掉落燃燒形成油池火。之后熱釋放速率逐漸衰減直至熄滅。由熱釋放速率數(shù)據(jù)可得到測(cè)試過(guò)程中樣品的平均燃燒熱為44.7 kW/m2。此值明顯小于錐形量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)各工況的平均燃燒熱，這是由丙烷火焰施加于樣品表面的熱流強(qiáng)度分布不均造成的。由圖2(b)可以看到，熱流強(qiáng)度在墻角附近最大，達(dá)到65 kW/m2以上，在火焰外圍熱流強(qiáng)度為35 kW/m2左右。整體來(lái)看，大于22 kW/m2臨界熱流的區(qū)域占據(jù)了樣品總面積的一半以上，此部分可認(rèn)為是丙烷火焰對(duì)樣品的主要作用區(qū)域。隨著距離火源距離的增加，丙烷火焰施加于外墻的熱流強(qiáng)度下降很快，在樣品邊緣只有5 kW/m2左右，可認(rèn)為小于臨界點(diǎn)燃熱流的這部分區(qū)域以熔化和空腔內(nèi)的明火點(diǎn)燃為主。

圖8　基于ISO 9705的自制實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試熱釋放速率情況Fig.8　Heat release rate based on ISO 9705 test bench

根據(jù)所受丙烷火焰熱流強(qiáng)度的不同，可將聚苯乙烯外墻保溫系統(tǒng)的燃燒方式分為兩類(lèi)：第一類(lèi)與高熱流強(qiáng)度區(qū)域相對(duì)應(yīng)，泡沫聚苯乙烯熔化后在底部聚集，伴隨著保溫系統(tǒng)底部失去完整性而掉落在地面形成油池火；第二類(lèi)與低熱流強(qiáng)度區(qū)域相對(duì)應(yīng)，未熔化的XPS被空腔內(nèi)的火焰點(diǎn)燃并燃燒滴落。第二類(lèi)燃燒方式持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)熱釋放速率貢獻(xiàn)不大，但實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)保護(hù)層背面的XPS已全部熔化，說(shuō)明在空腔中的橫向火蔓延范圍已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出外部火焰作用范圍，應(yīng)引起足夠重視。

測(cè)試后系統(tǒng)的形態(tài)在圖7(d)中給出。從圖中可以看出，測(cè)試后保護(hù)層還較為完整，只是在火源上方墻角附近出現(xiàn)破碎。參照?qǐng)D2(b)的熱流分布情況，對(duì)比錐形量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)后的樣品形態(tài)，可發(fā)現(xiàn)在同樣的熱流強(qiáng)度下破碎程度要輕于錐量實(shí)驗(yàn)。這是因?yàn)樽灾茖?shí)驗(yàn)臺(tái)所用樣品較大，加之樣品所受到的火焰熱流強(qiáng)度分布不均，無(wú)機(jī)網(wǎng)格布雖然在熱流強(qiáng)度較大的區(qū)域失去粘結(jié)性，但總體還與熱流強(qiáng)度較小部分的網(wǎng)格布相連，因此保持了一定的完整性。但在實(shí)驗(yàn)后樣品拆除過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，熱流強(qiáng)度較高區(qū)域在移動(dòng)的過(guò)程中自行破碎、脫落，說(shuō)明此部分區(qū)域已變得十分脆弱，失去了原有的機(jī)械性能?？偟膩?lái)說(shuō)，在同等輻射強(qiáng)度情況下，大尺寸樣品的完整性與錐形量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近，因此可認(rèn)為錐形量熱計(jì)實(shí)驗(yàn)在評(píng)測(cè)樣品完整性方面有一定的參考價(jià)值。

2.3　基于BS 8414的全尺寸實(shí)驗(yàn)

木垛被點(diǎn)燃后火勢(shì)迅速發(fā)展，在很短的時(shí)間內(nèi)火焰便從燃燒室溢出，沖擊上面的保溫系統(tǒng)。如圖9(a)所示，在287 s左右，可看到系統(tǒng)上部有白色煙霧溢出，說(shuō)明內(nèi)部XPS迅速熔化，在系統(tǒng)內(nèi)部形成空腔，系統(tǒng)頂部首先失去了密封性。隨著火焰的持續(xù)沖擊，系統(tǒng)下部的保護(hù)層破裂，如圖9(b)所示，在487 s左右，燃燒的熔融物開(kāi)始滴落，而且滴落速度不斷加快，最終形成油池火。在546 s左右，隨著下部保護(hù)層的進(jìn)一步破裂，溢出火焰進(jìn)入空腔，在強(qiáng)大的火焰熱浮力的作用下，保護(hù)層被撕裂。由圖9(c)，(d)，(e)可以看到，火焰在120 s內(nèi)將整個(gè)保護(hù)層完全撕開(kāi)，破裂的保護(hù)層又為火焰提供了上升的通道，可觀察到強(qiáng)烈的火焰從系統(tǒng)頂部躥出，同時(shí)火焰沖擊側(cè)墻，使得側(cè)墻的保護(hù)層也被撕裂。這一過(guò)程伴隨著大量熔融物的滴落和燃燒，火勢(shì)發(fā)展到難以控制的程度。由圖9(f)可以看出，測(cè)試后整個(gè)外保溫系統(tǒng)已經(jīng)基本燃燒殆盡。

