典型建筑外墻保溫材料的燃燒及火蔓延行為研究

丁 超, 朱難難， 蘭清源， 程炳紅， 符扣鎖

(1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院， 安徽 230601；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室， 安徽 230026)

我國建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用的外墻保溫材料，主要分為有機類、無機類及復(fù)合材料3類[1]，而外墻保溫又是目前大力推廣的一種建筑節(jié)能手段，在當今“碳達峰、碳中和”大背景下，受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。目前，建筑行業(yè)主要使用的典型建筑外墻保溫材料為聚苯乙烯保溫板(以下簡稱EPS)、擠塑聚苯乙烯保溫板(以下簡稱XPS)及硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫板(以下簡稱硬PU)。這些材料都是高分子有機材料，且屬于B級可燃材料，另外硬PU燃燒會產(chǎn)生大量有毒氣體，需經(jīng)阻燃處理達到不燃級別，避免人員傷亡。近年來，建筑外墻保溫材料引發(fā)高層建筑火災(zāi)事故層出不窮，而究其失火原因主要是市場上外墻保溫材料種類繁多，很多建筑單位為節(jié)約成本，擅自使用防火安全性能差、未達到相關(guān)安全要求的保溫材料，從而造成了一系列重大人員傷亡及財產(chǎn)損失[2-3]。

關(guān)于建筑外墻保溫材料的燃燒特性及火蔓延研究，國內(nèi)外學(xué)者也取得了頗多成果。李剛等[4]通過試驗全面對比分析了TPS、EPS、XPS 3種保溫材料的燃燒特性，并為在建筑行業(yè)的實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。AN等[5]設(shè)計小型建筑外立面保溫材料豎直燃燒試驗裝置，研究FPU的熱燃性能，表明火焰沿中軸線向下蔓延是由多種因素耦合引起的。張威等[6]11-17通過FDS建立垂直的建筑外立面幾何模型，研究XPS、EPS、PU 3種保溫材料豎直燃燒火災(zāi)發(fā)生規(guī)律，給出了火焰蔓延服從二次曲線的表達式。章濤林等[7]用FDS軟件建立20層建筑幾何模型，研究EPS的火蔓延行為、溫度場、煙霧、質(zhì)量損失速率等火災(zāi)參數(shù)。HUANG等[8]研究在壓力和方向耦合作用下的建筑外保溫材料燃燒特性及火蔓延規(guī)律。MA等[9]分別在合肥和拉薩兩地開展FPU在不同壓力下的燃燒試驗，通過對傾角、火焰高度等火災(zāi)參數(shù)進行分析，得出了65 kPa下火焰燃燒速率最低。3種材料各有優(yōu)劣，但從發(fā)生火災(zāi)等事故來看，在低壓環(huán)境下研究建筑外墻保溫材料的燃燒特性居多。由于近年來高層建筑外墻保溫材料的火災(zāi)事故頻發(fā)，這多與保溫材料安全性能低有關(guān)。對于不同類別的建筑外墻保溫材料的燃燒特性及火蔓延規(guī)律研究較少，而且國內(nèi)缺乏這類保溫材料性能的評估準則，故有必要深入研究典型建筑外墻保溫材料的燃燒特性及火蔓延規(guī)律。

本文針對典型建筑外墻保溫材料存在的消防安全問題，在低壓低氧試驗艙中開展3種典型建筑外墻保溫材料的燃燒及水平貼壁火蔓延試驗，通過分析建筑外墻保溫材料在燃燒過程中的質(zhì)量損失速率、火焰溫度、輻射熱等火災(zāi)參數(shù)，來研究典型建筑外墻保溫材料的燃燒特性及火蔓延行為，對于日后此類火災(zāi)預(yù)防具有重要意義[10-11]。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

本文設(shè)計了EPS、XPS及硬PU的燃燒及水平貼壁火蔓延試驗，探究其燃燒特性、質(zhì)量損失速率、溫度等火災(zāi)參數(shù)規(guī)律，揭示不同建筑外墻保溫材料的燃燒差異，規(guī)范建筑外墻保溫材料的使用。

