生物秸稈不燃板房安全防火間距試驗(yàn)

王厚華，季文慧，宋曉勇，李 偉

(1.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045；2.四川省消防總隊(duì)防火部，四川 成都 610036；3.威特龍消防安全集團(tuán)股份公司，四川 成都 611730)

我國地域遼闊，人口眾多，多變的氣候、復(fù)雜的地質(zhì)等蘊(yùn)災(zāi)環(huán)境使得我國成為世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的少數(shù)國家之一[1].在重大災(zāi)害發(fā)生后，確保受災(zāi)民眾得以妥善安置，并預(yù)防次生災(zāi)害的發(fā)生尤為重要.災(zāi)區(qū)的臨時安置以及施工現(xiàn)場的活動板房多采用以發(fā)泡聚苯乙烯泡沫(EPS)作為芯材的彩鋼夾芯盒式組合板房，防火阻燃性能均得不到保障，存在消防安全隱患問題[2].根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3-4]，彩鋼板導(dǎo)熱系數(shù)較大，在受到高溫?zé)嵩醋饔脮r極易變形，EPS芯材在200 ℃時會發(fā)生熔融并產(chǎn)生可燃?xì)怏w，熔融物滴落流動形成熔融帶，遇到明火即會著火燃燒，因此很容易導(dǎo)致火勢蔓延；當(dāng)達(dá)到495 ℃時EPS芯材會自行持續(xù)燃燒并產(chǎn)生大量黑煙.此外，用于過渡安置的活動板房材料大多不可降解，在拆除臨時板房后將產(chǎn)生大量的固體廢料，需要大量經(jīng)費(fèi)進(jìn)行處理，若處置不當(dāng)還會對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成巨大威脅[5].

目前，關(guān)于災(zāi)區(qū)安置點(diǎn)臨時建筑安全間距僅有針對彩鋼EPS夾芯板的全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究.包光宏等[6]分析了阻燃型和非阻燃型EPS彩鋼板活動房屋的火災(zāi)燃燒特性，基于實(shí)測結(jié)果建議板房鄰棟間距為3 m，同時每隔2棟設(shè)1條消防通道，接民用建筑耐火等級為3級設(shè)置間距為8 m.王厚華[7]、宋曉勇[8]等進(jìn)行了彩鋼EPS夾芯板房的火災(zāi)試驗(yàn)，測試現(xiàn)場的氣象條件為晴天無風(fēng)，初始環(huán)境溫度為15.7 ℃，空氣相對濕度80%.彩鋼EPS夾芯板房的火災(zāi)試驗(yàn)過程中，著火板房所在的整排板房均被燒毀，間隔1.9 m的臨棟板房在靠近著火板房的一側(cè)因受到熱輻射作用產(chǎn)生不同程度的變形.李東書[9]、李亞鵬[10]基于實(shí)體測試結(jié)果，根據(jù)美國消防規(guī)范NFPA的研究結(jié)果以10 kW·m-2作為熱輻射強(qiáng)度臨界值，采用MATLAB軟件對著火板房外的熱輻射強(qiáng)度峰值進(jìn)行回歸分析，得出以下結(jié)論：組團(tuán)內(nèi)板房行間距不應(yīng)小于4 m，組團(tuán)之間的防火間距應(yīng)不小于5 m；若當(dāng)?shù)乜赡艹霈F(xiàn)極端大風(fēng)天氣，組團(tuán)之間的防火間距應(yīng)不小于8.5 m.

以上研究結(jié)果表明，彩鋼夾芯板材的大規(guī)模使用對環(huán)境有害，且對安全間距要求很高，不利于災(zāi)區(qū)臨時建筑的密集安置.因此，活動板房應(yīng)采用環(huán)保型不燃或難燃材料.近年來，新型的防火型秸稈復(fù)合板材以天然礦粉、農(nóng)作物秸稈、鋸末、草灰等植物纖維為主要原料，具有耐火性能好，火焰形成速度低，高溫?zé)峤鈺r有害煙氣產(chǎn)生量少等特點(diǎn)[11-12]，符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑材料及制品燃燒性能分級:GB 8624—2010》定義的不燃A(A1)級.應(yīng)用該種阻燃型生物秸桿板材既可以變廢為寶，又可以提高板房的防火性能.

