拉薩和合肥環(huán)境下不同厚度保溫材料EPS火蔓延特性研究＊

黃新杰,紀(jì) 杰,張 英,張 毅,孫金華

(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

硬質(zhì)閉孔聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)彩鋼夾芯板是目前國(guó)際特別是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上一種使用非常普遍的輕質(zhì)新型建材保溫材料[1]。EPS芯材接近熱源或火源時(shí)較易發(fā)生明火燃燒,在受火區(qū)表面產(chǎn)生黃橙色火焰并快速向芯材其它部位傳播,芯材則軟化、收縮、熔融和滴落,在空中和地面形成流竄火和流淌火,同時(shí)釋放大量熱量、黑煙和有毒有害氣體,導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)極具危險(xiǎn)性且難撲救。

例如:2007年10月3日,新疆吐魯番市新拓市場(chǎng)發(fā)生火災(zāi),過(guò)火面積1 383.4 m2?；馂?zāi)造成1人死亡,起火材料為EPS彩鋼夾芯板,耐火性能差。因此,系統(tǒng)地研究保溫材料的火蔓延特性,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)固體材料表面火蔓延過(guò)程中,熱穿透厚度和保溫材料半厚度的關(guān)系,可以將保溫材料分為熱厚型材料(d＜L),以及熱薄型材料(d＞L)[2]。C.diBlasi等[3-4]通過(guò)數(shù)值模擬研究了材料的厚度對(duì)火蔓延的影響,根據(jù)材料的厚度與火蔓延特性的關(guān)系將其分成三種類型,即:化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制型、熱薄型和熱厚型?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)控制型,材料的厚度非常薄,有限化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制了火蔓延的速度,火蔓延速度隨著厚度的增加而增加,同時(shí)火焰和熱解區(qū)的長(zhǎng)度非常短;熱薄型,材料的厚度比較薄,火蔓延速度隨著厚度的增加而減小;熱厚型,材料的厚度比較厚,火蔓延速度基本上不隨著厚度的增加而變化。Subrata Bhattacharjee等[5]研究了在靜止的微重力環(huán)境下,PMMA和纖維素物質(zhì)火焰熄滅的臨界厚度。研究表明,在靜止的微重力環(huán)境下,所有物質(zhì)能夠進(jìn)行穩(wěn)態(tài)火蔓延燃燒,均為熱薄型物質(zhì)。同時(shí),從固體表面輻射損失的角度,得到了火蔓延過(guò)程中材料的臨界厚度。當(dāng)材料的厚度大于臨界厚度或材料的無(wú)量綱輻射數(shù)大于0.25,火焰將熄滅,火蔓延不能維持。Mojtaba Mamourian等[6]實(shí)驗(yàn)研究了三種厚度的PMMA薄片垂直向下的火蔓延情況。通過(guò)一維熱量傳遞模型,得到了火蔓延速度和材料厚度的關(guān)系,即火蔓延速度隨著厚度的增加而降低,最終趨于一個(gè)常數(shù)的關(guān)系。由于保溫材料EPS密度非常小,燃燒過(guò)程中,收縮熔融,其火蔓延情況比較復(fù)雜,到現(xiàn)在為止,關(guān)于厚度對(duì)保溫材料火蔓延特性的研究相對(duì)較少。同時(shí),針對(duì)不同厚度的保溫材料在高原環(huán)境(低壓低氧)下火蔓延特性研究幾乎是空白,僅有幾篇關(guān)于可碳化固體可燃物在高原地區(qū)的火蔓延特性研究。因而有必要研究不同厚度保溫材料在不同外界環(huán)境下火蔓延特性。

本文對(duì)常用的保溫材料EPS,分別在拉薩高原環(huán)境和合肥平原環(huán)境下進(jìn)行了小尺寸火蔓延實(shí)驗(yàn)。選取了材料的厚度為2 cm、3 cm、4 cm、5 cm四種厚度,材料的寬度為4 cm,長(zhǎng)度為80 cm。對(duì)保溫材料EPS在兩地火蔓延過(guò)程中火蔓延速度、平均池火長(zhǎng)度、平均最大火焰高度等特性參數(shù)進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)是在小尺寸火蔓延實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如下圖1所示,由以下2個(gè)部分組成:(a)旋轉(zhuǎn)式實(shí)驗(yàn)支架系統(tǒng),包括旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)支架和石膏板。在石膏板上放有保溫材料,可進(jìn)行保溫材料在不同放置角度下單面火蔓延實(shí)驗(yàn);(b)火蔓延特性測(cè)量系統(tǒng),包括熱電偶、輻射熱流計(jì)、攝像機(jī)以及數(shù)據(jù)采集器和熱流采集器。通過(guò)熱電偶可以測(cè)定保溫材料火蔓延過(guò)程中氣相溫度的變化以及保溫材料表面和內(nèi)部溫度的變化;通過(guò)熱流計(jì)可以測(cè)定火蔓延過(guò)程中熱輻射通量的變化;通過(guò)攝像機(jī)拍攝保溫材料火蔓延的動(dòng)態(tài)過(guò)程,得到保溫材料的熱解前鋒位置和時(shí)間的關(guān)系。

