丁 超, 朱難難， 蘭清源， 程炳紅， 符扣鎖

(1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院， 安徽 230601；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 230026)

我國(guó)建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用的外墻保溫材料，主要分為有機(jī)類、無(wú)機(jī)類及復(fù)合材料3類[1]，而外墻保溫又是目前大力推廣的一種建筑節(jié)能手段，在當(dāng)今“碳達(dá)峰、碳中和”大背景下，受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。目前，建筑行業(yè)主要使用的典型建筑外墻保溫材料為聚苯乙烯保溫板(以下簡(jiǎn)稱EPS)、擠塑聚苯乙烯保溫板(以下簡(jiǎn)稱XPS)及硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫板(以下簡(jiǎn)稱硬PU)。這些材料都是高分子有機(jī)材料，且屬于B級(jí)可燃材料，另外硬PU燃燒會(huì)產(chǎn)生大量有毒氣體，需經(jīng)阻燃處理達(dá)到不燃級(jí)別，避免人員傷亡。近年來(lái)，建筑外墻保溫材料引發(fā)高層建筑火災(zāi)事故層出不窮，而究其失火原因主要是市場(chǎng)上外墻保溫材料種類繁多，很多建筑單位為節(jié)約成本，擅自使用防火安全性能差、未達(dá)到相關(guān)安全要求的保溫材料，從而造成了一系列重大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失[2-3]。

關(guān)于建筑外墻保溫材料的燃燒特性及火蔓延研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也取得了頗多成果。李剛等[4]通過(guò)試驗(yàn)全面對(duì)比分析了TPS、EPS、XPS 3種保溫材料的燃燒特性，并為在建筑行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。AN等[5]設(shè)計(jì)小型建筑外立面保溫材料豎直燃燒試驗(yàn)裝置，研究FPU的熱燃性能，表明火焰沿中軸線向下蔓延是由多種因素耦合引起的。張威等[6]11-17通過(guò)FDS建立垂直的建筑外立面幾何模型，研究XPS、EPS、PU 3種保溫材料豎直燃燒火災(zāi)發(fā)生規(guī)律，給出了火焰蔓延服從二次曲線的表達(dá)式。章濤林等[7]用FDS軟件建立20層建筑幾何模型，研究EPS的火蔓延行為、溫度場(chǎng)、煙霧、質(zhì)量損失速率等火災(zāi)參數(shù)。HUANG等[8]研究在壓力和方向耦合作用下的建筑外保溫材料燃燒特性及火蔓延規(guī)律。MA等[9]分別在合肥和拉薩兩地開(kāi)展FPU在不同壓力下的燃燒試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)傾角、火焰高度等火災(zāi)參數(shù)進(jìn)行分析，得出了65 kPa下火焰燃燒速率最低。3種材料各有優(yōu)劣，但從發(fā)生火災(zāi)等事故來(lái)看，在低壓環(huán)境下研究建筑外墻保溫材料的燃燒特性居多。由于近年來(lái)高層建筑外墻保溫材料的火災(zāi)事故頻發(fā)，這多與保溫材料安全性能低有關(guān)。對(duì)于不同類別的建筑外墻保溫材料的燃燒特性及火蔓延規(guī)律研究較少，而且國(guó)內(nèi)缺乏這類保溫材料性能的評(píng)估準(zhǔn)則，故有必要深入研究典型建筑外墻保溫材料的燃燒特性及火蔓延規(guī)律。

本文針對(duì)典型建筑外墻保溫材料存在的消防安全問(wèn)題，在低壓低氧試驗(yàn)艙中開(kāi)展3種典型建筑外墻保溫材料的燃燒及水平貼壁火蔓延試驗(yàn)，通過(guò)分析建筑外墻保溫材料在燃燒過(guò)程中的質(zhì)量損失速率、火焰溫度、輻射熱等火災(zāi)參數(shù)，來(lái)研究典型建筑外墻保溫材料的燃燒特性及火蔓延行為，對(duì)于日后此類火災(zāi)預(yù)防具有重要意義[10-11]。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本文設(shè)計(jì)了EPS、XPS及硬PU的燃燒及水平貼壁火蔓延試驗(yàn)，探究其燃燒特性、質(zhì)量損失速率、溫度等火災(zāi)參數(shù)規(guī)律，揭示不同建筑外墻保溫材料的燃燒差異，規(guī)范建筑外墻保溫材料的使用。

