摘" 要：有機保溫材料組成的保溫系統(tǒng)在建筑領域被廣泛使用，但有機保溫材料的防火能力相對較弱，其主要依靠外側的抹面砂漿充當保護層以提高防火能力。目前，國內建筑有機保溫層外設置的抹面砂漿厚度一般為3～4 mm，為研究增加抹面砂漿厚度對防火能力影響，通過標準試驗方法，對不同保護層厚度的擠塑聚苯板進行了SBI單體燃燒試驗。試驗結果表明：保護層厚度為5 mm和8 mm時，對保溫材料具有良好的防護效果，能使其燃燒分級達到B1（C）級（難燃材料/制品），可為建筑防火設計提供參考。

關鍵詞：保護層；保溫材料；擠塑聚苯板；燃燒性能；防火

中圖分類號：TU551.2

文獻標志碼：A

文章編號" 1000-5269（2025）01-0079-06

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2025.01.11

收稿日期：2024-04-19

基金項目：云南省科技廳科技計劃資助項目（202301AU070020）; 昆明理工大學自然科學研究基金資助項目（KKZ3202306031）

作者簡介：李" 彬（1995—），男，在讀博士，研究方向：防災減災與防護工程，E-mail：libin528@stu.kust.edu.cn.

*通訊作者：雙" 超，E-mail：kustsc@kust.edu.cn.

建筑外墻保溫系統(tǒng)是建筑的重要組成，是落實國家發(fā)展綠色建筑的重要措施。我國外墻保溫材料以及相應的構造措施均走在了世界前列，隨著建筑技術的發(fā)展和對建筑節(jié)能要求的不斷提高，對外墻保溫系統(tǒng)節(jié)能和安全標準［1］的要求也不斷提高。無論是建筑的施工過程中，還是交付使用之后，有機保溫材料的使用都會增大建筑的火災風險。為此，研究人員做了大量工作，如朱春玲［2］、姜艷［3］、卓萍等［4］介紹了國外外墻保溫系統(tǒng)防火的測試標準；劉建志等［5］使用3 mm薄抹灰的不同保溫材料進行了試驗研究，但是對不同厚度保護層對保溫材料保護效果的研究較少。

行業(yè)規(guī)范JGJ 144—2004《外墻外保溫工程技術規(guī)程》［6］和JGJ 144—2019《外墻外保溫工程技術標準》［7］中要求保溫層外抹面砂漿的厚度為3 mm和5 mm，但JGJ 144—2019中要求5 mm厚的抹面砂漿并非強制性條文。根據(jù)此規(guī)定，國內建筑有機保溫層外設置的抹面砂漿厚度一般為3～4 mm，個別地方設置為5 mm。薄抹灰屬于保溫材料防火的構造措施［8］，大量防火性能較差的薄抹灰有機保溫系統(tǒng)的建筑被使用，造成了一定的安全隱患。

擠塑聚苯板［9］一般是由聚乙烯或聚乙烯共聚物經(jīng)加熱擠壓而成，成品具有良好的保溫隔熱性能。擠塑聚苯板表面連續(xù)，又擁有封閉式蜂窩結構，使其具有保溫性好、抗?jié)B性好、強度高等特點。擠塑聚苯板具有成本低、施工方便等優(yōu)點，即使在被水淋濕或浸泡工況下，其保溫能力和強度也不受影響，因而被廣泛使用［10］。本研究在擠塑聚苯板表面設置0～8 mm厚的抹面砂漿，探究抹灰厚度對有機外墻保溫系統(tǒng)防火性能的影響。

1" 試驗對象

我國和美國，歐盟等國家和地區(qū)，都制定了建筑材料燃燒試驗標準［11-14］。本試驗針對國內市場使用較多的保溫材料——擠塑聚苯板進行研究。擠塑聚苯板的物理參數(shù)參考GB 50411—2019《建筑節(jié)能工程施工質量驗收標準》［15］，試驗數(shù)據(jù)分析和燃燒性能等級劃分依據(jù)GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》［16］。試驗樣品主要物理指標見表1。