1.2 試驗材料

目前建筑行業(yè)主要使用的建筑外墻保溫材料有3類，分別選取3種典型建筑外墻保溫材料，EPS、XPS及硬PU，其主要特征參數(shù)見表1。

表1 3種建筑外墻保溫材料的主要特征參數(shù)

1.3 試驗儀器布置

在低壓低氧試驗艙，開展3種建筑外墻保溫材料的燃燒及水貼壁平火蔓延行為試驗，試驗儀器布置如圖1所示。低壓低氧試驗艙為角鋼架結(jié)構(gòu)，頂部有集煙罩，左右兩側(cè)設(shè)置觀察窗口。天平及相關(guān)試驗儀器位于中心位置，左側(cè)照相機實時錄像，記錄火焰圖像。電子天平與變角度支架之間用PVC隔板隔開，其質(zhì)量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接嬎銠C，由計算機上的質(zhì)量數(shù)據(jù)采集軟件實時記錄。試驗用保溫材料水平放置在變角度支架上方，常壓下人工點燃后，由其上方8個熱電偶陣列測量溫度，熱輻射測量儀、熱流測量儀分別布置在距點火處40.0 cm、60.0 cm的位置上，測量輻射熱及熱流。溫度、輻射、熱流均由數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接嬎銠C終端，實時采集，用于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

1.4 試驗測量設(shè)備

電子天平：3種典型建筑外墻保溫材料的質(zhì)量損失速率由電子天平連接的計算機終端采集的質(zhì)量數(shù)據(jù)求導(dǎo)得到。試驗用電子天平型號為日本A&D，其主要性能參數(shù)為最大量程10 kg，精度0.01 g。通過電腦軟件串口連接(RsCom)實時采集質(zhì)量數(shù)據(jù)并顯示。

熱電偶：本試驗用熱電偶測量建筑外墻保溫材料燃燒中軸線火焰溫度，用8個K型熱電偶組成陣列，T0～T3這4個熱電偶間距為4.0 cm，T4～T7這4個熱電偶間距為10.0 cm，可參見圖1中熱電偶陣列簡圖。溫度數(shù)據(jù)由溫度采集模塊7 018采集，試驗用熱電偶測溫范圍為-500～1 200 ℃，熱響時間為0.1 s，外形尺寸直徑為1 mm，長度為3 m。試驗中熱電偶布置情況，如圖2所示。

1.5 試驗內(nèi)容

本試驗分別將EPS、XPS及硬PU按照長50.0 cm、寬8.0 cm、厚1.8 cm的方形尺寸截取，每種材料做3次重復(fù)試驗。試驗時，先在室外將建筑外墻保溫材料水平放置到變角度支架上，用攝像機拍照留存后，送入低壓低氧試驗艙里的天平上，用打火機人工汽火引燃后，將所有電燈等照明設(shè)備關(guān)閉，攝像機、計算機等數(shù)據(jù)采集儀器實時記錄，相關(guān)布置情況可參考圖1。燃燒結(jié)束后，保存溫度、輻射熱、火焰燃燒情況等數(shù)據(jù)，并將試驗艙內(nèi)有毒有害氣體通過抽壓泵抽走，開始下一組試驗，如此重復(fù)，得出共9組試驗工況。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失速率