1.2 試驗(yàn)材料

目前建筑行業(yè)主要使用的建筑外墻保溫材料有3類，分別選取3種典型建筑外墻保溫材料，EPS、XPS及硬PU，其主要特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 3種建筑外墻保溫材料的主要特征參數(shù)

1.3 試驗(yàn)儀器布置

在低壓低氧試驗(yàn)艙，開(kāi)展3種建筑外墻保溫材料的燃燒及水貼壁平火蔓延行為試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器布置如圖1所示。低壓低氧試驗(yàn)艙為角鋼架結(jié)構(gòu)，頂部有集煙罩，左右兩側(cè)設(shè)置觀察窗口。天平及相關(guān)試驗(yàn)儀器位于中心位置，左側(cè)照相機(jī)實(shí)時(shí)錄像，記錄火焰圖像。電子天平與變角度支架之間用PVC隔板隔開(kāi)，其質(zhì)量數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)上的質(zhì)量數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時(shí)記錄。試驗(yàn)用保溫材料水平放置在變角度支架上方，常壓下人工點(diǎn)燃后，由其上方8個(gè)熱電偶陣列測(cè)量溫度，熱輻射測(cè)量?jī)x、熱流測(cè)量?jī)x分別布置在距點(diǎn)火處40.0 cm、60.0 cm的位置上，測(cè)量輻射熱及熱流。溫度、輻射、熱流均由數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端，實(shí)時(shí)采集，用于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

1.4 試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備

電子天平：3種典型建筑外墻保溫材料的質(zhì)量損失速率由電子天平連接的計(jì)算機(jī)終端采集的質(zhì)量數(shù)據(jù)求導(dǎo)得到。試驗(yàn)用電子天平型號(hào)為日本A&D，其主要性能參數(shù)為最大量程10 kg，精度0.01 g。通過(guò)電腦軟件串口連接(RsCom)實(shí)時(shí)采集質(zhì)量數(shù)據(jù)并顯示。

熱電偶：本試驗(yàn)用熱電偶測(cè)量建筑外墻保溫材料燃燒中軸線火焰溫度，用8個(gè)K型熱電偶組成陣列，T0～T3這4個(gè)熱電偶間距為4.0 cm，T4～T7這4個(gè)熱電偶間距為10.0 cm，可參見(jiàn)圖1中熱電偶陣列簡(jiǎn)圖。溫度數(shù)據(jù)由溫度采集模塊7 018采集，試驗(yàn)用熱電偶測(cè)溫范圍為-500～1 200 ℃，熱響時(shí)間為0.1 s，外形尺寸直徑為1 mm，長(zhǎng)度為3 m。試驗(yàn)中熱電偶布置情況，如圖2所示。

1.5 試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)分別將EPS、XPS及硬PU按照長(zhǎng)50.0 cm、寬8.0 cm、厚1.8 cm的方形尺寸截取，每種材料做3次重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，先在室外將建筑外墻保溫材料水平放置到變角度支架上，用攝像機(jī)拍照留存后，送入低壓低氧試驗(yàn)艙里的天平上，用打火機(jī)人工汽火引燃后，將所有電燈等照明設(shè)備關(guān)閉，攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)等數(shù)據(jù)采集儀器實(shí)時(shí)記錄，相關(guān)布置情況可參考圖1。燃燒結(jié)束后，保存溫度、輻射熱、火焰燃燒情況等數(shù)據(jù)，并將試驗(yàn)艙內(nèi)有毒有害氣體通過(guò)抽壓泵抽走，開(kāi)始下一組試驗(yàn)，如此重復(fù)，得出共9組試驗(yàn)工況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失速率

質(zhì)量損失速率不僅反映了保溫材料的質(zhì)量減少快慢，在某種程度上還可將火勢(shì)大小及火蔓延速率體現(xiàn)出來(lái)。3種典型建筑外墻保溫材料在保證外界環(huán)境條件相同情況下，由汽火引燃后來(lái)研究其燃燒速率，而燃燒速率又可以通過(guò)質(zhì)量損失速率來(lái)呈現(xiàn)。如圖3所示，描繪了EPS、XPS及硬PU 3種建筑外墻保溫材料燃燒后的質(zhì)量損失及求導(dǎo)后得到的質(zhì)量損失速率曲線。對(duì)于3種建筑外墻保溫材料，其質(zhì)量損失曲線近似服從二次曲線，與模擬結(jié)果二次曲線吻合[6]11-17。由圖3可以看出，3種外墻保溫材料的質(zhì)量呈先緩慢減少，然后快速下降，最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。這是由于建筑外墻保溫材料剛?cè)紵龝r(shí)，存在預(yù)熱區(qū)，隨著燃燒的發(fā)展，火勢(shì)沿著水平方向逐步蔓延，保溫材料燃燒速率加快，這也是質(zhì)量損失加快的重要原因之一。

