泡沫塑料芯材燃燒性能對薄抹灰外保溫系統(tǒng)防火性能的影響

鄧小兵，趙成剛，蘭 彬，盧國建，劉軍軍

（公安部四川消防研究所，四川 成都 610036）

隨著建筑節(jié)能戰(zhàn)略的實施，外墻外保溫系統(tǒng)在中國得到廣泛應用.薄抹灰外保溫系統(tǒng)（TPETIS）具有自重輕、導熱系數(shù)低、保護墻體結構、施工簡便等優(yōu)點，成為中國最普遍應用的外墻外保溫系統(tǒng).近年來中國發(fā)生了多起與TPETIS 有關的高層建筑火災事故，引起人們對TPETIS火災安全性的高度關注.影響TPETIS 防火性能主要有起火源、系統(tǒng)結構和保溫材料燃燒性能三大因素.國內外學者對起火源因素和系統(tǒng)結構因素這2方面已開展了大量的研究和應用工作，例如：Lee等［1－3］分析了窗口火的物理蔓延機制及試驗數(shù)據(jù)，提出了新的關聯(lián)窗口火火焰高度、溫度及熱通量的特征長度，并改進了窗口火的量綱為1的溫度關聯(lián)方程；Himoto等［4］考慮了窗口火羽流壓力梯度效應，提出了窗口火火焰軌跡預測模型；Oleszkiewicz［5］指出建筑外立面橫向伸出結構能降低90%的輻射熱流量，而豎向伸出結構則會增加50%的輻射熱流量，他同時指出火源熱釋放速率、起火間開口尺寸和結構外部形態(tài)對火災蔓延具有同等重要的影響，建議對薄抹灰系統(tǒng)每1層或每2層采用防火隔離帶進行隔斷，但沒有試驗數(shù)據(jù)驗證其有效性；宋長友、季廣其等［6－11］開展了窗口火和角落火試驗研究，指出改進系統(tǒng)構造形式（如增設隔斷、無空腔構造和增加保護層厚度）能有效阻止TPETIS火災蔓延.但目前對保溫材料燃燒性能這一影響因素還缺乏系統(tǒng)研究.因此，開展保溫材料，特別是可燃類泡沫塑料燃燒性能影響因素的研究具有重要現(xiàn)實意義.

在中國外保溫工程應用中，典型外保溫材料主要為聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯泡沫塑料.常見的聚苯乙烯泡沫塑料有擠塑聚苯乙烯（XPS）和模塑聚苯乙烯（EPS），聚氨酯泡沫塑料有聚異氰酸酯（PUR）和聚異氰脲酸酯（PIR）.本文根據(jù)TPETIS的實際應用特點，采用標準燃燒性能試驗和實體火災試驗方法，探究了XPS，EPS，PUR，PIR 這4種泡沫塑料芯材燃燒性能對TPETIS防火性能的影響.

1 試驗

1.1 試樣

表1給出了用于標準燃燒性能試驗和實體火災試驗的泡沫塑料試樣信息.標準燃燒性能試驗測試對象為泡沫塑料板材，而實體火災試驗測試對象為以表1 所列泡沫塑料為芯材的TPETIS.TPETIS結構見圖1.除泡沫塑料芯材不同外，TPETIS的抹面層（厚5mm）、玻纖網（面密度260g／m2）、錨栓、黏結基層和外墻墻體材質及參數(shù)均保持一致，施工程序也相同.

表1 用于標準燃燒性能試驗和實體火災試驗的泡沫塑料信息Table 1 Foam plastics used in standard combustion tests and real scale fire tests

1.2 試驗方法

1.2.1 標準燃燒性能試驗

（1）單體燃燒試驗

圖1 TPETIS結構Fig.1 TPETIS configuration

依據(jù)GB／T 20284—2006《建筑材料或制品的單體燃燒試驗》進行泡沫塑料板材燃燒試驗，測試泡沫塑料板材熱釋放速率峰值（HRRp）和燃燒增長速率指數(shù)（FIGRA），評價泡沫塑料板材在墻角火（30kW）火災場景下的對火反應.

（2）氧指數(shù)試驗

依據(jù)GB／T 2406.2—2009《塑料 用氧指數(shù)法測定燃燒行為 第2部分：室溫試驗》測量泡沫塑料板材氧指數(shù)OI.