為了研究真實(shí)條件下新型生物秸稈不燃板房的火災(zāi)蔓延規(guī)律，本文開展了全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)，分析該板房在失火后的火災(zāi)蔓延特性，并以臨界熱輻射強(qiáng)度作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，確定生物秸稈不燃板房的防火間距要求，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定提供理論支撐和試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)于2017年7月在四川省成都市某待建工地進(jìn)行.圖1中三排白色板房即為本次試驗(yàn)板房，板房平面布置如圖2所示.試驗(yàn)所用的板房材料均為生物秸稈環(huán)保型防火板.A、B兩排板房的間距為1 m，A、C兩排板房的間距為5 m，平行排列.單間板房寬度為3.6 m，進(jìn)深4.8 m，板房坡屋面屋脊高3.1 m，檐口高2.7 m.所有試驗(yàn)板房采用的門窗尺寸相同，門尺寸均為0.8 m×2.1 m，窗尺寸均為0. 8 m×1.2 m.

圖2 板房及室內(nèi)家具的平面布置圖Fig.2 Layout of straw houses and indoor furniture

實(shí)測現(xiàn)場的氣象條件為晴天，初始時刻的環(huán)境溫度為32 ℃，空氣相對濕度為48%，風(fēng)速為0.5 m·s-1，風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng).板房內(nèi)均放置有災(zāi)區(qū)居民日常所需的床、衣柜、沙發(fā)和桌椅.圖3為板房A4室內(nèi)的可燃物布置.

圖3 板房A4室內(nèi)可燃物布置Fig.3 Layout of combustible furniture in Room A4

2 測試系統(tǒng)

為了測定板房的安全防火間距，設(shè)置室內(nèi)外的溫度測點(diǎn)及室外熱輻射強(qiáng)度測點(diǎn).圖4為板房A4的室內(nèi)外空氣溫度、室外熱輻射強(qiáng)度及壁溫測點(diǎn)的布置圖.著火板房A4室內(nèi)正中距地面高度z=1.8 m和z=2.8 m處分別設(shè)置室內(nèi)空氣溫度測點(diǎn)T29和T30；在著火板房外距地面高度z=1.8 m，沿x軸正向距板房正面x=1～10 m處分別設(shè)置10個室外空氣溫度測點(diǎn)T1～T10，每個溫度測點(diǎn)的間距為1 m；在著火板房A4外距地面高度z=1.6 m，沿x軸正向距板房正面x=1～8 m處分別設(shè)置8個室外熱輻射強(qiáng)度測點(diǎn)R1～R8，每個熱輻射強(qiáng)度測點(diǎn)的間距為1 m.圖5為著火板房A4右側(cè)板房A5的室內(nèi)外空氣溫度測點(diǎn)及壁溫測點(diǎn)的布置圖.板房A5的室內(nèi)正中距地面高度z=1.8 m和z=2.8 m處分別設(shè)置室內(nèi)空氣溫度測點(diǎn)T31和T32；在測試板房A5外距地面高度z=1.8 m，沿x軸正向距板房正面x=1～8 m處分別設(shè)置8個室外空氣溫度測點(diǎn)T17～T24，每個溫度測點(diǎn)之間的距離仍為1 m.此外，為了測定板房材料的隔熱性能，在A4和A5兩個相鄰板房之間的隔墻兩側(cè)分別設(shè)置壁溫測點(diǎn)：A4板房內(nèi)壁面距地面高度z=1.8 m、z=2.8 m處分別設(shè)置壁溫測點(diǎn)T33和T34，A5板房內(nèi)壁面距地面高度z=1.8 m、z=2.8 m處分別設(shè)置壁溫測點(diǎn)T35和T36.

