常用聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)的點燃特性研究

亓延軍，程旭東，許 磊，張和平＊

（1.山東消防總隊，濟南，250101；2.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥，230026）

常用聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)的點燃特性研究

亓延軍1，2，程旭東2，許 磊2，張和平2＊

（1.山東消防總隊，濟南，250101；2.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥，230026）

基于錐形量熱儀實驗，對常用的聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)的點燃特性進行了實驗研究。所研究的系統(tǒng)種類包括粘貼保溫板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)，瓷磚飾面粘貼保溫板外墻外保溫系統(tǒng)，膠粉漿料復合保溫板外墻外保溫系統(tǒng)和保溫裝飾板外墻外保溫系統(tǒng)。實驗結果顯示，聚氨酯硬泡保溫板和聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)都可由熱厚型點燃描述。在防護層對點燃時間的抑制效果方面，膠粉聚苯顆粒復合保溫板系統(tǒng)最好，瓷磚飾面系統(tǒng)稍差但明顯好于5mm和3mm厚防護層的薄抹灰系統(tǒng)，鋁板保溫裝飾板系統(tǒng)最差。

聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)；錐形量熱儀；防護層；點燃特性

0 引言

節(jié)能減排政策的實施，促進了外墻外保溫技術迅速地應用與普及，一方面建筑節(jié)能效果顯著提高，而另一方面與之配套的消防安全法規(guī)卻相對滯后，大量可燃、易燃的外墻保溫材料被應用于大型公用建筑和高層建筑，導致火災事故時有發(fā)生，不僅嚴重威脅了人民生命和財產安全，也不乏規(guī)模較大的火災造成負面的社會影響。為此，公安部消防局65號文嚴格限制可燃材料在新建建筑中的應用，然而其對已安裝的有機外墻外保溫系統(tǒng)卻沒有相應要求。外墻保溫系統(tǒng)是包含了粘結層、保溫材料層、抹面層和飾面層等的一套體系。因為有不可燃防護層的保護，可燃的保溫材料并不會直接曝露于火災環(huán)境中，所以這種體系被認為具有較好的防火效果，然而這種說法卻缺少實驗的驗證。在高強度熱流沖擊下，體系內的可燃保溫材料很可能被點燃，由此帶來的潛在火災隱患不容忽視。

本文基于國際上常用的錐形量熱計測試［1，2］，以目前國內市場比較常用的聚氨酯硬泡（RPUF）外墻外保溫系統(tǒng)為對象，對其點燃特性進行研究。通過對國內外文獻的調研，還未見有機外墻外保溫系統(tǒng)火災相關的研究成果發(fā)表。

1 實驗描述

1.1 保溫系統(tǒng)構成

根據(jù)構造特點，可將外墻外保溫系統(tǒng)的構成分成三部分：第一部分為基層墻體，包括水泥砂漿和混凝土外墻。由于錐形量熱儀對樣品厚度的限制，本文不考慮基層墻體的構造。第二部分是保溫層，本文僅考慮RPUF保溫層情況。RPUF保溫材料密度45.6kg／m3，為阻燃型，阻燃劑為磷酸三（1-氯－乙丙基）酯（TCPP）。第三部分是防護層，也即由抹面層和飾面層共同組成的對保溫板起保護作用的面層。綜合考慮系統(tǒng)的構造特點，本文主要研究以下幾類外墻外保溫系統(tǒng)：

（1）粘貼保溫板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)

系統(tǒng)組成及做法可參考文獻［3］。用于錐形量熱儀測試的薄抹灰系統(tǒng)構成包括保溫板，抹面層（內鋪滿玻纖網(wǎng)）和飾面層。薄抹灰系統(tǒng)抹面層的厚度一般有兩種規(guī)格，普通型厚3mm-5mm，加強型厚5mm-7mm。為了比較薄抹灰系統(tǒng)防護層的厚度對防火性能的影響，本文選取了3mm和5mm兩種厚度。系統(tǒng)飾面層選用外墻用乳膠漆。薄抹灰系統(tǒng)樣品實物見圖1。

圖1 粘貼保溫板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)樣品示意圖Fig.1 Sample of thin-plastering system

（2）瓷磚飾面粘貼保溫板外墻外保溫系統(tǒng)