質(zhì)量損失速率不僅反映了保溫材料的質(zhì)量減少快慢，在某種程度上還可將火勢大小及火蔓延速率體現(xiàn)出來。3種典型建筑外墻保溫材料在保證外界環(huán)境條件相同情況下，由汽火引燃后來研究其燃燒速率，而燃燒速率又可以通過質(zhì)量損失速率來呈現(xiàn)。如圖3所示，描繪了EPS、XPS及硬PU 3種建筑外墻保溫材料燃燒后的質(zhì)量損失及求導(dǎo)后得到的質(zhì)量損失速率曲線。對于3種建筑外墻保溫材料，其質(zhì)量損失曲線近似服從二次曲線，與模擬結(jié)果二次曲線吻合[6]11-17。由圖3可以看出，3種外墻保溫材料的質(zhì)量呈先緩慢減少，然后快速下降，最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。這是由于建筑外墻保溫材料剛?cè)紵龝r，存在預(yù)熱區(qū)，隨著燃燒的發(fā)展，火勢沿著水平方向逐步蔓延，保溫材料燃燒速率加快，這也是質(zhì)量損失加快的重要原因之一。

圖1 試驗裝置布置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device layout

以EPS的質(zhì)量損失速率曲線為例，EPS燃燒后，隨著燃燒的進行，質(zhì)量損失速率逐漸增加，在200 s時刻達到最大值，最大質(zhì)量損失速率為0.092 g/s。此后，其質(zhì)量損失速率逐漸減小，直到燃燒結(jié)束，質(zhì)量損失速率減為0。對比試驗研究的3種典型建筑外墻保溫材料可以發(fā)現(xiàn)，皆呈現(xiàn)此規(guī)律，但就硬PU而言，其質(zhì)量損失較快，在100 s時質(zhì)量損失速率達到最大值0.080 g/s，然后又很快減為0，這可能與硬PU為熱塑性材料有關(guān)，而且由于水平貼壁保溫材料的熔化、滴落并沒有遠離保溫材料，而是在殘留在PVC隔板上，進而也加速了硬PU的熱解。

3種建筑外墻保溫材料的質(zhì)量損失實際上是EPS、XPS及硬PU在被點燃后，由于熱量不斷積累，固體材料不斷熱解，進而形成可燃性揮發(fā)物燃燒的過程。如圖4所示，以EPS建筑外墻保溫材料為例，描述了EPS建筑外墻保溫材料燃燒的火蔓延過程。從EPS一端點燃后，這個區(qū)域定義為EPS火蔓延過程的預(yù)熱區(qū)；隨著燃燒的發(fā)展，由于燃燒過程中對流、傳導(dǎo)、輻射效應(yīng)，燃料揮發(fā)，此區(qū)域定義為熱解區(qū)，由于試驗研究的是建筑外墻水平火蔓延規(guī)律，故熱解區(qū)占據(jù)EPS板中部較大區(qū)域；在EPS板即將燃盡時，沿著火蔓延方向尚無可熱解燃料，該區(qū)域定義為EPS的燃盡區(qū)。

圖4 建筑外墻保溫材料火蔓延過程機制Fig.4 Mechanism diagram of fire spread process of building external wall insulation material

根據(jù)火蔓延速率與質(zhì)量損失速率的關(guān)系，火蔓延速率v為：

(1)

式中：v為火蔓延速率，cm/s；W′為質(zhì)量損失速率，g/s；l為保溫材料寬度，cm；d為保溫材料厚度，cm；ρ為保溫材料密度，g/cm3。

根據(jù)式(1)，建筑外墻保溫材料的火蔓延速率與質(zhì)量損失速率成正比，保溫材料寬度、厚度及密度由表1可知，故可求得峰值火蔓延速率、平均火蔓延速率。試驗中EPS、XPS、硬PU 3種建筑外墻保溫材料的平均質(zhì)量損失速率、峰值質(zhì)量損失速率、平均火蔓延速率及峰值火蔓延速率，見表2。結(jié)合表2，3種建筑外墻保溫材料的平均質(zhì)量損失速率與平均火蔓延速率由大到小依次為EPS、XPS、硬PU?？梢缘玫絏PS燃燒結(jié)束后產(chǎn)生的灰燼較多，為10.9 g，其燃燒所花時間也最長，為600 s，但其燃燒過程中的質(zhì)量損失速率、火蔓延速率并不是最大，這說明建筑外墻保溫材料的火蔓延特性是由材料本身特性、環(huán)境條件等多因素耦合影響的結(jié)果。