1.2.2 實體火災試驗

（1）試驗建筑

試驗建筑為公安部四川消防研究所的高層火災試驗塔（鋼混框架建筑），見圖2（a）.選取該試驗塔西面1個單元的第2，3，4層外墻立面及對應房間作為試驗區(qū)域.該試驗區(qū)域外部尺寸為3.6m×5.2m×9.3m，見圖2（b）.由于建筑回轉墻會改變空氣卷吸方式，加速外墻火災蔓延［12］，在外墻主立面左側邊緣增設1.4m×9.3m 的副墻.在試驗區(qū)域底層設置燃燒室，并將試驗區(qū)域第2和3層房間作為觀察室.

燃燒室內部尺寸為2.0m×2.0m×1.0m，其開口寬高比為1.0.燃燒室開口寬高比對窗口火形態(tài)有重要影響，在自然對流情況下，當燃燒室開口寬高比大于0.8時，窗口火更趨向于沿外墻立面?zhèn)鞑ィ纬少N壁效應［13］.燃燒室用燃料參照BS 8414－1：2002標準［14］，以杉木（規(guī)格50mm×50mm）搭建木垛，其外形尺寸為1.5m×1.0m×1.0 m，質量為420kg.

觀察室設有2.3m×1.5m 窗戶開口.窗戶開口兩側安裝3mm 厚單層玻璃構成的塑鋼窗扇，中間留有0.7m×1.5m 的通風口.觀察室內部尺寸為3.2m×4.8m×2.8m.

（2）熱電偶測點布置

圖2 高層火災試驗塔和實體火災試驗區(qū)域示意圖Fig.2 High rise building for fire test and schematic diagram of test zone for real scale fire test

熱電偶測點布置見圖3（a）～（d），其中測量TPETIS表面溫度的是橫向間距為0.80m、豎向間距為0.60m 的5×12列陣熱電偶（見圖3（a）），測量觀察室溫度的是觀察室內窗沿四周中心點放置的4只熱電偶（見圖3（c））以及在室內對角線上放置的5棵熱電偶樹（見圖3（d）），每棵熱電偶樹由3只熱電偶構成（圖3（b））.另外，在燃燒室開口上沿下方設置有間距0.90m 的3只熱電偶.

圖3 熱電偶測點布置Fig.3 Thermocouple locations（size：m）

（3）試驗步驟

試驗TPETIS由成都科文保溫材料有限公司統(tǒng)一施工，施工程序及工藝按JGJ 144—2004《外墻外保溫工程技術規(guī)程》和DB 50417—2007《建筑節(jié)能工程施工質量驗收規(guī)范》進行.TPETIS施工完畢后養(yǎng)護28d，然后在溫度為（20±15）℃、燃燒室地面以上3m 高度處空氣流速小于2m／s的環(huán)境條件下進行實體火災試驗.將燃燒室溫度達到200℃且持續(xù)60s以上的第1個時間點作為起始試驗時間，試驗進行30min.試驗前5min開啟數(shù)據(jù)記錄軟件采集環(huán)境參數(shù)，然后點燃木垛，觀察TPETIS 在窗口火條件下的火災蔓延行為，并自動保存記錄溫度測量數(shù)據(jù).測試TPETIS火焰蔓延高度（Lf）、TPETIS損毀高度（Ld）、2層和3層觀察室TPETIS內部溫度（tin－f2和tin－f3）、2層和3層觀察室內頂棚溫度（tce－f2和tce－f3）.

Lf是根據(jù)TPETIS外表面的測量溫度確定的，即將溫度為538 ℃的窗口火火焰尖端位置作為TPETIS火焰蔓延高度［13］.

在實體火災試驗后，首先測量抹面層損毀高度，再剝離抹面層，測量泡沫塑料芯材損毀高度，取兩者最大值的平均值作為TPETIS損毀高度（Ld）.

在距2層和3層觀察室下窗沿下方100mm 處的TPETIS泡沫塑料芯材內部中心點位置分別等距預埋5只熱電偶，取試驗過程中的最大溫度值作為2，3層觀察室TPETIS內部溫度tin－f2，tin－f3.

2層和3層觀察室內頂棚溫度tce－f2和tce－f3分別取實體火災試驗中2，3層觀察室內5顆熱電偶樹頂部（距吊頂10cm）的5只熱電偶的最大平均溫度.

