玻璃纖維與EPS復(fù)合層的燃燒特性分析

戴文燕

常州市慧宇建筑工程質(zhì)量檢測有限公司（213003）

玻璃纖維與EPS復(fù)合層的燃燒特性分析

戴文燕

常州市慧宇建筑工程質(zhì)量檢測有限公司（213003）

玻璃纖維材料具有不燃、耐熱、力學(xué)性能突出的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常與EPS組合應(yīng)用在建筑工程外墻結(jié)構(gòu)中。文章在對模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保溫系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，提出采用TG—DSC技術(shù)、微型燃燒量熱儀、錐形量熱儀和立體燃燒實(shí)驗(yàn)裝置對EPS與玻璃纖維組合材料的燃燒特性進(jìn)行測試分析。測試結(jié)果表明，單純的玻璃纖維不易燃燒，但與EPS組合應(yīng)用時會加劇EPS的燃燒，不利于建筑的火災(zāi)救護(hù)。

建筑工程；外墻；玻璃纖維；EPS；燃燒

0 引言

建筑外墻不僅要滿足結(jié)構(gòu)受力要求，還要滿足保溫隔熱的功能性要求，為實(shí)現(xiàn)這種要求，通常在外墻結(jié)構(gòu)層外加設(shè)保溫層。當(dāng)前，建筑外墻普遍采用各種有機(jī)保溫材料，而模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保溫系統(tǒng)由保溫層、抗裂防護(hù)層和飾面層組成，其保溫隔熱、抗風(fēng)、防水、抗沖擊等性能優(yōu)越，能大幅度降低能耗，減少環(huán)境污染[1]。然而，由于EPS易燃，故發(fā)生火災(zāi)時會加速火勢的蔓延，而玻璃纖維耐溫高、不易燃燒，為探究玻璃纖維能否起到延緩EPS燃燒的效果,有必要對EPS和玻璃纖維復(fù)合層的燃燒特性進(jìn)行研究。

1 模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保溫系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

火災(zāi)是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災(zāi)害之一。建筑火災(zāi)時有發(fā)生，常常會造成一定的人員傷亡，且高層建筑的火災(zāi)造成的損失更為嚴(yán)重。近年來，通過調(diào)查多起建筑火災(zāi)發(fā)現(xiàn)，建筑有機(jī)保溫材料促進(jìn)火災(zāi)的傳播、釋放毒性煙氣的問題普遍存在[2]。建筑墻體的節(jié)能保溫材料包括有機(jī)類、無機(jī)類和復(fù)合材料類三種，其中有機(jī)類材料應(yīng)用最為廣泛，但有機(jī)保溫材料發(fā)生火災(zāi)時，具有傳播速度快、起火點(diǎn)不易確定、撲救難度大的特點(diǎn)。隨著建筑工程質(zhì)量要求的提高，許多建筑的外墻都要求具有更好的保溫隔熱、抗風(fēng)、防水、抗沖擊等性能，滿足這些技術(shù)要求的模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保溫系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[3]。有機(jī)保溫材料具有輕質(zhì)、保溫隔熱性能好的特點(diǎn)，但也存在易老化、易燃燒的缺陷，而玻璃纖維材料具有不燃、耐熱、力學(xué)性能突出的優(yōu)點(diǎn)，與EPS有機(jī)保溫材料結(jié)合在一起，可以提高建筑墻體的抗裂、防水性能，同時也會改變建筑外墻的燃燒性能。

2 EPS材料和玻璃纖維的熱解特性

熱重分析法和差示掃描量熱法是快速測試物質(zhì)物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的熱分析技術(shù)。為準(zhǔn)確測試物質(zhì)的受熱行為和分析熱解機(jī)理，常常將幾種熱分析技術(shù)或者熱分析和其它技術(shù)配合使用形成熱分析聯(lián)用技術(shù)，TG—DSC技術(shù)是融合了熱重分析儀和差示掃描量熱儀的同時聯(lián)用熱分析技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于物質(zhì)熱分解機(jī)理的研究[4]。為此,采用德國TG—DSC同步熱分析儀分別對EPS和玻璃纖維網(wǎng)格布材料進(jìn)行10℃/min升溫速率下的熱解試驗(yàn)，分析其熱解性能和熱解機(jī)理。

EPS材料的熱解試驗(yàn)表明，EPS在空氣中幾乎完全熱解，在試驗(yàn)前期，EPS材料的質(zhì)量基本不變，在到達(dá)燃燒臨界溫度時，EPS材料的質(zhì)量呈現(xiàn)斷崖式下降，并最終保持一定的質(zhì)量（約為原總質(zhì)量的5%）。EPS材料的反應(yīng)起始溫度約為250℃，持續(xù)到290℃時出現(xiàn)加速燃燒的現(xiàn)象，反應(yīng)結(jié)束溫度約為390℃，并持續(xù)到450℃，剩余質(zhì)量基本不變。