試驗前，對從施工現(xiàn)場取得的樣品進行處理。首先，將厚度為100 mm的擠塑聚苯板切割成1 400 mm×600 mm的尺寸。然后，分別在擠塑聚苯板的一側進行砂漿抹面，抹面的厚度分別為3、5、8 mm，同步設置耐堿纖維網(wǎng)格布，成型后在標準條件下養(yǎng)護28 d。試樣一側抹面砂漿厚度的測量照片，如圖1所示。

（a）3 mm""" （b）5 mm""""" （c）8 mm

試驗樣品取自施工現(xiàn)場同一生產(chǎn)廠家、同一批次的擠塑聚苯板。試驗設置4組，抹面砂漿厚度分別為3、5、8 mm，以沒有砂漿保護層的樣品作為對照組，如表2所示。待測墻體應由A級材料（不燃材料/制品）［16］的板材組成，例如不銹鋼板、硅酸鈣板等。本試驗采用的是不銹鋼板。

2" 試驗設計

參照國內外試驗標準，本研究按照GB/T 20284—2006［11］中規(guī)定的SBI單體燃燒試驗進行。單體燃燒試驗可以模擬保溫材料豎直貼在墻上的燃燒狀態(tài)，試驗時火源作用在墻角。通過儀器采集的數(shù)據(jù)和燃燒現(xiàn)象分析，結合GB 8624—2012［16］判定試樣的燃燒性能等級。試驗是在一個面積為3 m×3 m、高2.4 m的燃燒室中進行，燃燒室內設置有2個燃燒器、集氣罩、導管、收集器、小推車、安裝試樣的框架等裝置。

試樣被拼裝成以90°相交的墻角狀態(tài)，試驗裝置的主點火器放置在墻角底部，點火器的燃料是丙烷氣體（純度≥95%）。點火器點火后，試樣會暴露在丙烷燃燒產(chǎn)生的火焰上。在主燃燒器工作20 min后，試驗人員對相關燃燒參數(shù)、滴落物的燃燒狀態(tài)和火焰橫向傳播距離等進行統(tǒng)計。試驗過程中，燃燒器燃燒甲烷氣體，也會產(chǎn)生相應的熱量和煙量。輔助燃燒器的作用是標定主燃燒器燃燒時產(chǎn)生的熱量和煙量。標定結束后，輔助燃燒器停止工作，主燃燒器即開始工作。試驗現(xiàn)象通過現(xiàn)場錄制視頻和觀察記錄，相關燃燒參數(shù)由儀器自動采集并記錄。排煙管道內部有記錄溫度、光衰減、內外壓力差，以及氧氣和二氧化碳的摩爾濃度等參數(shù)的傳感器。試驗系統(tǒng)將對收集到的數(shù)據(jù)進行分析計算，計算的內容包括燃燒速率增長指數(shù)（fire frowth rate index，F(xiàn)IGRA0.4MJ）、累計放熱量（total heat release，THR）和累計產(chǎn)煙量（total smoke production，TSP）。

（a）—（d）試樣安裝后的狀態(tài)；（a′）—（d′）燃燒中或燃燒后的狀態(tài)；（a″）—（d″）、（b）—（d）墻體內保溫材料的熔融滴落情況。

試驗開始前，記錄排煙管道中熱電偶T1、T2和T3的溫度以及環(huán)境溫度且記錄時間至少應達300 s以校準。3個熱電偶T1、T2和T3溫度讀數(shù)的平均值為Tm。3個熱電偶的溫度讀數(shù)與平均值Tm的差值，在任意時刻、任意10個相鄰取樣點內均不應超過1%。試驗過程中，環(huán)境溫度應控制在10～30 ℃的范圍內，且與排煙管道中的溫度差值控制在4 ℃以內。排煙管道風機運行的體積流速V298（t）控制在0.60±0.05 m3/s范圍內。燃燒器工作期間，甲烷氣體供應的流量變化不超過5 mg/s。試驗時間記為t，單位s，使用精密計時器進行計時并自動記錄試驗數(shù)據(jù)。