系統(tǒng)組成及做法可參考文獻［3］。瓷磚飾面粘貼保溫板外墻外保溫系統(tǒng)與粘貼保溫板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)類似，區(qū)別在于抹面層用瓷磚粘結砂漿代替了抹面砂漿，然后在其上鋪設外墻瓷磚作為飾面層。實驗樣品粘結砂漿厚3mm。外墻瓷磚厚6mm。面磚之間用專用勾縫劑勾縫，縫寬8mm。實物圖2所示。

圖2 瓷磚飾面粘貼保溫板外墻外保溫系統(tǒng)示意圖Fig.2 Sample of ceramic face system

（3）膠粉漿料復合保溫板外墻外保溫系統(tǒng)

系統(tǒng)組成及做法可參考文獻［4-6］。系統(tǒng)保溫層材料為膠粉聚苯顆粒保溫漿料外加泡沫保溫板。用于錐形量熱儀測試的膠粉聚苯顆粒保溫漿料樣品厚度為15mm，其上再用3mm厚抹面膠漿抹面，抹面膠漿中鋪滿玻纖網(wǎng)格布，飾面層為外墻乳膠漆，系統(tǒng)實物見圖3。

圖3 膠粉漿料復合保溫板外墻外保溫系統(tǒng)示意圖Fig.3 Sample of mineral binder composited system

（4）保溫裝飾板外墻外保溫系統(tǒng)

保溫裝飾板系統(tǒng)的制作相對簡單，規(guī)格要求可參考文獻［7-9］。本文保溫裝飾板用0.16mm厚鋁板＋氟碳漆飾面作為防護層，由專用膠粘劑粘貼于泡沫保溫板之上，樣品實物見圖4。

圖4 保溫裝飾板外墻外保溫系統(tǒng)示意圖Fig.4 Sample of decorative panel system

1.2 實驗工況

熱流施加強度是錐形量熱儀測試的一個重要參數(shù)，對于 RPUF 保溫板，本文選取25kW／m2、35kW／m2、50kW／m2和65kW／m2四個熱流強度；對于RPUF外墻外保溫系統(tǒng)，由于在有機保溫板外面有防護層的保護，其點燃特性會受到很大影響，為此本文先用50kW／m2熱流強度進行試探性實驗，再根據(jù)實驗結果適當增加或減小熱流強度的選取范圍，最終各外墻外保溫系統(tǒng)的測試工況列于表1中。

表1 錐形量熱儀實驗所選保溫體系種類Table 1 Types of exterior wall insulation systems used for cone calorimeter test

為了了解系統(tǒng)內部溫度分布情況，本文用熱電偶對測試過程中系統(tǒng)內部溫度進行了測量。熱電偶位置見圖5，樣品中軸線附近沿厚度方向放置5個熱電偶。第1個熱電偶測點置于樣品表面（Ts）；第2個熱電偶測點放在防護層與有機保溫層材料的交界面（Tb）（注：對于有機泡沫板則沒有這個熱電偶測點）；第3至第5個熱電偶測點在材料內部和底面，距離底面0cm、1cm和2cm的位置放置熱電偶測點，標號分別為T5，T4和T3。選用K型鎧裝熱電偶，外徑1mm。熱電偶延長部分被彎曲成特定形狀，可牢固地卡在樣品不銹鋼外套和樣品托盤之間。

圖5 錐形量熱儀測試熱電偶位置Fig.5 Positions of thermocouples in the sample of cone calorimeter test

2 結果與分析

2.1 聚氨酯硬泡保溫板點燃分析

通過模型將輻射強度與點燃時間相關聯(lián)可對材料的點燃特性參數(shù)進行分析。由Quintiere和Harkleroad［10］發(fā)展的 ASTM E1321標準方法［11］比較常用，但其只適用于熱厚型材料，Janssens［12］對模型進行了改進，使其應用范圍擴大到非熱厚型材料，模型計算主要包含以下步驟：

