典型建筑材料不燃性測(cè)試試驗(yàn)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(cè)技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jí)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(píng)價(jià)和建筑防火設(shè)計(jì)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(shí)際需求，建筑物就會(huì)存在安全隱患，一旦發(fā)生火災(zāi)會(huì)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(lè)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(guó)發(fā)布GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》對(duì)建筑材料的燃燒性能等級(jí)進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定，其中A1和A2級(jí)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(lái)提高建筑的防火和耐火性能。我國(guó)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》對(duì)建筑材料的燃燒性能等級(jí)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(yàn)方法》(以下簡(jiǎn)稱“試驗(yàn)方法”)，用于判定建筑材料的不燃性。

部分學(xué)者對(duì)建筑材料不燃性進(jìn)行試驗(yàn)研究，如曹伯寅[1]對(duì)建筑材料不燃性試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)條件進(jìn)行解讀和說(shuō)明；朱丹等[2]設(shè)計(jì)一種基于嵌入式微處理器的不燃性測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的智能控制；徐振宇等[3]基于不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(huì)得出不同的結(jié)論，因此需要明確測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；施芳琦等[4]對(duì)常見(jiàn)的不燃性建筑保溫材料進(jìn)行不燃性測(cè)試，并對(duì)多種樣品的燃燒行為進(jìn)行對(duì)比分析；徐晶晶等[5]對(duì)不燃性測(cè)試設(shè)備、測(cè)試過(guò)程、結(jié)果確認(rèn)等問(wèn)題進(jìn)行分析，以提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性；李晗等[6]針對(duì)玻璃棉不燃性試驗(yàn)中容易導(dǎo)致熱電偶損傷的問(wèn)題提出改進(jìn)方案，提高熱電偶使用壽命和試驗(yàn)精度，但是其試驗(yàn)存在若干不符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的地方，如試樣試驗(yàn)時(shí)間少于30min和最終平衡溫度。還有一些學(xué)者針對(duì)不燃性測(cè)試中的燃燒監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)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(cè)試中燃燒持續(xù)時(shí)間的方法。

雖然已有不少學(xué)者針對(duì)建筑材料的不燃性試驗(yàn)的多個(gè)問(wèn)題開(kāi)展研究，但是仍然不夠全面，現(xiàn)有的試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)設(shè)備仍然存在不符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。準(zhǔn)確理解試驗(yàn)方法是判定建筑材料不燃性的基礎(chǔ)，一方面試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，另一方面試驗(yàn)流程也要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在此基礎(chǔ)上才能對(duì)樣品試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。本文對(duì)建筑材料不燃性試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)流程進(jìn)行解讀和說(shuō)明，對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)的建筑材料不燃性試驗(yàn)設(shè)備問(wèn)題原因進(jìn)行分析，并對(duì)3種典型的建筑材料不燃性試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，以幫助檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解并鑒別試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 不燃性試驗(yàn)過(guò)程和常見(jiàn)問(wèn)題分析

試驗(yàn)方法為推薦性標(biāo)準(zhǔn)被強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》引用，所以其具有強(qiáng)制執(zhí)行的效力。依據(jù)試驗(yàn)方法，GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》判定建筑材料不燃性的條件，見(jiàn)表1。為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要嚴(yán)格按照試驗(yàn)方法中對(duì)于試驗(yàn)設(shè)備、樣品制備和試驗(yàn)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(cè)量精度為1℃，采樣間隔不超過(guò)1s；功率控制器的最大電壓不超過(guò)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(shí)盡可能保證密度不變，試驗(yàn)流程，如圖1。

圖1 建筑材料不燃性試驗(yàn)流程

表1 建筑材料不燃性等級(jí)判定條件

目前，市場(chǎng)上某些建筑材料不燃性試驗(yàn)設(shè)備不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其中典型問(wèn)題是忽視試驗(yàn)方法第7.2.3條：試驗(yàn)期間，加熱爐不應(yīng)采用自動(dòng)恒溫控制。如此產(chǎn)生的后果是爐溫過(guò)快達(dá)到平衡條件，提前結(jié)束試驗(yàn)，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(yàn)，這在正常測(cè)試中難以出現(xiàn)，而且11min結(jié)束測(cè)試也不符合試驗(yàn)方法第7.4.7條：對(duì)試樣進(jìn)行30min試驗(yàn)，如果爐內(nèi)溫度在30min時(shí)達(dá)到最終溫度平衡，即由熱電偶測(cè)量的溫度在10min內(nèi)漂移(線性回歸)不超過(guò)2℃，則可停止試驗(yàn)。如果30min內(nèi)未能達(dá)到溫度平衡，應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)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(yàn)時(shí)間達(dá)60min時(shí)應(yīng)結(jié)束試驗(yàn)。