圖1 保溫材料EPS小尺寸火蔓延實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 試樣準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)測(cè)量

通常建筑保溫材料EPS的規(guī)格為5 cm厚[7],本次實(shí)驗(yàn)中選取EPS厚度為2 cm、3 cm、4 cm、5 cm四種,長(zhǎng)度和寬度分別為80 cm和4 cm,密度為18 kg/m3。試樣的底表面用鋁箔進(jìn)行包裹,起到隔熱和防止熔融的保溫材料流淌到石膏板上。在試樣的上表面每隔5 cm畫(huà)一條平行線,便于拍攝火蔓延過(guò)程中,不同時(shí)刻熱解前鋒的瞬時(shí)位置。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

保溫材料火蔓延實(shí)驗(yàn)分別在高原環(huán)境的拉薩和具有平原環(huán)境的合肥進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)時(shí)兩地地理氣象條件如上表1所示。

表1 兩地地理氣象條件

分別在兩地對(duì)四種厚度的EPS進(jìn)行了火蔓延實(shí)驗(yàn),得到了火蔓延速度,平均池火長(zhǎng)度,平均最大火焰高度等特征參數(shù)的變化規(guī)律。

2.1 不同厚度保溫材料EPS火蔓延特點(diǎn)

圖2是厚度分別d=2 cm,3 cm,4 cm,5 cm的四種EPS,在拉薩環(huán)境下的火焰形狀圖,起始時(shí)刻t=0 s定義為熱解前鋒火焰蔓延經(jīng)過(guò)20 cm位置處的時(shí)刻?；鹧娼Y(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。從圖2可以看出,對(duì)于不同厚度EPS在火蔓延過(guò)程中,熱解前鋒在相同時(shí)刻的位置有所不同,即不同厚度EPS火蔓延速度有所不同。同時(shí),不同厚度EPS在火蔓延過(guò)程中,平均池火長(zhǎng)度,平均最大火焰高度均有所不同。同樣這四種厚度EPS在合肥環(huán)境下,火蔓延速度,平均池火長(zhǎng)度,平均最大火焰高度隨著厚度的變化有著和拉薩相似的規(guī)律。

2.2 不同厚度EPS火蔓延速度

圖2 拉薩環(huán)境下不同厚度EPS不同時(shí)刻火焰形狀

圖3 EPS火蔓延過(guò)程中火焰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖4所示,無(wú)論在拉薩和合肥環(huán)境下,四種厚度EPS火蔓延過(guò)程中熱解前鋒位置和火蔓延時(shí)間近似呈線性關(guān)系,即火蔓延速度為一常數(shù),直線的斜率為火蔓延速度的大小。從圖4(a),可以看出,不同厚度EPS在拉薩低壓低氧環(huán)境下,火蔓延速度隨著厚度增加,而略有增加,但是這種增幅不是很明顯。厚度為2 cm的EPS,在火蔓延過(guò)程中,出現(xiàn)了熄滅的現(xiàn)象。這主要由于,2 cm厚EPS火蔓延過(guò)程中,熱解熔融的EPS越來(lái)越少,使得表面燃燒火焰區(qū)(如圖3所示)火焰高度越來(lái)越低以及池火長(zhǎng)度越來(lái)越短,火焰的熱釋放速率越來(lái)越小,因而使得EPS預(yù)熱區(qū)接受到的熱量越來(lái)越少,最終導(dǎo)致火焰的熄滅。而在合肥常壓常氧的環(huán)境下,如圖4(b)所示,隨著厚度的增加,火蔓延速度有逐漸增大的趨勢(shì),這種增加的幅度明顯地高于在拉薩火蔓延情況下,說(shuō)明在更高的壓力和氧氣濃度下,保溫材料EPS火蔓延速度對(duì)厚度的敏感性越大。2 cm厚的EPS,在合肥進(jìn)行火蔓延實(shí)驗(yàn)時(shí),沒(méi)有出現(xiàn)熄滅的情況。這主要由于,合肥的大氣壓力和絕對(duì)氧氣濃度相應(yīng)地比較大,更容易促進(jìn)EPS的燃燒。同時(shí),對(duì)于同種厚度的EPS,在拉薩的火蔓延速度均要小于合肥的。說(shuō)明大氣壓力和絕對(duì)氧氣濃度的增加將促進(jìn)保溫材料EPS火蔓延的進(jìn)行。

