典型建筑材料不燃性測試試驗研究

鄔玉龍工程師 段進(jìn)濤 劉建勇 吉世雄 朱穗聰

(廣州市建筑材料工業(yè)研究所有限公司 廣東省材料與構(gòu)件防火檢測技術(shù)企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510663)

0 引言

建筑材料的燃燒性能是劃分建筑材料燃燒性級別、確定建筑裝修結(jié)構(gòu)安全的重要依據(jù)，也是建筑防火性能評價和建筑防火設(shè)計的基礎(chǔ)。如果建筑材料的燃燒性能不能滿足建筑防火的實際需求，建筑物就會存在安全隱患，一旦發(fā)生火災(zāi)會嚴(yán)重威脅建筑和建筑內(nèi)人員的安全。近些年發(fā)生多起建筑外保溫材料燃燒的火災(zāi)事故，如2009年央視文化中心的外墻保溫材料發(fā)生燃燒；2015年河南省康樂園老年公寓火災(zāi)事故，都導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此，明確建筑材料的燃燒性能非常重要，我國發(fā)布GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》對建筑材料的燃燒性能等級進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定，其中A1和A2級為不燃性建筑材料，重要建筑和建筑中的重要位置都要采用不燃性材料來提高建筑的防火和耐火性能。我國GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》對建筑材料的燃燒性能等級做出明確的規(guī)定。為準(zhǔn)確判定建筑材料的不燃性，發(fā)布GB/T 5464—2010《建筑材料不燃性試驗方法》(以下簡稱“試驗方法”)，用于判定建筑材料的不燃性。

部分學(xué)者對建筑材料不燃性進(jìn)行試驗研究，如曹伯寅[1]對建筑材料不燃性試驗設(shè)備和試驗條件進(jìn)行解讀和說明；朱丹等[2]設(shè)計一種基于嵌入式微處理器的不燃性測試系統(tǒng)，實現(xiàn)對爐溫的智能控制；徐振宇等[3]基于不同標(biāo)準(zhǔn)對建筑保溫材料的燃燒性能進(jìn)行分析，指出同一樣品執(zhí)行不同的標(biāo)準(zhǔn)會得出不同的結(jié)論，因此需要明確測試標(biāo)準(zhǔn)；施芳琦等[4]對常見的不燃性建筑保溫材料進(jìn)行不燃性測試，并對多種樣品的燃燒行為進(jìn)行對比分析；徐晶晶等[5]對不燃性測試設(shè)備、測試過程、結(jié)果確認(rèn)等問題進(jìn)行分析，以提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性；李晗等[6]針對玻璃棉不燃性試驗中容易導(dǎo)致熱電偶損傷的問題提出改進(jìn)方案，提高熱電偶使用壽命和試驗精度，但是其試驗存在若干不符合試驗標(biāo)準(zhǔn)的地方，如試樣試驗時間少于30min和最終平衡溫度。還有一些學(xué)者針對不燃性測試中的燃燒監(jiān)測技術(shù)開展研究，如于偉江[7]提出利用視頻監(jiān)視系統(tǒng)記錄不燃性測試中燃燒持續(xù)時間的方法。

雖然已有不少學(xué)者針對建筑材料的不燃性試驗的多個問題開展研究，但是仍然不夠全面，現(xiàn)有的試驗過程和試驗設(shè)備仍然存在不符合試驗標(biāo)準(zhǔn)的問題。準(zhǔn)確理解試驗方法是判定建筑材料不燃性的基礎(chǔ)，一方面試驗設(shè)備應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，另一方面試驗流程也要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在此基礎(chǔ)上才能對樣品試驗結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。本文對建筑材料不燃性試驗設(shè)備和試驗流程進(jìn)行解讀和說明，對不符合標(biāo)準(zhǔn)的建筑材料不燃性試驗設(shè)備問題原因進(jìn)行分析，并對3種典型的建筑材料不燃性試驗進(jìn)行對比分析，以幫助檢測機(jī)構(gòu)對標(biāo)準(zhǔn)的理解并鑒別試驗設(shè)備是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，從而提高建筑材料不燃性試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 不燃性試驗過程和常見問題分析

試驗方法為推薦性標(biāo)準(zhǔn)被強制性標(biāo)準(zhǔn)GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》引用，所以其具有強制執(zhí)行的效力。依據(jù)試驗方法，GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》判定建筑材料不燃性的條件，見表1。為確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要嚴(yán)格按照試驗方法中對于試驗設(shè)備、樣品制備和試驗流程的規(guī)定：熱電偶采用絲徑為0.3mm，外徑為1.5mm的K型鎧裝熱電偶；溫度的測量精度為1℃，采樣間隔不超過1s；功率控制器的最大電壓不超過100V，穩(wěn)態(tài)條件下，加熱線圈電流約為9～10A；試樣厚度要滿足47～50mm，多層疊加時盡可能保證密度不變，試驗流程，如圖1。