圖9　基于BS 8414的全尺寸XPS外保溫系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程Fig.9　Fire test of full scale XPS exterior thermal insulation system based on BS 8414

由以上分析可知，基于BS 8414的全尺寸實(shí)驗(yàn)的測(cè)試強(qiáng)烈程度要遠(yuǎn)大于其他測(cè)試。由于火源功率大，木垛火產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱浮力流將本已脆弱的保護(hù)層撕開(kāi)，使得整個(gè)系統(tǒng)完全喪失了完整性，導(dǎo)致火勢(shì)失控。因此在實(shí)際滅火救援工作中應(yīng)首要確保系統(tǒng)保護(hù)層的完整性，避免火災(zāi)向失控的方向發(fā)展。

綜上，由聚苯乙烯外墻保溫系統(tǒng)的火災(zāi)特點(diǎn)可分析得出決定系統(tǒng)火災(zāi)危險(xiǎn)性的因素依次是保護(hù)層的完整性和嚴(yán)密性，系統(tǒng)空腔形成和空腔特性，XPS的熔化流動(dòng)和燃燒特性?？涨坏男纬墒蔷郾揭蚁┡菽牧鲜軣岷蟮谋厝唤Y(jié)果?？涨坏奈ｋU(xiǎn)性，一方面為可燃?xì)夂涂諝馓峁┝素炌ǖ耐ǖ?，也提供了火蔓延的通道，使此?lèi)火災(zāi)更加危險(xiǎn)；另一方面，空腔使火焰向側(cè)面發(fā)展，從而擴(kuò)大了系統(tǒng)熔融燃燒的范圍。但空腔的危險(xiǎn)性又與保護(hù)層的嚴(yán)密性和完整性相關(guān)，系統(tǒng)嚴(yán)密性的喪失，一方面使得可燃?xì)庥上到y(tǒng)頂部和側(cè)部溢出，可燃?xì)獗稽c(diǎn)燃后造成火焰在系統(tǒng)外部蔓延；另一方面空氣進(jìn)入系統(tǒng)空腔，未熔化滴落的XPS得以在空腔內(nèi)部燃燒，增加了火蔓延的風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)保護(hù)層的完整性則決定了火勢(shì)的發(fā)展程度，系統(tǒng)底部的保護(hù)層往往是首先破裂的部位，導(dǎo)致熔融狀態(tài)的聚苯乙烯掉落、燃燒，造成向下的火蔓延，過(guò)于強(qiáng)烈的外部火源則有可能將保護(hù)層完全破壞，造成不可控的局面。

3　結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綜合分析可知，決定聚苯乙烯外墻保溫系統(tǒng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵因素依次為保護(hù)層的嚴(yán)密性和完整性，系統(tǒng)空腔特性，材料的熔化流動(dòng)和燃燒特性。

2)在測(cè)試方法方面，基于BS 8414的全尺寸實(shí)驗(yàn)是評(píng)價(jià)保護(hù)層完整性的最好方法，但其成本較高，準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)，且所測(cè)得的量化數(shù)據(jù)較少，不適合理論研究?；贗SO 5660的小尺寸實(shí)驗(yàn)，則是在完全可控的條件下進(jìn)行的，是獲取量化數(shù)據(jù)較為理想的方法，且在評(píng)測(cè)保護(hù)層的完整性方面與大尺寸實(shí)驗(yàn)有近似結(jié)果，但其無(wú)法評(píng)測(cè)材料的流動(dòng)燃燒特性。基于ISO 9705的大尺寸實(shí)驗(yàn)，其優(yōu)勢(shì)是可獲取熱釋放速率等量化數(shù)據(jù)，可自主設(shè)計(jì)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究材料在系統(tǒng)內(nèi)的熔融流動(dòng)、燃燒等特性，便于理論研究，但受到室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件的影響，其火源功率受到限制。

3)聚苯乙烯泡沫類(lèi)外墻保溫系統(tǒng)的防火可采取3方面的措施：一是增加外保護(hù)層的強(qiáng)度，特別是系統(tǒng)底部防護(hù)層的強(qiáng)度，確?；馂?zāi)過(guò)程中系統(tǒng)保護(hù)層的完整性；二是系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置橫向和縱向隔斷，阻隔系統(tǒng)內(nèi)部向上和向側(cè)面的火蔓延；三是在系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)造能夠容納材料熔融滴落物的防火隔斷，使熔融滴落物不流淌，降低火蔓延的風(fēng)險(xiǎn)。

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