玻璃纖維材料的熱解試驗(yàn)表明，玻璃纖維在空氣中熱解質(zhì)量損失較少，其失重過程主要有兩個階段。隨著溫度的升高，玻璃纖維材料在170℃時開始出現(xiàn)質(zhì)量損失，直到300℃左右達(dá)到峰值，在500℃左右時質(zhì)量基本穩(wěn)定，這個階段玻璃纖維材料的質(zhì)量損失率約為8%，并未表現(xiàn)出明顯的放熱和吸熱，可能是雜質(zhì)的揮發(fā)、蒸發(fā)、升華等變化造成的。在溫度達(dá)到600℃左右時，出現(xiàn)質(zhì)量損失現(xiàn)象，并持續(xù)到770℃左右，玻璃纖維材料的質(zhì)量基本維持穩(wěn)定，這個過程玻璃纖維材料的質(zhì)量損失率約接近2%，可能是玻璃纖維發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變使得小分子物質(zhì)逸出導(dǎo)致的。玻璃纖維在整個熱解試驗(yàn)中，并未出現(xiàn)放熱現(xiàn)象，只有兩階段的吸熱過程，而且玻璃纖維材料的質(zhì)量損失不足10%，表明玻璃纖維材料在這兩個階段并未發(fā)生燃燒和熱解，主要是由物質(zhì)的物理變化引起的質(zhì)量損失。

3 EPS與玻璃纖維的燃燒特性

3.1 EPS與玻璃纖維的可燃性分級

熱釋放容量是衡量材料可燃性的重要參數(shù)。根據(jù)材料熱釋放容量的大小，可將材料分為可燃、自熄和不燃三類，熱釋放容量超過400 J·g-1·K-1的判別為可燃，熱釋放容量在 150 J·g-1·K-1～30 J·g-1·K-1的判別為自熄，而熱釋放容量低于400 J·g-1·K-1的判別為不燃[5]。

微型燃燒量熱儀可通過測試毫克數(shù)量級的樣品快速有效地確定材料的燃燒參數(shù)，包括燃燒負(fù)荷、點(diǎn)火溫度、熱釋放速率、阻燃性等。為此，采用美國MCC—2型微型量熱儀對EPS和玻璃纖維材料的可燃性進(jìn)行判定，測試在50 K/min的升溫速率下從150℃到650℃過程中的熱釋放容量、最大熱釋放速率、總熱釋放量和最大熱釋放時間等參數(shù)，測試結(jié)果見表1。

表1 EPS材料的微型燃燒量熱測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，EPS和玻璃纖維材料的熱釋放容量、最大熱釋放速率、總熱釋放量三個參數(shù)有明顯差異，玻璃纖維遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于EPS材料，而最大熱釋放時間變化不大。玻璃纖維的熱釋放容量遠(yuǎn)大于400 J·g-1·K-1，為可燃材料；玻璃纖維的熱釋放容量為 49.8 J·g-1·K-1， 遠(yuǎn)小于不燃物 150 J·g-1·K-1的判定標(biāo)準(zhǔn)，為不燃材料。

3.2 EPS與玻璃纖維燃燒性和阻燃性的測試

錐形量熱儀通過模擬真實(shí)的燃燒環(huán)境，測試天然有機(jī)材料、塑料、橡膠等材料的燃燒性能參數(shù)，包括引燃時間、最大熱釋放速率、最大熱釋放時間和總釋放熱，對建筑材料的評價、設(shè)計(jì)和火災(zāi)預(yù)防等方面均有重要的意義[6]。為此，采用英國錐形量熱計(jì)對10 cm×10 cm的純 EPS、EPS+單面玻璃纖維、EPS+雙面玻璃纖維三種樣品進(jìn)行測試，試驗(yàn)裝置的熱輻射通量分別為 25 kW·m-2、35 kW·m-2、50 kW·m-2，測試結(jié)果見表 2。