錯(cuò)誤的巖棉不燃性試驗(yàn)爐溫曲線和典型正確的巖棉不燃性試驗(yàn)爐溫曲線，如圖2。錯(cuò)誤的巖棉不燃性試驗(yàn)是由某設(shè)備廠商生產(chǎn)的不燃性試驗(yàn)爐測(cè)試，該試驗(yàn)爐無(wú)法保存初始溫度平衡的爐溫?cái)?shù)據(jù)，由于采用自動(dòng)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(dòng)，使?fàn)t溫很快達(dá)到最終平衡狀態(tài)，實(shí)際上這違反了試驗(yàn)方法第7.2.3條，試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法采信。同時(shí)該設(shè)備為了使測(cè)得的溫度穩(wěn)定，采用濾波算法，修正溫度的不規(guī)則波動(dòng)，這與試驗(yàn)方法附錄D給出的溫度記錄例子有顯著不同，這一點(diǎn)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(yàn)爐溫曲線，每1s采集一次溫度，溫度正常波動(dòng)，恒定功率下經(jīng)過(guò)10min初始溫度平衡后放入試樣；試驗(yàn)爐功率不變，較冷的試樣放入試驗(yàn)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(yàn)爐，采用自動(dòng)恒溫控制的不燃性試驗(yàn)爐測(cè)試結(jié)果可能會(huì)存在2個(gè)問(wèn)題：由于采用自動(dòng)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(dòng)恒溫控制會(huì)使?fàn)t內(nèi)溫度過(guò)早達(dá)到最終溫度平衡，試樣在爐內(nèi)加熱時(shí)間短，會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量損失率Δm相較于正常測(cè)試數(shù)值偏小。這2個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致的結(jié)果是使原本不滿足不燃性等級(jí)條件的樣品試驗(yàn)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(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

(a)錯(cuò)誤的巖棉不燃性試驗(yàn)

2 典型不燃性材料測(cè)試試驗(yàn)研究

由于存在問(wèn)題的建筑材料不燃性試驗(yàn)設(shè)備在試樣試驗(yàn)階段采用自動(dòng)恒溫控制，這會(huì)導(dǎo)致不燃性試驗(yàn)的溫升和試樣質(zhì)量損失都偏小，檢測(cè)人員在不了解建筑材料不燃性試驗(yàn)特性的情況下有可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做出誤判。為了理解不燃性試驗(yàn)的過(guò)程和爐溫變化原理，幫助檢測(cè)人員對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行初步判斷，同時(shí)為進(jìn)一步說(shuō)明不同材料不燃性試驗(yàn)中爐溫變化特點(diǎn)并分析爐溫差異的原因，對(duì)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(yàn)。硅酸鈣板是室內(nèi)最常見(jiàn)的裝飾材料，巖棉是最常見(jiàn)的室外保溫材料，玻璃棉是最常見(jiàn)的通風(fēng)設(shè)備防火材料。這3種材料是建筑中最常見(jiàn)的不燃性材料，也是檢測(cè)行業(yè)中檢測(cè)最多的3種。利用符合試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的建筑材料不燃性試驗(yàn)爐，滿足前文所述的設(shè)備參數(shù)和試驗(yàn)流程，對(duì)3種不燃性材料進(jìn)行試驗(yàn)，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(cè)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(yàn)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(yàn)55min時(shí)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(yàn)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(yàn)35min時(shí)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(yàn)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(yàn)45min時(shí)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(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表2。試樣放入試驗(yàn)爐后會(huì)收集熱量導(dǎo)致?tīng)t溫降低，待試樣溫度升高后，爐溫便停止下降開(kāi)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(guò)程更為漫長(zhǎng)，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(diǎn)，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(yàn)爐溫的最終平衡溫度通常小于750℃；巖棉不燃性試驗(yàn)爐溫的最終平衡溫度通常接近于750℃；玻璃棉不燃性試驗(yàn)爐溫的最終平衡溫度通常高于750℃。通過(guò)對(duì)比可以對(duì)建筑材料不燃性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行大致判斷，鑒別出明顯不符合試驗(yàn)方法的試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 3種典型不燃材料的不燃性試驗(yàn)爐溫曲線

表2 典型建筑材料不燃性試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

目前市場(chǎng)上存在部分不符合試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)設(shè)備和錯(cuò)誤理解導(dǎo)致建筑材料不燃性檢測(cè)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，針對(duì)這些問(wèn)題對(duì)建筑材料不燃性試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)流程進(jìn)行解讀和說(shuō)明，對(duì)錯(cuò)誤的不燃性試驗(yàn)爐爐溫曲線進(jìn)行分析，并對(duì)3種典型的建筑材料開(kāi)展不燃性試驗(yàn)，主要得出以下結(jié)論：

(1)市場(chǎng)上存在問(wèn)題的不燃性試驗(yàn)爐，主要是違反標(biāo)準(zhǔn)中2點(diǎn)規(guī)定：不燃性試驗(yàn)爐在試驗(yàn)階段應(yīng)保持功率恒定，且不應(yīng)采用自動(dòng)恒溫控制；至少對(duì)試樣進(jìn)行30min試驗(yàn)，最長(zhǎng)60min。

(2)存在問(wèn)題的不燃性試驗(yàn)爐在試驗(yàn)階段采用自動(dòng)恒溫控制會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)間縮短，因此爐內(nèi)溫升和試樣質(zhì)量損失率也會(huì)比實(shí)際值偏??；而不按照試驗(yàn)方法規(guī)定使試驗(yàn)時(shí)間少于30min，也會(huì)導(dǎo)致試樣質(zhì)量損失率比實(shí)際值偏小，如此測(cè)試的結(jié)果無(wú)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(guò)3種典型建筑材料不燃性試驗(yàn)爐溫曲線可以對(duì)不燃性試驗(yàn)結(jié)果做出初步判斷，并且有助于鑒別不燃性試驗(yàn)爐是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)對(duì)于不同材料典型不燃性試驗(yàn)爐溫曲線的分析有助于理解不燃性試驗(yàn)的過(guò)程和爐溫變化原理，提高不燃性試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。