2.3 平均池火長(zhǎng)度和池火區(qū)平均最大火焰高度

分別對(duì)2 cm、3 cm、4 cm、5 cm厚的保溫材料EPS,在拉薩和合肥火蔓延過(guò)程中,1～80 s時(shí)間內(nèi),池火區(qū)長(zhǎng)度和池火區(qū)最大火焰高度進(jìn)行了測(cè)定。

圖4 不同厚度EPS兩地火蔓延過(guò)程中熱解前鋒-時(shí)間圖

圖5為四種厚度的EPS在兩地火蔓延過(guò)程中,測(cè)得的平均池火長(zhǎng)度。從圖5中可以看出,隨著厚度的增加,無(wú)論在拉薩和合肥地區(qū),平均池火長(zhǎng)度均有增加的趨勢(shì),當(dāng)厚度比較大的時(shí)候,這種增加趨勢(shì)比較小。同時(shí),同種厚度EPS的平均池火長(zhǎng)度在合肥情況下均要高于在拉薩情況下。說(shuō)明,在厚度比較小的情況下,此時(shí)保溫材料厚度以及大氣壓力和氧氣濃度共同影響著平均池火長(zhǎng)度;而當(dāng)厚度比較大的時(shí)候,厚度對(duì)平均池火長(zhǎng)度的影響越來(lái)越弱,這時(shí),大氣壓力和絕對(duì)氧氣濃度主要影響著平均池火長(zhǎng)度。

圖5 不同厚度EPS兩地平均池火長(zhǎng)度

同時(shí),對(duì)四種厚度EPS在兩地火蔓延過(guò)程中,池火區(qū)最大火焰高度進(jìn)行了測(cè)定。得到兩地不同厚度EPS平均最大火焰高度,如下圖6所示。

圖6 不同厚度EPS兩地平均最大火焰高度

從圖6可以看出,同種厚度EPS的平均最大火焰高度在合肥情況下均要高于在拉薩情況下。在拉薩環(huán)境下,隨著保溫材料厚度的增加,平均火焰高度呈線性增加的趨勢(shì)。然而,在合肥環(huán)境下,保溫材料厚度從2 cm到3 cm,平均最大火焰高度增加的比較明顯,之后,隨著厚度的增加,火焰高度增加的很小。說(shuō)明,在拉薩低壓低氧環(huán)境下,保溫材料EPS厚度對(duì)平均最大火焰高度的影響比較大;而在合肥常壓常氧環(huán)境下,只有在保溫材料厚度比較小的時(shí)候,厚度才對(duì)平均最大火焰高度有著比較大的影響。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)常用的保溫材料EPS,厚度為2 cm、3 cm、4 cm、5 cm,長(zhǎng)度80 cm和寬度4 cm,分別在拉薩高原環(huán)境和合肥平原環(huán)境下進(jìn)行小尺寸火蔓延實(shí)驗(yàn)。分析了在水平放置的情況下,火蔓延過(guò)程中火蔓延速度、平均池火長(zhǎng)度、平均最大火焰高度等特性參數(shù)的變化規(guī)律,得到:

(1)保溫材料EPS在兩地火蔓延過(guò)程中,隨著厚度的增加,火蔓延速度均有增加的趨勢(shì),在合肥地區(qū),增加趨勢(shì)越明顯。

(2)在拉薩和合肥兩地,保溫材料隨著厚度的增加,平均池火長(zhǎng)度呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì),當(dāng)厚度比較大的時(shí)候,增加趨勢(shì)不明顯。

(3)在拉薩,隨著厚度的增加,平均火焰高度呈線性增加的趨勢(shì);而在合肥,只有當(dāng)厚度比較小的時(shí)候,厚度才對(duì)平均最大火焰高度有著比較大的影響。

(4)同種厚度EPS火蔓延速度、平均池火長(zhǎng)度以及平均最大火焰高度在合肥情況下均要大于在拉薩情況下。

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