將制備好的試樣安裝到燃燒室內的框架上，打開試驗控制系統(tǒng)的“狀態(tài)檢測”選項，設置排煙管道的體積流速為V298（t）=0.60 m3/s，檢查并調節(jié)各項試驗參數(shù)達到試驗要求的狀態(tài)。儀器校準結束后，關閉試驗控制系統(tǒng)的“狀態(tài)檢測”選項，填寫試驗名稱，準備開始試驗。

試驗開始0～150 s，調整丙烷氣體的質量流速，將質量流速控制為647±50 mg/s，并在120 s時，點燃輔助點火器開始試驗。在297 s時，輔助點火器停止工作，同時主點火器開始工作。在297～1 260 s時，試樣在主點火器持續(xù)引燃試樣。在主燃燒器工作600 s （試樣受火600 s）時自動記錄累計放熱量（THR600s）和累計產(chǎn)煙量（TSP600s）。在第1 560 s試驗結束，儀器對相關試驗數(shù)據(jù)停止采集，并綜合評估試樣的防火性能。待火焰熄滅后，試驗人員拍照記錄最終的試驗現(xiàn)象，試驗前后的照片如圖2所示。

試驗A是沒有砂漿保護層（圖2（a））的裸板燃燒對照試驗，試樣受火后即被引燃（圖2（a′）），保溫材料迅速熔融收縮。試驗進行至約1 020 s時，擠塑聚苯板的熔融物滴落被引燃，并很快將側板底部熔融，導致側板垮塌（圖2（a″）），試驗A被迫提前結束。

試驗B、C、D的保溫材料外保護層厚度分別為3、5、8 mm。圖2（b）—（d）為試驗前照片，圖2（b′）—（d′）為燃燒后照片，從圖2（b″）—（d″）、（b）—（d）可以觀察到有機保溫材料的熔融滴落情況。

3" 試驗結果

對試樣進行SBI單體燃燒試驗，試樣燃燒速率增長指數(shù)、累計放熱量、累計產(chǎn)煙量隨時間的變化曲線如圖3所示。

3.1" 試驗A

試驗A中，主燃燒器火源接觸到試樣后，試樣迅速收縮熔融并被引燃。由圖3（a）可以看出：試樣的燃燒速率增長指數(shù)在297～525 s之間迅速升高，525 s時達到峰值，（FIGRA0.4MJ）max=281.6 W/s。試樣下部熔融收縮，熔融的滴落物被引燃，燃燒速率增長指數(shù)出現(xiàn)小幅上漲。在試驗進行至1 020 s時，燃燒的滴落物將側板底部全部熔融，引起側板失穩(wěn)，不得不將主燃燒器關機，并使用滅火器滅火，試驗A提前結束，燃燒速率增長指數(shù)停止增長。

由圖3（b）（c）可以看出：累計放熱量（THR）與累計產(chǎn)煙量（TSP）的增長趨勢一致，試樣在297～525 s之間增長較快，而后緩慢增長。在滴落物劇烈燃燒期間，放熱量和產(chǎn)煙量又快速增加，在1 200 s附近用滅火器滅火后，總放熱量和總產(chǎn)煙量趨于穩(wěn)定。試樣受火600 s燃燒的放熱量THR600s=40.11 MJ；產(chǎn)煙量TSP600s=45.25 m2。最終試驗A的總放熱量THRmax=56.35 MJ；總產(chǎn)煙量TSPmax=62.30 m2。