a 立面圖

b 平面圖圖4 著火板房A4室內(nèi)外的溫度和熱輻射強(qiáng)度測點(diǎn)(單位:m)Fig.4 Locations of thermocouples and thermal radiation testers of Room A4(unit: m)

a 立面圖

b 平面圖圖5 板房A5室內(nèi)外的溫度測點(diǎn)(單位:m)Fig.5 Locations of thermocouples of Room A5(unit: m)

采用WRK型鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶測量各測點(diǎn)溫度，該熱電偶的測量范圍為-40～1 100 ℃，測量誤差為±1.5 ℃，試驗(yàn)前均進(jìn)行了熱電偶標(biāo)定和校驗(yàn)；采用SWP-ASR型數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時采集并記錄溫度數(shù)據(jù)，板房外部的熱輻射強(qiáng)度值采用ZX7M-MR-5型熱輻射計(jì)測定，測量精度為±5%.

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 生物秸稈不燃板房的火災(zāi)試驗(yàn)場景

試驗(yàn)前，門、窗均為關(guān)閉狀態(tài).采用汽油先引燃A4板房內(nèi)的床褥等織物，隨后木質(zhì)家具等相繼被引燃.由于燃燒會消耗大量氧氣，點(diǎn)火后約46 s時A4板房的外門在負(fù)壓作用下打開，約85 s時A4板房的窗戶破裂.圖6為著火板房A4窗戶破裂后的火災(zāi)現(xiàn)場照片，此時A4板房內(nèi)可燃物均已被引燃，火災(zāi)處于旺盛期，僅有少量白色煙霧從門窗處噴出，板房結(jié)構(gòu)未被破壞；相鄰的A3及A5板房均有少量煙霧產(chǎn)生，但毗鄰板房未見明火，表明A4板房著火并未發(fā)生橫向蔓延；間隔1 m處的B4板房墻體無明顯熱變形.火災(zāi)發(fā)生20 min后，A4板房內(nèi)的可燃物燃盡，板房結(jié)構(gòu)保存依然完整，如圖7所示.毗鄰的A5板房窗戶崩壞，其余板房均未受損.

圖6 火災(zāi)試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.6 Photo of the field experiment

3.2 著火板房A4的室內(nèi)外溫度實(shí)測結(jié)果

圖8為著火板房A4在火災(zāi)發(fā)生后的室內(nèi)空氣溫度變化曲線.隨著火災(zāi)的發(fā)展，著火板房室內(nèi)空氣溫度在著火后迅速升溫，當(dāng)溫度達(dá)到最大值后緩慢降低.由于A4板房內(nèi)可燃物的擺放高度較低，因此升溫階段z=1.8 m處測點(diǎn)T29的空氣溫度更高；房間內(nèi)可燃物充分燃燒后，高溫?zé)煔庥鹆鞲∩奂陧斉锵虏?，因此在溫度逐漸降低的階段z=2.8 m處測點(diǎn)T30的空氣溫度更高.

圖8 板房A4室內(nèi)溫度隨時間的變化曲線Fig.8 Temperature versus time of room temperature of Room A4

圖9為著火房間A4室外不同距離處的溫度測點(diǎn)的實(shí)測結(jié)果.由于測點(diǎn)T6～T10的溫度曲線難以區(qū)分且對結(jié)果影響不大，因此本文僅給出T1～T5的溫度曲線.根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場的視頻圖像以及實(shí)測溫度曲線，著火房間外z=1.8 m處各測點(diǎn)的溫度值約在150 s時窗戶玻璃破裂后迅速上升，距離著火板房最近的T1測點(diǎn)的溫度上升幅度尤為顯著.A4板房內(nèi)可燃物均被引燃，由于板房材質(zhì)采用的生物秸稈板屬于不燃材料，因此在220 s左右T1～T5測點(diǎn)溫度達(dá)到最大值之后隨即降低，火勢隨可燃物逐漸燃盡而減小，400 s后T1測點(diǎn)溫度降至50 ℃以下.對于T3～T5測點(diǎn)，室外空氣溫度最大值為47 ℃，表明防火間距大于3 m可以保障人員安全疏散.