圖1 建筑材料不燃性試驗流程

表1 建筑材料不燃性等級判定條件

目前，市場上某些建筑材料不燃性試驗設(shè)備不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其中典型問題是忽視試驗方法第7.2.3條：試驗期間，加熱爐不應(yīng)采用自動恒溫控制。如此產(chǎn)生的后果是爐溫過快達(dá)到平衡條件，提前結(jié)束試驗，如文獻(xiàn)[6]中巖棉試樣放入電爐后約11min達(dá)到平衡并結(jié)束試驗，這在正常測試中難以出現(xiàn)，而且11min結(jié)束測試也不符合試驗方法第7.4.7條：對試樣進(jìn)行30min試驗，如果爐內(nèi)溫度在30min時達(dá)到最終溫度平衡，即由熱電偶測量的溫度在10min內(nèi)漂移(線性回歸)不超過2℃，則可停止試驗。如果30min內(nèi)未能達(dá)到溫度平衡，應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行試驗，同時間隔5min檢查是否達(dá)到最終溫度平衡，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到最終溫度平衡或試驗時間達(dá)60min時應(yīng)結(jié)束試驗。

錯誤的巖棉不燃性試驗爐溫曲線和典型正確的巖棉不燃性試驗爐溫曲線，如圖2。錯誤的巖棉不燃性試驗是由某設(shè)備廠商生產(chǎn)的不燃性試驗爐測試，該試驗爐無法保存初始溫度平衡的爐溫數(shù)據(jù)，由于采用自動恒溫控制，電爐內(nèi)放巖棉試樣后，爐溫僅是略微緩慢下降后便快速上升，之后便在750℃左右波動，使?fàn)t溫很快達(dá)到最終平衡狀態(tài)，實際上這違反了試驗方法第7.2.3條，試驗結(jié)果無法采信。同時該設(shè)備為了使測得的溫度穩(wěn)定，采用濾波算法，修正溫度的不規(guī)則波動，這與試驗方法附錄D給出的溫度記錄例子有顯著不同，這一點也不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。圖2(b)是典型正確的巖棉不燃性試驗爐溫曲線，每1s采集一次溫度，溫度正常波動，恒定功率下經(jīng)過10min初始溫度平衡后放入試樣；試驗爐功率不變，較冷的試樣放入試驗爐后，爐內(nèi)溫度快速降低，而后迅速回升，約20min后溫度緩慢趨于最終溫度平衡。所以，相較于正常的建筑材料不燃性試驗爐，采用自動恒溫控制的不燃性試驗爐測試結(jié)果可能會存在2個問題：由于采用自動恒溫控制(以750℃為溫控目標(biāo))，爐內(nèi)溫升ΔT必然很??；采用自動恒溫控制會使?fàn)t內(nèi)溫度過早達(dá)到最終溫度平衡，試樣在爐內(nèi)加熱時間短，會導(dǎo)致質(zhì)量損失率Δm相較于正常測試數(shù)值偏小。這2個問題導(dǎo)致的結(jié)果是使原本不滿足不燃性等級條件的樣品試驗結(jié)果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，這種不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的材料應(yīng)用于建筑后，一旦發(fā)生火災(zāi)可能會導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