測試結(jié)果表明，三種樣品在達(dá)到燃燒時間后均迅速燃燒達(dá)到熱釋放峰值，隨后迅速熄滅。不同熱輻射通量時，三種樣品的引燃時間、最大熱釋放速率、最大熱釋放時間和總釋放熱等指標(biāo)的變化規(guī)律基本一致，隨著熱輻射通量的增加，材料引燃時間和最大熱釋放時間會逐漸減少，最大熱釋放速率數(shù)值有一定幅度的增長，而總熱釋放量的變化較小。隨著熱輻射通量的增加，玻璃纖維對EPS材料的影響變小，而最大熱釋放速率基本不變。對比三種樣品的引燃時間和最大熱擇放時間，覆蓋有玻璃纖維的EPS材料的時間更短，表明玻璃纖維會加快EPS的燃燒。因此，EPS材料和玻璃纖維結(jié)合在一起更加容易被引燃。

表2 不同熱輻射通量下三種樣品的錐形量熱儀測試結(jié)果

3.3 EPS與玻璃纖維燃燒狀態(tài)分析

國內(nèi)外很多學(xué)者通過構(gòu)建小尺寸的燃燒實(shí)驗(yàn)平臺，對EPS材料和玻璃纖維材料進(jìn)行了燃燒模擬實(shí)驗(yàn)，研究EPS材料和夾層中EPS材料的火蔓延的規(guī)律，評估EPS材料對火災(zāi)的影響。為此，采用立體燃燒實(shí)驗(yàn)裝置對純EPS板、有玻璃纖維和鋼絲網(wǎng)的EPS板的燃燒過程進(jìn)行研究。為模擬火災(zāi)的情況，純EPS板、玻璃纖維EPS板、鋼絲網(wǎng)EPS板樣品的燃燒過程持續(xù)數(shù)分鐘。

在立體燃燒實(shí)驗(yàn)中，EPS材料先收縮成小球，進(jìn)一步烙融，然后開始燃燒，三種材料的燃燒情況見表3。2層純EPS板燃燒時，火焰主要為豎直方向的傳播，材料未完全燃燒；2層EPS板與1層玻璃纖維復(fù)合體燃燒時，EPS材料烙融后會有一部分附著在玻璃纖維網(wǎng)格布上向下滴落，燃燒的火焰向下傳播，EPS材料基本完全燃燒，并產(chǎn)生大量的黑色濃煙；2層EPS板與1層鋼絲網(wǎng)復(fù)合體燃燒時，EPS板靠近鋼絲網(wǎng)的部位燃燒不充分。

表3 三種材料的燃燒情況

由表3可知，EPS+玻璃纖維的燃燒最為充分，純EPS次之，EPS+鋼絲網(wǎng)最差，這表明玻璃纖維可以促進(jìn)EPS材料的燃燒，使火焰的傳播變得更為穩(wěn)定，持續(xù)性更好，而鋼絲網(wǎng)則可起到阻止火焰?zhèn)鞑サ淖饔?，可能是由于鋼的?dǎo)熱和散熱性較好，可以降低附著在鋼絲網(wǎng)上EPS的溫度。因此，若在模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保溫系統(tǒng)中夾雜玻璃纖維層，在發(fā)生火災(zāi)時，容易加劇火災(zāi)初期火焰的燃燒，不利于消防救護(hù)。

4 結(jié)語

EPS是建筑外墻常用的保溫材料，常與玻璃纖維共同使用。EPS具有易燃燒的特性，當(dāng)建筑物發(fā)生火災(zāi)時，EPS極易被引燃，燃燒后滴落物還會引燃附近易燃物，加劇火勢的蔓延。筆者通過對EPS與玻璃纖維組合材料燃燒特性的試驗(yàn)研究，確定了玻璃纖維會促進(jìn)EPS燃燒，不利于消防救護(hù)，在重要結(jié)構(gòu)物和高層結(jié)構(gòu)物中，應(yīng)當(dāng)限制其應(yīng)用。

[1]亓延軍.常用有機(jī)外墻外保溫系統(tǒng)火災(zāi)特性研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2012.

[2]吳振坤,顏東升,尤飛.聚苯乙烯泡沫芯材的燃燒特性及其在火災(zāi)事故原因調(diào)查中的應(yīng)用[J].火災(zāi)科學(xué),2007(3):180-185.

[3]張清林,韓偉平,王俊勝,劉丹,金星,王國輝.聚合物基建筑保溫材料的熱行為及燃燒行為[J].建筑材料學(xué)報,2015,18(6):1077-1083.

[4]昝文鑫,朱國慶.EPS保溫板豎向燃燒特性研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2015,34(4):427-430.

[5]羅靜,安全斌,晁富官.EPS外墻保溫體系單體燃燒實(shí)驗(yàn)研究[J].中國科技信息,2014(8):93-96.

[6]張苗,劉幸娜,黎昌海,等.EPS外保溫材料火災(zāi)蔓延速率的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2015,15(2):144-150.