圖9 板房A4室外溫度隨時間的變化曲線Fig.9 Temperature versus time of outdoor temperature of Room A4

3.3 板房A5的室內(nèi)外空氣溫度實(shí)測結(jié)果

圖10為著火板房A4右側(cè)相鄰板房A5的室內(nèi)空氣溫度的實(shí)測結(jié)果，測點(diǎn)溫度先增大后減小，在A4前窗玻璃破裂后，A5板房受到熱煙氣的影響，室內(nèi)空氣溫度迅速上升；當(dāng)A4板房火勢進(jìn)入衰減期后，A5板房室內(nèi)溫度也隨即降低.在整個火災(zāi)過程中，距離地面2.8 m處測點(diǎn)T32的溫度值明顯高于距離地面1.8 m處測點(diǎn)T31的溫度值，表明高溫?zé)煔饩奂诜块g上部.與圖8中A4板房的室內(nèi)空氣溫度值比較，A5板房室內(nèi)空氣溫度的峰值明顯低于A4板房的室內(nèi)空氣溫度峰值，且A5板房室內(nèi)峰值溫度出現(xiàn)的時刻存在延遲.

圖10 板房A5室內(nèi)溫度隨時間的變化曲線Fig.10 Temperature versus time of room temperature of Room A5

圖11為A5板房室外空氣溫度測點(diǎn)T17～T20的實(shí)測值.由于本次試驗(yàn)中板房采用不燃材料，板房A5并未被引燃，因此A5板房外各測點(diǎn)T17～T20的空氣溫度均顯著低于A4板房外相同距離處的測點(diǎn)T1～T4的溫度值.火災(zāi)發(fā)生300 s后A5板房室外溫度均低于40 ℃，表明人員可以安全疏散.

圖11 板房A5室外溫度隨時間的變化曲線Fig.11 Temperature versus time of outdoor temperature of Room A5

3.4 著火板房與鄰室的壁溫實(shí)測結(jié)果

圖12為著火板房A4與右側(cè)相鄰板房A5的隔墻壁面溫度的實(shí)測結(jié)果，T33和T34為A4板房的內(nèi)壁面溫度，T35和T36為A5板房的內(nèi)壁面溫度.由圖12的實(shí)測數(shù)據(jù)可知，著火板房A4的內(nèi)墻壁面峰值溫度為786 ℃，隔墻另一側(cè)的壁面峰值溫度為192 ℃，表明板房所采用的生物秸稈防火板材的隔熱阻燃性能優(yōu)異，可以大幅減小火災(zāi)對鄰室的影響，為室內(nèi)人員的安全疏散創(chuàng)造有利條件.

圖12 板房A4與A5隔墻兩側(cè)的壁面溫度隨時間的變化曲線Fig.12 Wall surface temperature of adjacent wall of Room A4 and Room A5

3.5 著火板房A4室外熱輻射強(qiáng)度實(shí)測數(shù)據(jù)分析

圖13為著火板房A4室外的熱輻射強(qiáng)度測點(diǎn)R1～R8的實(shí)測熱輻射強(qiáng)度值I隨時間t的變化曲線.距離板房3 m以內(nèi)的測點(diǎn)R1、R2和R3的熱輻射強(qiáng)度波動幅度顯著，測點(diǎn)R1的熱輻射強(qiáng)度峰值可達(dá)24.43 kW·m-2.當(dāng)距板房的距離增至2 m時，測點(diǎn)R2的最大熱輻射強(qiáng)度為12.72 kW·m-2，僅約為測點(diǎn)R1的熱輻射強(qiáng)度峰值的一半.實(shí)體試驗(yàn)中，與板房A4的間距僅為1 m的板房B4在火災(zāi)中未受損，這亦與熱輻射強(qiáng)度實(shí)測結(jié)果吻合.