（1）通過下式建立不同熱流強度下材料點燃時間關系：

（3）由式（2）求出 Tig以及hig。本文中假設ε＝1，表面向上平板的對流換熱系數(shù)可取h＝0.010kW／m2·K［13］；

（4）通過下式建立各數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系：

圖6 RPUF n值求解（Janssens模型）Fig.6 Calculation of nin the Janssens model for RPUF

圖7 RPUF熱流－點燃時間關系Fig.7 Correlation of heat flux and ignition time for RPUF

表2 聚氨酯硬泡點燃特性參數(shù)Table 2 Ignition properties of RPUF

2.2 聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)點燃分析

用Janssens模型對聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)的熱流強度－點燃時間進行分析，得到的臨界熱流數(shù)據(jù)為負值，說明Janssens模型不適用于帶有不可燃防護層的外保溫體系。沒有防護層的聚氨酯硬泡材料是典型的熱厚型材料，但加上防護層后樣品的點燃時間被延長，熱量不斷向內部傳導，樣品內部溫度有逐漸均一的趨勢，給材料點燃特性的判斷帶來一定難度。由此本文對點燃時各熱電偶測點的溫度進行了分析，并得到了如下溫差數(shù)據(jù)：DT1＝Tb－T3；DT2＝T3－T4；DT3＝T4－T5；其中DT1，DT2和DT3代表不同位置溫度測點的溫度差，測點位置代號見圖5。各外墻外保溫系統(tǒng)在不同熱流施加強度下點燃時聚氨酯硬泡內溫差數(shù)據(jù)見圖8。

圖8 不同保溫體系點燃時聚氨酯硬泡內部溫差Fig.8 Temperature differences in the RPUF at the time of ignition

圖9 不同熱流施加強度下RPUF外墻外保溫系統(tǒng)點燃時間Fig.9 Ignition time of RPUF exterior wall insulation systems under different heat fluxes

從圖8中可以看出，各系統(tǒng)DT1的值都很大，說明在點燃時樣品內部有較大的溫度梯度，可認為是熱厚型材料。由此，各外墻外保溫系統(tǒng)的點燃時間可用熱厚型材料的點燃關系式進行描述，所得熱流強度－點燃時間關系在圖9中給出。

從圖9中可以看出，對于同一類型的外墻外保溫系統(tǒng)，施加熱流強度是決定點燃時間的關鍵參數(shù)，所施加熱流強度與點燃時間的－0.5次方呈較好的線性關系。在施加熱流強度相同的條件下，防護層的熱防護性能成為影響材料點燃時間的重要參數(shù)。鋁板保溫裝飾板系統(tǒng)點燃時間最短，這是因為一方面鋁板的隔熱性能最差，熱量在較短的時間即可穿透防護層使聚氨酯硬泡保溫材料熱解，另一方面油性的氟碳漆首先被快速點燃，生成的火焰又在邊緣引燃了保溫層熱解出的可燃氣。對于薄抹灰系統(tǒng)，3mm防護層隔熱效果要弱于5mm的防護層，這一點在點燃時間上也有所體現(xiàn)。瓷磚飾面和膠粉復合保溫板系統(tǒng)防護層都較厚，相應的隔熱性能也較好，點燃時間也會相應延長。特別對于膠粉復合保溫板系統(tǒng)，在35kW／m2和50kW／m2兩個熱流施加強度下樣品沒有被點燃，除自身隔熱性能較好外，膠粉聚苯顆粒層無機膠粉在受熱過程中掉落到保溫材料之上也可能會影響到樣品的點燃。

2.3 防護層對點燃時間的抑制效果

圖10給出了各外墻外保溫系統(tǒng)點燃時間與沒有防護層的RPUF保溫板點燃時間的比值，比值的大小可表征防護層對點燃時間的抑制效果。從圖10中可以看出，膠粉聚苯顆粒復合保溫板系統(tǒng)對點燃時間的抑制效果最好，在35kW／m2和50kW／m2熱流強度工況都沒有被點燃。瓷磚飾面系統(tǒng)稍差但也明顯好于5mm和3mm厚防護層的薄抹灰系統(tǒng)，鋁板保溫裝飾板系統(tǒng)最差，對點燃時間的抑制效果并不明顯。從圖10中還可以看出，防護層對點燃時間的抑制效果隨熱流強度的增大而增大。

3 結論

由Janssens點燃模型分析可知，RPUF保溫板為熱厚型點燃，也即其點燃時間的－0.5次方與熱流施加強度呈線性關系。對于有不可燃防護層的外墻外保溫系統(tǒng)，Janssens模型已不再適用，通過對系統(tǒng)保溫層溫度的分析，可認為RPUF外墻外保溫系統(tǒng)可由熱厚型點燃描述。

圖10 防護層對點燃時間的抑制效果Fig.10 The inhibitory effect of the protective layer on the ignition time