圖1 試驗(yàn)裝置布置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device layout

以EPS的質(zhì)量損失速率曲線為例，EPS燃燒后，隨著燃燒的進(jìn)行，質(zhì)量損失速率逐漸增加，在200 s時(shí)刻達(dá)到最大值，最大質(zhì)量損失速率為0.092 g/s。此后，其質(zhì)量損失速率逐漸減小，直到燃燒結(jié)束，質(zhì)量損失速率減為0。對(duì)比試驗(yàn)研究的3種典型建筑外墻保溫材料可以發(fā)現(xiàn)，皆呈現(xiàn)此規(guī)律，但就硬PU而言，其質(zhì)量損失較快，在100 s時(shí)質(zhì)量損失速率達(dá)到最大值0.080 g/s，然后又很快減為0，這可能與硬PU為熱塑性材料有關(guān)，而且由于水平貼壁保溫材料的熔化、滴落并沒(méi)有遠(yuǎn)離保溫材料，而是在殘留在PVC隔板上，進(jìn)而也加速了硬PU的熱解。

3種建筑外墻保溫材料的質(zhì)量損失實(shí)際上是EPS、XPS及硬PU在被點(diǎn)燃后，由于熱量不斷積累，固體材料不斷熱解，進(jìn)而形成可燃性揮發(fā)物燃燒的過(guò)程。如圖4所示，以EPS建筑外墻保溫材料為例，描述了EPS建筑外墻保溫材料燃燒的火蔓延過(guò)程。從EPS一端點(diǎn)燃后，這個(gè)區(qū)域定義為EPS火蔓延過(guò)程的預(yù)熱區(qū)；隨著燃燒的發(fā)展，由于燃燒過(guò)程中對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射效應(yīng)，燃料揮發(fā)，此區(qū)域定義為熱解區(qū)，由于試驗(yàn)研究的是建筑外墻水平火蔓延規(guī)律，故熱解區(qū)占據(jù)EPS板中部較大區(qū)域；在EPS板即將燃盡時(shí)，沿著火蔓延方向尚無(wú)可熱解燃料，該區(qū)域定義為EPS的燃盡區(qū)。

圖4 建筑外墻保溫材料火蔓延過(guò)程機(jī)制Fig.4 Mechanism diagram of fire spread process of building external wall insulation material

根據(jù)火蔓延速率與質(zhì)量損失速率的關(guān)系，火蔓延速率v為：

(1)

式中：v為火蔓延速率，cm/s；W′為質(zhì)量損失速率，g/s；l為保溫材料寬度，cm；d為保溫材料厚度，cm；ρ為保溫材料密度，g/cm3。

根據(jù)式(1)，建筑外墻保溫材料的火蔓延速率與質(zhì)量損失速率成正比，保溫材料寬度、厚度及密度由表1可知，故可求得峰值火蔓延速率、平均火蔓延速率。試驗(yàn)中EPS、XPS、硬PU 3種建筑外墻保溫材料的平均質(zhì)量損失速率、峰值質(zhì)量損失速率、平均火蔓延速率及峰值火蔓延速率，見(jiàn)表2。結(jié)合表2，3種建筑外墻保溫材料的平均質(zhì)量損失速率與平均火蔓延速率由大到小依次為EPS、XPS、硬PU?？梢缘玫絏PS燃燒結(jié)束后產(chǎn)生的灰燼較多，為10.9 g，其燃燒所花時(shí)間也最長(zhǎng)，為600 s，但其燃燒過(guò)程中的質(zhì)量損失速率、火蔓延速率并不是最大，這說(shuō)明建筑外墻保溫材料的火蔓延特性是由材料本身特性、環(huán)境條件等多因素耦合影響的結(jié)果。