圖13 板房A4室外熱輻射強(qiáng)度隨時間的變化曲線Fig.13 Outdoor thermal radiation intensity evolution of Room A4

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，運(yùn)用MATLAB軟件對A4板房外的熱輻射強(qiáng)度峰值進(jìn)行一元回歸分析，采用指數(shù)函數(shù)擬合最大熱輻射強(qiáng)度Imax,x隨測點(diǎn)與板房間距x的函數(shù)關(guān)系式：

Imax,x=47.434 exp(-0.662 7x),R2=0.997 4

(1)

式中:Imax,x為測點(diǎn)距離板房x處的最大熱輻射強(qiáng)度，kW·m-2.

式(1)的相關(guān)系數(shù)大于0.99，表明該指數(shù)函數(shù)式的擬合值與實(shí)測值相關(guān)性很好.著火板房外不同距離處的最大熱輻射強(qiáng)度與距離的變化曲線見圖14.

圖14著火板房外最大熱輻射強(qiáng)度Imax,x隨測點(diǎn)與板房間距x的變化曲線
Fig.14Maximumthermalradiationintensitiesatdifferentdistances

根據(jù)美國消防規(guī)范NFPA的研究結(jié)果，引燃織物、紙張等材料的熱輻射強(qiáng)度臨界值為10 kW·m-2, 將此熱輻射強(qiáng)度臨界值代入式(1)，可計(jì)算得出生物秸稈不燃板房的防火安全距離為x=2.34 m.表明當(dāng)板房排間距x>2.34 m時，所接受到的輻射強(qiáng)度將小于10 kW·m-2.

4 極端情況分析

以上數(shù)據(jù)是基于初始環(huán)境溫度為32 ℃，初始環(huán)境風(fēng)向風(fēng)速為西風(fēng)0.5 m·s-1的實(shí)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，最終根據(jù)熱輻射強(qiáng)度的臨界值來確定安全防火間距.事實(shí)上，氣象條件將對火災(zāi)的蔓延情況產(chǎn)生不同的影響，其中，風(fēng)速和氣溫的影響尤為突出.當(dāng)風(fēng)速增大后，物體表面接收到的熱量除了輻射傳熱以外，還應(yīng)包括煙氣掠過物體表面時的對流傳熱.文獻(xiàn)[9]模擬分析得到：常規(guī)氣象條件下(環(huán)境溫度在-5～35 ℃，環(huán)境風(fēng)速小于4 m·s-1)，對流傳熱強(qiáng)度約占總傳熱強(qiáng)度的2%；極端天氣條件下(環(huán)境溫度50 ℃，環(huán)境風(fēng)速10 m·s-1)，對流傳熱強(qiáng)度約占總傳熱強(qiáng)度的10%.因此，考慮極端條件下總傳熱強(qiáng)度臨界值為10 kW·m-2，其中輻射傳熱強(qiáng)度臨界值為9 kW·m-2時，由式(1)計(jì)算得到極端條件下生物秸稈不燃板房的防火安全距離為2.51 m.

5 結(jié)論

本文對生物秸稈不燃板房進(jìn)行了全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)，研究該板房在失火后的火災(zāi)蔓延特性以及安全防火間距.研究結(jié)果表明：

(1) 生物秸稈不燃板材的阻燃性能對于抑制火災(zāi)蔓延有重要作用，可以有效減輕火災(zāi)的危害，為人員的安全疏散創(chuàng)造有利條件.

(2) 對于采用生物秸稈不燃材料的板房，臨棟防火間距大于2.34 m可滿足安全要求.考慮極端大風(fēng)天氣，生物秸稈不燃板房的臨棟安全防火間距應(yīng)增至2.51 m.

因此，采用生物秸稈不燃材料搭建災(zāi)區(qū)活動板房，可以有效縮短安全防火間距，在安全可靠的前提下擴(kuò)大災(zāi)區(qū)安置點(diǎn)的承載能力，同時也對保護(hù)災(zāi)區(qū)的生態(tài)環(huán)境有著重要意義.