2 試驗結果與討論

2.1 試驗結果

表2給出了6種泡沫塑料標準燃燒性能試驗結果.根據(jù)表3給出的分級判據(jù)［15］，試樣2＃和6＃的潛在燃燒性能等級為B級，試樣5＃為C級，試樣3＃和4＃為D 級，試樣1＃為F級.表4給出了對應表1所列芯材的TPETIS實體火災試驗結果.

表2 泡沫塑料標準燃燒性能試驗結果Table 2 Standard combustion test results for foam plastics

2.2 試驗結果討論

2.2.1 TPETIS火焰蔓延高度

TPETIS火焰蔓延高度（Lf）與泡沫塑料芯材HRRp和OI的關系如圖4所示.由圖4可見，Lf隨HRRp增加而增大，隨OI增加而降低.

按式（1）擬合火焰蔓延高度與HRRp和OI之間關系，結果表明火焰蔓延高度理論值（Lfs）與實測值Lf之間具有滿意的擬合度（R2＝0.977 4）.根據(jù)表3的FIGRA 判據(jù)，結合GB／T 20284—2006中的FIGRA 計算公式，可推算出B級、C級和D級泡沫塑料的HRRp分別為144，300，900kW，再結合OI判據(jù)，可得到如圖5所示的Lfs與泡沫塑料芯材燃燒性能等級的關系.由圖5可見：B級、C 級芯材TPETIS的Lfs不超過2.6m，D 級芯材TPETIS的Lfs未超過3.0m，均沒有超過燃燒室上方3層觀察室樓板高度（4.3m），這表明B，C，D 級芯材TPETIS表面火焰蔓延風險有限.

表3 墻面保溫泡沫塑料燃燒性能分級部分判據(jù)［15］Table 3 Classification criteria of combustion property for foam plastic wall insulation materials（partial）［15］

表4 TPETIS實體火災試驗結果Table 4 Real scale fire test results for TPETIS

圖4 Lf與泡沫塑料芯材HRRp和OI的關系Fig.4 Fire propagation height（Lf）versus peak heat release rate and oxygen index of foam plastic core materials

2.2.2 TPETIS損毀高度

圖5 Lfs與泡沫塑料芯材燃燒性能等級之間的關系Fig.5 Theoretical fire propagation height（Lfs）versus classification of combustion property of foam plastic core materials

實體火災試驗后TPETIS的損毀情況見圖6.TPETIS損毀高度（Ld）與泡沫塑料芯材FIGRA 之間的關系如圖7所示.由圖7可見，Ld隨FIGRA 增加而增大.采用式（2）擬合TPETIS 損毀高度與FIGRA 之間關系.按式（2）推算，B，C，D 級芯材TPETIS最大損毀高度理論值（Lds）分別為3.7，4.1，4.7m.這表明，B 級和C 級芯材TPETIS損毀高度有限，但D 級芯材TPETIS損毀高度超過3層觀察室樓板高度（4.3m）.

2.2.3 TPETIS內部溫度

tin－f2與泡沫塑料芯材FIGRA和OI之間的關系見圖8；tin－f3與泡沫塑料芯材FIGRA 之間的關系見圖9.由圖8可見，tin－f2隨FIGRA增加而增大，隨OI增加而減??；由圖9可見，tin－f3隨FIGRA 增加而增大.

圖6 實體火災試驗后TPETIS的損毀情況Fig.6 TPETIS damage statuses after real scale fire tests

圖7 Ld與泡沫塑料芯材FIGRA 之間的關系Fig.7 Damage height（Ld）versus FIGRA of foam plastic core materials

圖8 tin－f2與泡沫塑料芯材FIGRA 和OI之間的關系Fig.8 TPETIS internal temperature at second floor versus FIGRA and OI of foam plastic core materials

采用式（3）擬合2層觀察室TPETIS內部溫度與泡沫塑料芯材FIGRA 和OI之間的關系；采用式（4）擬合3層觀察室TPETIS內部溫度與泡沫塑料芯材FIGRA 之間的關系.按式（3）推算2層觀察室TPETIS內部溫度理論值tins－f2，然后繪制tins－f2與泡沫塑料芯材燃燒性能等級之間的關系曲線，結果見圖10.由圖10可知，B，C 級芯材TPETIS的tins－f2不超 過300 ℃，D 級芯材TPETIS 的tins－f2不超過549℃.同理，由式（4）推算3 層觀察室TPETIS內部溫度理論值tins－f3，然后繪制tins－f3與芯材燃燒性能等級之間的關系曲線（圖略），結果表明，B，C級芯材TPETIS的tins－f3不超過62℃；D 級芯材TPETIS的tins－f3不超過170 ℃.假設TPETIS內部隱匿燃燒的溫度條件與Lf相同，則D 級芯材TPETIS 存在一定的隱匿燃燒風險.