在被主燃燒器點燃時，試樣底部迅速熔融，試樣表面開始出現(xiàn)閃燃，火焰高度迅速擴大，熔融滴落物被引燃后，火勢迅速擴大并伴有濃煙。為保證安全，試驗A提前結束。根據(jù)試驗結果，該試樣的燃燒參數(shù)不符合GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》［16］對B1（C）級材料的相關規(guī)定。

3.2" 試驗B

試驗B中，試樣保護層厚度為3 mm，保溫材料被引燃后，燃燒速率增長指數(shù)迅速增長，達到峰值后緩慢降低。由圖3（a）可以看出：燃燒時間297～912 s時，燃燒速率增長曲線增長幅度最大，在912 s達到最大值（FIGRA0.4MJ）max=221.5 W/s。試樣受火時，在高溫的作用下，即使有保護層的保護也會迅速熔融收縮，試樣下部離火源近的位置熔融結束后，燃燒速率增長指數(shù)才開始逐漸減小。

隨著試樣受火時間的增加，試驗B的總放熱量在增長。由圖3（b）可以看出：放熱量的增長前期較快，后期緩慢。試樣受火600 s放熱量THR600s=20.46 MJ、產(chǎn)煙量TSP600s=21.07 m2。最終試驗B的總放熱量THRmax=26.81 MJ、總產(chǎn)煙量TSPmax=31.59 m2。

在主燃燒器開始工作的前600 s內，試驗B放熱量、產(chǎn)煙量遠低于試驗A，說明保溫材料在厚度3 mm砂漿保護層的保護下，防火能力得到一定程度的提升，同時試樣熔融釋放的有毒有害氣體也大量減少。至試驗結束，試樣及熔融滴落物都未被引燃，試樣表面也沒發(fā)生閃燃，但試樣的燃燒性能不符合GB 8624—2012規(guī)定的B1（C）級材料。

3.3" 試驗C

試驗C中試樣保護層厚度為5 mm。試驗開始后，燃燒速率增長指數(shù)先增長，達到峰值后緩慢降低，在297～712 s之間燃燒速率增長曲線增長較快，在712 s達到最大值（FIGRA0.4MJ）max=88.4 W/s。

試樣的總放熱量和總產(chǎn)煙量有相同的增長趨勢，在297～712 s之間增長較快，712 s后放熱量和產(chǎn)煙量的增速變緩。試樣受火600 s的放熱量THR600s=11.16 MJ、產(chǎn)煙量TSP600s=12.72 m2，這個結果符合規(guī)范對B1（C）級保溫材料燃燒等級的要求。最終試驗C的總放熱量THRmax=12.93 MJ、總產(chǎn)煙量TSPmax=16.93 m2。

主燃燒器引燃試樣時，在5 mm抹面砂漿保護層的保護下，試樣未發(fā)生燃燒和閃燃，至試驗結束熔融滴落物也沒有燃燒。綜合5 mm砂漿保護層的試樣的燃燒參數(shù)，該試樣的參數(shù)符合GB 8624—2012對B1（C）級材料的相關規(guī)定。

3.4" 試驗D

試驗D中試樣保護層厚度為8 mm。試驗開始后，燃燒速率增長指數(shù)先增長，達到峰值后緩慢降低，在297～489 s之間燃燒速率增長曲線增長較快，在489 s達到最大值（FIGRA0.4MJ）max=51.2 W/s。

試樣的總放熱量和總產(chǎn)煙量有相同的增長趨勢，在297～489 s之間增長較快，489 s后放熱量和產(chǎn)煙量的增速變緩。試樣受火600 s的放熱量THR600s=8.81 MJ、產(chǎn)煙量TSP600s=10.61 m2，這個結果符合規(guī)范對B1（C）級保溫材料燃燒等級的要求。最終試驗D的總放熱量THRmax=12.56 MJ、總產(chǎn)煙量TSPmax=16.31 m2。與試驗C相比，試驗D的最終總放熱量和總產(chǎn)煙量相差不多，但試驗D的THR600s和TSP600s都要小于試驗C，說明具有8 mm砂漿保護層的試樣，其防火性能一定程度上較好。