(a)錯誤的巖棉不燃性試驗

2 典型不燃性材料測試試驗研究

由于存在問題的建筑材料不燃性試驗設(shè)備在試樣試驗階段采用自動恒溫控制，這會導(dǎo)致不燃性試驗的溫升和試樣質(zhì)量損失都偏小，檢測人員在不了解建筑材料不燃性試驗特性的情況下有可能對試驗結(jié)果做出誤判。為了理解不燃性試驗的過程和爐溫變化原理，幫助檢測人員對試驗結(jié)果進(jìn)行初步判斷，同時為進(jìn)一步說明不同材料不燃性試驗中爐溫變化特點并分析爐溫差異的原因，對硅酸鈣板、巖棉和玻璃棉3種建筑中常用的不燃性材料進(jìn)行多次試驗。硅酸鈣板是室內(nèi)最常見的裝飾材料，巖棉是最常見的室外保溫材料，玻璃棉是最常見的通風(fēng)設(shè)備防火材料。這3種材料是建筑中最常見的不燃性材料，也是檢測行業(yè)中檢測最多的3種。利用符合試驗方法標(biāo)準(zhǔn)的建筑材料不燃性試驗爐，滿足前文所述的設(shè)備參數(shù)和試驗流程，對3種不燃性材料進(jìn)行試驗，最后選取其中典型的爐溫曲線進(jìn)行分析，如圖3。3種試樣測試條件相同，相同的環(huán)境溫度26℃，試樣在60℃內(nèi)的干燥箱內(nèi)調(diào)節(jié)21h。硅酸鈣板的試樣放入試驗爐后，爐溫快速下降至655.4℃，而后緩慢上升，20min后爐溫趨于穩(wěn)定，在試驗55min時爐內(nèi)溫度達(dá)到最終平衡，爐內(nèi)最終平衡溫度為742.3℃。巖棉的試樣放入試驗爐后，爐溫快速下降至688.0℃，而后快速上升，15min后爐溫趨于穩(wěn)定，在試驗35min時爐內(nèi)溫度達(dá)到最終平衡，爐內(nèi)最終平衡溫度為755.6℃。玻璃棉的試樣放入試驗爐后，爐溫快速下降至695.8℃，而后快速上升，20min后爐溫趨于穩(wěn)定，在試驗45min時爐內(nèi)溫度達(dá)到最終平衡，爐內(nèi)最終平衡溫度為765.0℃。硅酸鈣板、巖棉和玻璃棉3種材料不燃性試驗結(jié)果，見表2。試樣放入試驗爐后會收集熱量導(dǎo)致爐溫降低，待試樣溫度升高后，爐溫便停止下降開始升溫，直至爐溫達(dá)到平衡狀態(tài)，爐溫的升高與降低速度和試樣有關(guān)。硅酸鈣板質(zhì)量大，吸收熱量多，硅酸鈣板放入后爐內(nèi)溫度下降較多，而且硅酸鈣板的吸熱過程更為漫長，所以爐溫回升速度慢。硅酸鈣板密度最大，巖棉次之，玻璃棉最小?？梢钥闯鰻t溫曲線也表現(xiàn)出相同的特點，玻璃棉試樣放入后，爐溫下降最小，并且溫度回升速度最快；巖棉則介于硅酸鈣板和玻璃棉之間。硅酸鈣板不燃性試驗爐溫的最終平衡溫度通常小于750℃；巖棉不燃性試驗爐溫的最終平衡溫度通常接近于750℃；玻璃棉不燃性試驗爐溫的最終平衡溫度通常高于750℃。通過對比可以對建筑材料不燃性試驗結(jié)果進(jìn)行大致判斷，鑒別出明顯不符合試驗方法的試驗結(jié)果。

圖3 3種典型不燃材料的不燃性試驗爐溫曲線

表2 典型建筑材料不燃性試驗結(jié)果

3 結(jié)論

目前市場上存在部分不符合試驗方法標(biāo)準(zhǔn)的試驗設(shè)備和錯誤理解導(dǎo)致建筑材料不燃性檢測不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，針對這些問題對建筑材料不燃性試驗設(shè)備和試驗流程進(jìn)行解讀和說明，對錯誤的不燃性試驗爐爐溫曲線進(jìn)行分析，并對3種典型的建筑材料開展不燃性試驗，主要得出以下結(jié)論：

(1)市場上存在問題的不燃性試驗爐，主要是違反標(biāo)準(zhǔn)中2點規(guī)定：不燃性試驗爐在試驗階段應(yīng)保持功率恒定，且不應(yīng)采用自動恒溫控制；至少對試樣進(jìn)行30min試驗，最長60min。

(2)存在問題的不燃性試驗爐在試驗階段采用自動恒溫控制會導(dǎo)致試驗時間縮短，因此爐內(nèi)溫升和試樣質(zhì)量損失率也會比實際值偏?。欢话凑赵囼灧椒ㄒ?guī)定使試驗時間少于30min，也會導(dǎo)致試樣質(zhì)量損失率比實際值偏小，如此測試的結(jié)果無法采信，并且可能使原本不滿足標(biāo)準(zhǔn)的材料達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)通過3種典型建筑材料不燃性試驗爐溫曲線可以對不燃性試驗結(jié)果做出初步判斷，并且有助于鑒別不燃性試驗爐是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時對于不同材料典型不燃性試驗爐溫曲線的分析有助于理解不燃性試驗的過程和爐溫變化原理，提高不燃性試驗的準(zhǔn)確性。