建筑外保溫夾芯板燃燒實驗研究

鄒星明

(徐州市消防救援支隊，江蘇 徐州 221000)

0 引言

金屬夾芯板具有質量輕便、使用安裝高效、便于安裝、防火和耐火性能好、保溫和隔熱性能好、強度高、可塑性強、防環(huán)保噪聲、美觀等優(yōu)點，得到廣泛應用[1-2]。雖然金屬夾芯板的兩層成型金屬面板使得金屬夾芯板具有較好的防火性能，但是由于金屬夾芯板的芯材多是易燃的高分子材料，使得金屬夾芯板建筑具有一定的火災隱患，燃燒時容易出現(xiàn)板材熔融滴落現(xiàn)象，也給發(fā)生火災創(chuàng)造了條件，因此有必要對金屬夾芯板燃燒時的特性進行研究[3]。

1 金屬夾芯板的特性

金屬夾芯板的燃燒是一種固體燃燒。保溫材料有熱固性和熱塑性兩類。本實驗采用的PE夾芯板的芯材為聚乙烯，是厚度為4 mm的建筑幕墻用鋁塑板，金屬層為鋁合金，芯材為聚乙烯，是一種常用的保溫夾芯板，也是一種保溫性能較好的熱塑性保溫材料[4]。

1.1 固體可燃物及其著火特征

固體可燃物是火災中最普遍的燃料。固體在燃燒過程中，一般先是由于受熱而融化生成可燃液體，可燃液體受到熱量的作用而生成可燃氣體，或者是通過汽化、熱解生成可燃氣體，可燃氣體與空氣混合生成混合可燃氣體，遇到火源點燃而著火，燃燒產(chǎn)生的熱量進一步影響可燃物的熔融、汽化、熱解過程，從而使燃燒一直持續(xù)下去，直到熄滅。

1.2 熱塑性材料及其著火特征

熱塑性材料主要由熱塑性樹脂構成，一般熱塑性塑料中的高聚物分子量可以達到幾十萬到100萬。熱塑性材料加熱時變軟以至流動，冷卻變硬，這種過程是可逆的，可以反復進行。

熱塑性高聚物的燃燒過程大致包括受熱發(fā)生軟化熔融反應、在一定溫度下發(fā)生熱分解反應以及溫度達到著火點發(fā)生燃燒，其中這3個階段包含了多個十分復雜的化學和物理變化。具體特征為：火焰溫度高、放熱量高、產(chǎn)煙量大、燃燒產(chǎn)物危害性大。

2 實驗平臺及實驗步驟

2.1 實驗平臺

本實驗主要是利用自制的小尺寸燃燒實驗平臺進行試驗，該平臺主要由建筑幕墻用鋁塑板、燃燒器、2臺攝像機、熱電偶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)組成。實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置

實驗裝置整體由自主搭建的試驗臺形成，主要包括實驗架、燃燒器、瓶組等。燃燒所用燃料為異丙烷，功率為5 kW，圖2為實驗時所用的金屬夾芯板和測點分布。

圖2 金屬夾芯板及測點分布

2.2 實驗步驟

1)在實驗所用的板材上打好鉆孔，用以布置熱電偶，收集數(shù)據(jù)。在打鉆時要注意，不能使鉆孔貫穿整個夾芯板，因為如果熱電偶貫穿整個金屬夾芯板時，會使得在實驗過程中測的溫度數(shù)據(jù)并不是夾芯板板材的數(shù)據(jù)，而是該處外界熱環(huán)境的數(shù)據(jù)，從而造成測量誤差。

2)在實驗前將金屬夾芯板固定于試驗臺上，具體操作是用螺釘、螺母將金屬夾芯板固定于實驗臺上的石棉板材上，并且使金屬夾芯板距離電火裝置上側3 cm處，將熱電偶的探頭按照順序插入事先打好的鉆孔中，并連接上處理裝置和計算機。

3)點火進行實驗，火源用異丙烷作為燃料，燃燒器的熱釋放速率為5 000 W，打開異丙烷瓶組閥門，并將燃燒器通電，得到穩(wěn)定的金屬夾芯板著火實驗引火源，觀察，記錄整個過程各個測點的溫度變化過程，每隔10 s，測量一次數(shù)據(jù)。

4)分別以25 cm×25 cm、30 cm×25 cm、35 cm×25 cm、40 cm×25 cm尺寸的夾芯板為實驗對象，開展4組實驗。

3 金屬夾芯板燃燒溫度規(guī)律實驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)處理及描述

實驗中通過熱電偶系統(tǒng)可得到4組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后得到金屬夾芯板4個測點的變化規(guī)律如圖3～6所示。由圖可知，在同一時間不同位置的測點溫度有規(guī)律的變化，距離火源的距離越大，該測點的溫度越低。