圖9 tin－f3與泡沫塑料芯材FIGRA 之間的關系Fig.9 TPETIS internal temperature at third floor versus FIGRA of foam plastic core materials

圖10 tins－f2與泡沫塑料芯材燃燒性能等級之間的關系Fig.10 TPETIS theoretical internal temperature at second floor versus classification of combustion property of foam plastic core materials

2.2.4 觀察室內頂棚溫度

2層觀察室內頂棚溫度（tce－f2）與泡沫塑料芯材HRRp和OI之間的關系見圖11；3層觀察室內頂棚溫度（tce－f3）與泡沫塑料芯材OI之間的關系見圖12.由圖11可見，tce－f2隨HRRp增加而增大，隨OI增加而減小.由圖12可見，tce－f3隨OI增加而減小，當OI低于29.9%（圖中趨勢線交點）時，OI增加79%，tce－f3降 低31%，而 當OI 高 于29.9%時，OI 增 加21%，tce－f3降低69%.上述表明，tce－f3減小趨勢有明顯階段特征，當OI低于29.9%時，OI對tce－f3貢獻較小，而當OI高于29.9%時，OI對tce－f3貢獻較大.

圖11 tce－f2與泡沫塑料芯材HRRp和OI之間的關系Fig.11 Room ceiling temperature at second floor versus HRRp and OI of foam plastic core materials

圖12 tce－f3與泡沫塑料芯材OI之間的關系Fig.12 Room ceiling temperature at third floor versus OI of foam plastic core materials

式（5），（6）分別給出了2，3層觀察室內頂棚溫度與泡沫塑料芯材燃燒性能參數(shù)之間的擬合關系.根據(jù)式（5）推算2層觀察室內頂棚溫度理論值tces－f2，然后繪制tces－f2與泡沫塑料芯材燃燒性能等級之間的關系曲線，結果見圖13.由圖13 可見，對B 級和C級芯材TPETIS而言，2層觀察室內頂棚溫度理論值不超過195℃；對D 級芯材TPETIS而言，2層觀察室內頂棚溫度理論值不超過283℃.對于室內煙氣層的熱輻射，可接受的煙氣溫度為200℃，耐受時間為20s［16］.從煙氣層熱輻射風險考慮，B，C 級芯材TPETIS的風險較小，但D 級芯材TPETIS的風險較大.同理，根據(jù)式（6）推算3層觀察室內頂棚溫度理論值tces－f3，然后繪制tces－f3與芯材燃燒性能等級之間的關系曲線（圖略），結果表明，對B 級和C 級芯材TPETIS而言，3層觀察室內頂棚溫度理論值不超過95℃；對D 級芯材TPETIS而言，3層觀察室內頂棚溫度理論值在95～106℃之間，這表明，3層觀察室內熱輻射風險處于可接受范圍.

圖13 tces－f2與泡沫塑料芯材燃燒性能等級之間的關系Fig.13 Theoretical room ceiling temperature at second floor versus classification of combustion property of foam plastic core materials

3 結論

（1）在系統(tǒng)構造方式相同條件下，泡沫塑料芯材的燃燒增長速率指數(shù)、熱釋放速率峰值和氧指數(shù)是影響TPETIS防火性能的關鍵因素.熱釋放速率峰值和氧指數(shù)直接影響TPETIS 的火焰蔓延高度和室內頂棚溫度，燃燒增長速率指數(shù)直接影響TPETIS的內部溫度和損毀高度.

（2）B，C級芯材TPETIS火焰蔓延高度理論最大值＜2.6m，損毀高度理論最大值≤4.1m，2層觀察室TPETIS內部溫度和內頂棚溫度理論最大值分別為300，195℃，系統(tǒng)表面火焰蔓延、內部隱匿燃燒和室內煙氣層熱輻射風險較低.D 級芯材TPETIS火焰蔓延高度理論最大值＜3.0m，損毀高度理論最大值為4.7m，2 層觀察室TPETIS 內部溫度和內頂棚溫度理論最大值分別為549，283℃，系統(tǒng)具有一定的內部隱匿燃燒和煙氣層熱輻射風險.

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