表2 3種建筑外墻保溫材料的火蔓延特性

2.2 火焰溫度

火焰溫度是火焰的主要特征之一，也是評(píng)價(jià)火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)，在一定程度上會(huì)影響可燃材料的燃燒特性及火蔓延。試驗(yàn)中按照相同規(guī)格長(zhǎng)、寬、厚分別為50.0 cm、8.0 cm、1.8 cm的尺寸截取EPS、XPS及硬PU 3種建筑外墻保溫材料，將用8個(gè)K型熱電偶組成的陣列放在建筑外墻保溫材料沿水平火蔓延方向的中軸線上方，用于測(cè)量建筑外墻保溫材料燃燒時(shí)的表面溫度。

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制3種建筑外墻保溫材料水平火蔓延過(guò)程時(shí)中軸線上方溫度與時(shí)間的變化趨勢(shì)，如圖5所示，得出EPS、XPS及硬PU水平火蔓延時(shí)各處溫度變化情況。以EPS為例，試驗(yàn)中從EPS左端引燃，之后逐漸向右蔓延。當(dāng)火源靠近T0熱電偶時(shí)，T0熱電偶測(cè)得的溫度會(huì)持續(xù)升高，直到峰值，試驗(yàn)中XPS和硬PU中軸線T0處溫度升高的主要原因也是如此。由于EPS燃燒后，火焰會(huì)向右側(cè)蔓延，故T0～T7這8個(gè)熱電偶所測(cè)溫度均呈現(xiàn)先上升，達(dá)到峰值后再下降的趨勢(shì)。對(duì)于EPS、XPS及硬PU這3種建筑外墻保溫材料，8個(gè)熱電偶之間存在一定間隔，可以間接反映出外墻保溫材料火蔓延過(guò)程的3個(gè)區(qū)域，分別為預(yù)熱區(qū)、熱解區(qū)、燃盡區(qū)。對(duì)于火蔓延過(guò)程中的溫度變化，結(jié)合圖5試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)火蔓延過(guò)程的3個(gè)區(qū)域，將3種建筑外墻保溫材料火蔓延過(guò)程中的溫度變化分成3個(gè)階段：預(yù)熱階段(熔融熱解)、穩(wěn)定燃燒階段(熱解蒸汽持續(xù)燃燒)、熄滅階段。T7熱電偶位于保溫材料的末端，所測(cè)得的溫度出現(xiàn)1個(gè)小波峰，是因?yàn)樵诖颂幙諝獬渥悖瑲堄啾夭牧贤耆紵?，火焰溫度較高。對(duì)于3個(gè)燃燒階段，穩(wěn)定燃燒階段峰值溫度相對(duì)較高，根據(jù)圖中8個(gè)熱電偶所測(cè)得溫度最大值來(lái)評(píng)估3個(gè)區(qū)域大致位置。EPS板最高溫度由T4測(cè)得，XPS及硬PU板的最高溫度均由T2測(cè)得，可見(jiàn)，隨著燃燒的發(fā)展，3種材料的熱解速率不一致，XPS和硬PU相對(duì)易燃。

圖5 3種建筑外墻保溫材料水平火蔓延過(guò)程中軸線上方溫度與時(shí)間曲線Fig.5 Temperature and time curves above the axis in the process of horizontal fire spread of three kinds of building external wall insulation materials

2.3 輻射熱

作為火災(zāi)源頭的輻射熱能夠反映火源能量大小及撲滅難度，是衡量火災(zāi)發(fā)展和危險(xiǎn)性的重要參數(shù)。EPS、XPS及硬PU 3種建筑外墻保溫材料的輻射熱與時(shí)間的變化曲線如圖6所示。EPS、XPS輻射熱曲線存在2個(gè)波峰，這可能是由于火蔓延過(guò)程中火焰羽流浮力作用，熱空氣向上流動(dòng)，空氣卷吸對(duì)未燃區(qū)熱反饋加大，在保溫材料燃燒一半以上后兩端空氣充足，燃料完全燃燒，使得溫度再次升高，輻射熱增加。EPS、XPS及硬PU 3次重復(fù)試驗(yàn)的重復(fù)性較好，且輻射熱曲線均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，這是因?yàn)楸夭牧显诨鹇舆^(guò)程中存在預(yù)熱區(qū)，之后在穩(wěn)定燃燒階段，輻射熱達(dá)到峰值，直到熄滅階段，輻射熱逐漸下降。另外由于熱輻射測(cè)量?jī)x位置固定，距離保溫材料中心40.0 cm，從保溫材料一端點(diǎn)燃后，隨著燃料燃燒，火源增長(zhǎng)，火焰距離輻射測(cè)量?jī)x越近，導(dǎo)致輻射熱增加。但是，相對(duì)而言，XPS輻射曲線坡度較平緩，硬PU輻射曲線左側(cè)輻射熱幾乎直線增加，明顯強(qiáng)于XPS和EPS。然而從輻射熱峰值來(lái)看，EPS輻射熱最大，約為100 W/m2，燃燒最為強(qiáng)烈，火災(zāi)危險(xiǎn)性大。3種保溫材料在引燃后，硬PU率先在最短時(shí)間內(nèi)到達(dá)峰值，EPS次之。因此，從可燃材料燃燒時(shí)的輻射熱角度來(lái)看，3種典型外墻保溫材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性由大到小分別為EPS、XPS、硬PU。