表2 3種建筑外墻保溫材料的火蔓延特性

2.2 火焰溫度

火焰溫度是火焰的主要特征之一，也是評價火災(zāi)危險性的重要指標，在一定程度上會影響可燃材料的燃燒特性及火蔓延。試驗中按照相同規(guī)格長、寬、厚分別為50.0 cm、8.0 cm、1.8 cm的尺寸截取EPS、XPS及硬PU 3種建筑外墻保溫材料，將用8個K型熱電偶組成的陣列放在建筑外墻保溫材料沿水平火蔓延方向的中軸線上方，用于測量建筑外墻保溫材料燃燒時的表面溫度。

整理試驗數(shù)據(jù)，繪制3種建筑外墻保溫材料水平火蔓延過程時中軸線上方溫度與時間的變化趨勢，如圖5所示，得出EPS、XPS及硬PU水平火蔓延時各處溫度變化情況。以EPS為例，試驗中從EPS左端引燃，之后逐漸向右蔓延。當火源靠近T0熱電偶時，T0熱電偶測得的溫度會持續(xù)升高，直到峰值，試驗中XPS和硬PU中軸線T0處溫度升高的主要原因也是如此。由于EPS燃燒后，火焰會向右側(cè)蔓延，故T0～T7這8個熱電偶所測溫度均呈現(xiàn)先上升，達到峰值后再下降的趨勢。對于EPS、XPS及硬PU這3種建筑外墻保溫材料，8個熱電偶之間存在一定間隔，可以間接反映出外墻保溫材料火蔓延過程的3個區(qū)域，分別為預(yù)熱區(qū)、熱解區(qū)、燃盡區(qū)。對于火蔓延過程中的溫度變化，結(jié)合圖5試驗數(shù)據(jù)，針對火蔓延過程的3個區(qū)域，將3種建筑外墻保溫材料火蔓延過程中的溫度變化分成3個階段：預(yù)熱階段(熔融熱解)、穩(wěn)定燃燒階段(熱解蒸汽持續(xù)燃燒)、熄滅階段。T7熱電偶位于保溫材料的末端，所測得的溫度出現(xiàn)1個小波峰，是因為在此處空氣充足，殘余保溫材料完全燃燒，火焰溫度較高。對于3個燃燒階段，穩(wěn)定燃燒階段峰值溫度相對較高，根據(jù)圖中8個熱電偶所測得溫度最大值來評估3個區(qū)域大致位置。EPS板最高溫度由T4測得，XPS及硬PU板的最高溫度均由T2測得，可見，隨著燃燒的發(fā)展，3種材料的熱解速率不一致，XPS和硬PU相對易燃。

圖5 3種建筑外墻保溫材料水平火蔓延過程中軸線上方溫度與時間曲線Fig.5 Temperature and time curves above the axis in the process of horizontal fire spread of three kinds of building external wall insulation materials

2.3 輻射熱

作為火災(zāi)源頭的輻射熱能夠反映火源能量大小及撲滅難度，是衡量火災(zāi)發(fā)展和危險性的重要參數(shù)。EPS、XPS及硬PU 3種建筑外墻保溫材料的輻射熱與時間的變化曲線如圖6所示。EPS、XPS輻射熱曲線存在2個波峰，這可能是由于火蔓延過程中火焰羽流浮力作用，熱空氣向上流動，空氣卷吸對未燃區(qū)熱反饋加大，在保溫材料燃燒一半以上后兩端空氣充足，燃料完全燃燒，使得溫度再次升高，輻射熱增加。EPS、XPS及硬PU 3次重復(fù)試驗的重復(fù)性較好，且輻射熱曲線均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，這是因為保溫材料在火蔓延過程中存在預(yù)熱區(qū)，之后在穩(wěn)定燃燒階段，輻射熱達到峰值，直到熄滅階段，輻射熱逐漸下降。另外由于熱輻射測量儀位置固定，距離保溫材料中心40.0 cm，從保溫材料一端點燃后，隨著燃料燃燒，火源增長，火焰距離輻射測量儀越近，導(dǎo)致輻射熱增加。但是，相對而言，XPS輻射曲線坡度較平緩，硬PU輻射曲線左側(cè)輻射熱幾乎直線增加，明顯強于XPS和EPS。然而從輻射熱峰值來看，EPS輻射熱最大，約為100 W/m2，燃燒最為強烈，火災(zāi)危險性大。3種保溫材料在引燃后，硬PU率先在最短時間內(nèi)到達峰值，EPS次之。因此，從可燃材料燃燒時的輻射熱角度來看，3種典型外墻保溫材料的火災(zāi)危險性由大到小分別為EPS、XPS、硬PU。