在8 mm抹面砂漿保護層的保護下，試樣被主燃燒器點燃時，試樣本身和熔融滴落物都沒有發(fā)生燃燒和閃燃現(xiàn)象。綜合8 mm砂漿保護層的試樣的燃燒參數(shù)，該試樣符合GB 8624—2012對B1（C）級材料的相關規(guī)定。

根據(jù)圖2和圖3對比分析可知：在保護層厚度為0～8 mm的范圍內，試樣的防火性能隨著保護層厚度的增加而提升。對試驗A、B、C、D的燃燒參數(shù)進行對比，如圖4所示。由圖4可見：沒有保護層保護的保溫材料（試驗A），在受火燃燒時，無論是累計產(chǎn)煙量、累計放熱量，燃燒速率增長指數(shù)峰值都相對較大。保護層厚度為3 mm的試樣（試驗B）雖然有薄保護層的保護，但受火燃燒時，防火性能雖然有提升，但試樣的燃燒參數(shù)不符合GB 8624—2012對B1（C）級材料的規(guī)定。試驗C將保護層厚度增加到5 mm，試樣的防火性能又得到了進一步的提升。試驗D的保護層厚度是8 mm，與試驗C相比，對燃燒時的熱釋放量、產(chǎn)煙量降低程度有限，但是試驗D具有更低的燃燒速率增長指數(shù)峰值。較低的燃燒速率增長指數(shù)峰值意味著火災發(fā)生的初期，火災蔓延的速度可能較低，有利于建筑物內人員的逃生。

此外，薄抹面砂漿作為一種脆性材料，當厚度過大時，易發(fā)生脆性開裂，影響其防護效果，需加鋼絲網(wǎng)來提升薄抹灰系統(tǒng)的整體性，增加了施工難度，提高了工程造價，因而不宜通過繼續(xù)增加砂漿保護層厚度（gt;8 mm）來提高擠塑聚苯板的防火性能。

4" 結論

本研究通過對比常用的保溫材料擠塑聚苯板的裸板，設置3、5、8 mm抹面砂漿保護層的擠塑聚苯板的SBI單體燃燒試驗，得到以下結論：

1）3 mm厚砂漿保護層對保溫材料的防火性能有提升，但提升程度不夠。

2）5 mm和8 mm厚砂漿保護層對保溫材料的防護較為理想，能減少火災的致災效應。

3）對于消防要求較高的公共建筑，可優(yōu)先使用具有8 mm厚砂漿保護層的保溫材料。

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（責任編輯：周曉南）

An Experimental Study on the Effect of Protective Layer Thickness

on Fire Resistance of Organic Thermal Insulation Materials

LI Bin1， SHUANG Chao*1， LIU Bo2

（1.Faculty of Civil Engineering and Mechanics， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China;

2.Henan Capital Construction Science Experiment Institute Co.， Ltd， Zhengzhou 450016， China）

Abstract：

Thermal insulation system composed of organic thermal insulation materials is widely used in the construction field， but the fire resistance of organic thermal insulation materials is relatively weak， therefore， the outside plastering mortar plays an important role in improving the resistance of organic thermal insulation materials. At present， the thickness of plastering mortar set outside the organic insulation layer of buildings in China is generally 3-4 mm， but there is little research on the influence of increasing the thickness of plastering mortar on fire prevention ability. In this paper， the burning test of SBI monomer was carried out on extruded polystyrene board with different protective layer thickness by using standard test method. The test results show that when the thickness of the protective layer is 5 mm and 8 mm， it has a good protective effect on thermal insulation materials， and its combustion classification can reach B1（C） level （flame retardant materials/products）. All this could provide reference for building fire protection design.

Key words：

protective layer; thermal insulation materials; extruded polystyrene board; combustion performance; fire prevention