圖6 3種建筑外墻保溫材料的輻射熱與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between radiant heat and time of three kinds of building external wall insulation materials

3 結(jié)論

本文在低壓低氧試驗(yàn)艙中開(kāi)展EPS、XPS及硬PU 3種典型建筑外墻保溫材料的燃燒及水平貼壁火蔓延試驗(yàn)，研究建筑外墻保溫材料的燃燒特性及火蔓延行為。對(duì)質(zhì)量損失速率、火焰溫度及輻射熱進(jìn)行了測(cè)量和分析，主要結(jié)論如下：

1)試驗(yàn)中3種典型建筑外墻保溫材料EPS、XPS及硬PU燃燒后質(zhì)量逐漸減小(質(zhì)量損失曲線近似服從二次曲線)，直至全部變?yōu)樘亢冢@與一般固體燃料燃燒規(guī)律類似。EPS、XPS及硬PU的峰值質(zhì)量損失速率分別為0.092 g/s、0.071 g/s、0.080 g/s，平均質(zhì)量損失速率與平均火蔓延速率由大到小依次為EPS、XPS、硬PU，說(shuō)明典型建筑外墻保溫材料易燃速度、火蔓延速度相對(duì)較快。建筑外墻保溫材料火蔓延過(guò)程中可分3個(gè)燃燒區(qū)域，分別為預(yù)熱區(qū)、熱解區(qū)、燃盡區(qū)。

2)開(kāi)展多次重復(fù)燃燒試驗(yàn)，得到在建筑外墻保溫材料火蔓延過(guò)程中燃燒溫度變化的3個(gè)階段，分別為預(yù)熱階段(熔融熱解)、穩(wěn)定燃燒階段(熱解蒸汽持續(xù)燃燒)、熄滅階段。3個(gè)燃燒階段中，穩(wěn)定燃燒階段是燃燒過(guò)程中的高峰期，峰值溫度相對(duì)較高。3種保溫材料在100 s左右進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段，故在典型建筑外墻保溫材料的火災(zāi)消防中，應(yīng)盡可能在100 s前撲滅火災(zāi)，防止火勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大。而在熄滅階段出現(xiàn)的小波峰，是因?yàn)榇颂幙諝獬渥?，殘余外墻保溫材料完全燃燒，火焰溫度較高。另外，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)硬PU的預(yù)熱階段時(shí)間最短，這說(shuō)明硬PU相對(duì)EPS、XPS更易燃，需注意硬PU的阻燃處理，這也為不同保溫材料的分區(qū)、分類防火阻燃提供了參考依據(jù)。

3)多次重復(fù)性試驗(yàn)表明，EPS、XPS及硬PU的輻射熱曲線均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，與理論上的質(zhì)量損失速率(熱釋放速率)變化趨勢(shì)一致。而EPS、XPS的輻射熱曲線存在的2個(gè)波峰，很可能是由于火蔓延過(guò)程中火焰羽流浮力作用，熱空氣向上流動(dòng)，空氣卷吸對(duì)未燃區(qū)熱反饋加大，在保溫材料燃燒一半以上后兩端空氣充足，燃料完全燃燒，輻射熱增加。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，EPS輻射熱最大，為100 W/m2，燃燒最為強(qiáng)烈。3種典型外墻保溫材料的火災(zāi)危險(xiǎn)由大到小分別為EPS、XPS、硬PU，表明XPS火災(zāi)危險(xiǎn)性相對(duì)較大。