圖6 3種建筑外墻保溫材料的輻射熱與時間的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between radiant heat and time of three kinds of building external wall insulation materials

3 結(jié)論

本文在低壓低氧試驗艙中開展EPS、XPS及硬PU 3種典型建筑外墻保溫材料的燃燒及水平貼壁火蔓延試驗，研究建筑外墻保溫材料的燃燒特性及火蔓延行為。對質(zhì)量損失速率、火焰溫度及輻射熱進行了測量和分析，主要結(jié)論如下：

1)試驗中3種典型建筑外墻保溫材料EPS、XPS及硬PU燃燒后質(zhì)量逐漸減小(質(zhì)量損失曲線近似服從二次曲線)，直至全部變?yōu)樘亢冢@與一般固體燃料燃燒規(guī)律類似。EPS、XPS及硬PU的峰值質(zhì)量損失速率分別為0.092 g/s、0.071 g/s、0.080 g/s，平均質(zhì)量損失速率與平均火蔓延速率由大到小依次為EPS、XPS、硬PU，說明典型建筑外墻保溫材料易燃速度、火蔓延速度相對較快。建筑外墻保溫材料火蔓延過程中可分3個燃燒區(qū)域，分別為預(yù)熱區(qū)、熱解區(qū)、燃盡區(qū)。

2)開展多次重復(fù)燃燒試驗，得到在建筑外墻保溫材料火蔓延過程中燃燒溫度變化的3個階段，分別為預(yù)熱階段(熔融熱解)、穩(wěn)定燃燒階段(熱解蒸汽持續(xù)燃燒)、熄滅階段。3個燃燒階段中，穩(wěn)定燃燒階段是燃燒過程中的高峰期，峰值溫度相對較高。3種保溫材料在100 s左右進入穩(wěn)定燃燒階段，故在典型建筑外墻保溫材料的火災(zāi)消防中，應(yīng)盡可能在100 s前撲滅火災(zāi)，防止火勢進一步擴大。而在熄滅階段出現(xiàn)的小波峰，是因為此處空氣充足，殘余外墻保溫材料完全燃燒，火焰溫度較高。另外，試驗中發(fā)現(xiàn)硬PU的預(yù)熱階段時間最短，這說明硬PU相對EPS、XPS更易燃，需注意硬PU的阻燃處理，這也為不同保溫材料的分區(qū)、分類防火阻燃提供了參考依據(jù)。

3)多次重復(fù)性試驗表明，EPS、XPS及硬PU的輻射熱曲線均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，與理論上的質(zhì)量損失速率(熱釋放速率)變化趨勢一致。而EPS、XPS的輻射熱曲線存在的2個波峰，很可能是由于火蔓延過程中火焰羽流浮力作用，熱空氣向上流動，空氣卷吸對未燃區(qū)熱反饋加大，在保溫材料燃燒一半以上后兩端空氣充足，燃料完全燃燒，輻射熱增加。試驗中發(fā)現(xiàn)，EPS輻射熱最大，為100 W/m2，燃燒最為強烈。3種典型外墻保溫材料的火災(zāi)危險由大到小分別為EPS、XPS、硬PU，表明XPS火災(zāi)危險性相對較大。