防護層對點燃時間的抑制效果以外保溫系統(tǒng)的點燃時間與同熱流強度下RPUF保溫板的點燃時間之比來量化?？偟膩碚f膠粉復合保溫板系統(tǒng)和瓷磚飾面系統(tǒng)對點燃時間的抑制效果比較接近，都要優(yōu)于5mm厚和3mm厚防護層的薄抹灰系統(tǒng)以及鋁板保溫裝飾板系統(tǒng)。

需要注意的是，以上結果僅限于本文實驗條件，各種系統(tǒng)之間的比較也是相對的，由于有機外墻外保溫系統(tǒng)的保溫層是可燃材料，所以并不存在絕對的消防安全。

［1］ISO 5660-1-2002.Reaction-to-fire tests -Heat release，smoke production and mass loss rate Part 1：Heat release rate（cone calorimeter method）［S］.

［2］ISO 5660-3-2003.Reaction-to-fire tests -Heat release，smoke production and mass loss rate-Part 3：Guidance on measurement［S］.

［3］JG 149-2003.膨脹聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)［S］.

［4］DB11／T463-2007.外墻外保溫施工技術規(guī)程（膠粉聚苯顆粒復合型外墻外保溫系統(tǒng)）［S］.

［5］JG 158-2004.膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)［S］.

［6］CAS126-2005.膠粉聚苯顆粒復合型外墻外保溫系統(tǒng)［S］.

［7］JGJ144-2008.外墻外保溫工程技術規(guī)程［S］.

［8］DB11／T697-2009.外墻外保溫施工技術規(guī)程（外墻保溫裝飾板做法）［S］.

［9］DBJ／T14-072-2010.保溫裝飾板外墻外保溫系統(tǒng)應用技術規(guī)程［S］.

［10］Hopkins D，Quintiere JG.Material fire properties and predictions for thermoplastics［J］.Fire Safety Journal，1996，26（3）：241-268.

［11］ASTM E1321-2009.Standard Test Method for Determining Material Ignition and Flame Spread Properties［S］.

［12］Janssens ML.Improved method of analysis for the LIFT apparatus，Part I：ignition［A］.Proceedings of the 2nd Fire and Materials Conference，Arlington：In-terscience Communications［C］，1993.

［13］Brown JE，Braun E，Twilley WH.Cone calorimeter evaluation of the flammability of composite materials［R］.National Bureau of Standards，Center for Fire Research，1988.

［14］Hirunpraditkoon S，Dlugogorski BZ，Kennedy EM.Fire properties of surrogate refuse-derived fuels ［J］.Fire and Materials，2006，30（2）：107-130.

［15］Delichatsios MA.Piloted ignition times，critical heat fluxes and mass loss rates at reduced oxygen atmospheres ［J］.Fire Safety Journal，2005，40（3）：197-212.

Ignition characteristics of commonly used exterior thermal insulation systems with rigid polyurethane foam

QI Yan-jun1，2，CHENG Xu-dong2，XU Lei2，ZHANG He-ping2

（1.Fire Corps of Shandong Province，Jinan 250101，China；2.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China）

The ignition characteristics of rigid polyurethane foam based exterior thermal insulation systems was experimentally studied by the cone calorimeter.The four types of systems examined in this paper include the thin-plastering exterior insulation system （thin-plastering system），the exterior thermal insulation system with ceramic tile face（ceramic face system），the composited exterior wall thermal insulation system with mineral binder and expanded polystyrene granule aggregate（mineral binder composited system），and the decorative insulated exterior wall panel system （decorative panel system）.The experimental results show that the ignitions of both the rigid polyurethane foam board and the rigid polyurethane foam based exterior insulation systems can be described by the thermal-thick ignition model.The protective layer of the mineral binder composited system has the best delay effect on the ignition time.The time-delay effect of protective layer of the ceramic face system is slightly worse than the mineral binder composited system but is much better than the 5mm and the 3mm thin-plastering system.The decorative panel system has the worst time-delay effect on the ignition.

Rigid polyurethane foam based exterior wall insulation system；Cone calorimeter；Protective layer；Ignition characteristics

TU998.12；X932

A

1004-5309（2012）-0117-06

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.03.02

2012-06-19；修改日期：2012-06-27

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）（2012CB719701）

亓延軍（1964-），男，中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室工程碩士，現(xiàn)任山東消防總隊副總隊長。高級工程師，主要從事防火監(jiān)督方面研究。

張和平，教授，Email：zhanghp＠ustc.edu.cn