圖3 25 cm×25 cm金屬夾芯板測點溫度變化曲線

4個測點的溫度在夾芯板燃燒的起初階段，溫度上升的趨勢較緩，燃燒發(fā)展后(27～35 ℃)夾芯板的溫度急劇增加，當溫度增加至220～280 ℃時，溫度增加的趨勢變緩，且各測點的溫度出現(xiàn)較明顯的差異，當燃燒發(fā)展至700～800 s時，各測點的溫度差值逐漸增大，第1測點明顯高于其他測點，且此時各測點溫度變化的趨勢變緩。

圖4 30 cm×25 cm金屬夾芯板測點溫度變化曲線

圖5 35 cm×25 cm金屬夾芯板測點溫度變化曲線

圖6 40 cm×25 cm金屬夾芯板測點溫度變化曲線

4個測點的溫度上升速度，均隨著金屬夾芯板尺寸的增大而減緩，但是隨著燃燒的發(fā)展，尺寸大的金屬夾芯板的溫度比尺寸小的金屬夾芯板的溫度要高。

在對35 cm×25 cm、40 cm×25 cm的金屬夾芯板進行實驗時，會出現(xiàn)第4測點比第3測點、甚至比第2測點溫度高的情況。

3.2 金屬夾芯板燃燒時的溫度分析

最初，金屬夾芯板上的4個測點溫度上升迅速，且各測點的溫度相差不大。這可能是由于在加熱初期，金屬夾芯板的鋁合金受熱在鋁合金上發(fā)生熱傳導，并且由于金屬的導熱系數(shù)較大，使得熱量上升迅速，各測點均受到火源散發(fā)的熱量，使得自金屬夾芯板由上向下溫度逐漸上升。但是由于夾芯板燃燒以前有一個熱量集聚的過程，因此此時各測點溫度變化不大。加熱到一定程度后，夾芯板各測點的溫度急劇上升，且各測點之間的溫度差值逐漸增大。此時金屬夾芯板的芯材溫度達到著火點，芯材開始燃燒，使得夾芯板的溫度進一步迅速增高。

燃燒繼續(xù)發(fā)展，各個測點的溫度上升速度減緩，測點之間的溫度差進一步增大。繼續(xù)發(fā)展，第1測點的溫度相比于其他測點明顯增大，各個測點之間的溫度差也進一步增大。這可能是由于鋁合金對燃燒額蔓延起著一定的限制作用，使得芯材的燃燒得不到足夠的氧氣，燃燒速度減緩，使得溫度上升趨勢減緩。此時由于第2測點、第3測點、第4測點不發(fā)生燃燒反應，因此這3個測點接收的熱量主要是來自熱輻射、熱傳導、熱對流。因此溫度比第1測點要低。

燃燒進行至1 500 s時，各測點的溫度基本保持在穩(wěn)定值。這是因為，此時夾芯板的鋁合金被破壞，可燃的芯材能夠與氧氣充分接觸，燃燒進入到充分燃燒階段，溫度達到最大值。

4個測點的溫度上升速度，均隨著金屬夾芯板尺寸的增大而減緩，但是隨著燃燒的發(fā)展，尺寸大的金屬夾芯板的溫度比尺寸小的金屬夾芯板的溫度要大。這是因為金屬夾芯板的尺寸越大，升溫時需要的熱量越多，因此起初點燃時，溫度上升速度隨著實驗所用的金屬夾芯板的尺寸的增大而降低。

在對35 cm×25 cm、40 cm×25 cm的金屬夾芯板進行實驗時，會出現(xiàn)第4測點比第3測點、甚至比第2測點溫度高的情況。這可能是由于，在對35 cm×25 cm、40 cm×25 cm的金屬夾芯板進行實驗時，在金屬夾芯板會出現(xiàn)明顯間斷的閃燃火焰，火焰使得金屬夾芯板第4測點的溫度變大。

4 結語

金屬夾芯板外層的鋁合金面層會對夾芯板的燃燒起到制約作用，限制夾芯板的燃燒蔓延速度。金屬夾芯板在燃燒時，其溫度由火源向四周逐漸降低，且整個金屬夾芯板的最高溫度始終在受火源加熱的底部。金屬夾芯板的溫度起初上升較慢，然后急劇增加，之后緩慢增加。