保護(hù)層厚度對(duì)有機(jī)保溫材料防火性能的試驗(yàn)研究

摘" 要：有機(jī)保溫材料組成的保溫系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域被廣泛使用，但有機(jī)保溫材料的防火能力相對(duì)較弱，其主要依靠外側(cè)的抹面砂漿充當(dāng)保護(hù)層以提高防火能力。目前，國內(nèi)建筑有機(jī)保溫層外設(shè)置的抹面砂漿厚度一般為3～4 mm，為研究增加抹面砂漿厚度對(duì)防火能力影響，通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，對(duì)不同保護(hù)層厚度的擠塑聚苯板進(jìn)行了SBI單體燃燒試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：保護(hù)層厚度為5 mm和8 mm時(shí)，對(duì)保溫材料具有良好的防護(hù)效果，能使其燃燒分級(jí)達(dá)到B1（C）級(jí)（難燃材料/制品），可為建筑防火設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：保護(hù)層；保溫材料；擠塑聚苯板；燃燒性能；防火

中圖分類號(hào)：TU551.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)" 1000-5269（2025）01-0079-06

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2025.01.11

收稿日期：2024-04-19

基金項(xiàng)目：云南省科技廳科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（202301AU070020）; 昆明理工大學(xué)自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（KKZ3202306031）

作者簡介：李" 彬（1995—），男，在讀博士，研究方向：防災(zāi)減災(zāi)與防護(hù)工程，E-mail：libin528@stu.kust.edu.cn.

*通訊作者：雙" 超，E-mail：kustsc@kust.edu.cn.

建筑外墻保溫系統(tǒng)是建筑的重要組成，是落實(shí)國家發(fā)展綠色建筑的重要措施。我國外墻保溫材料以及相應(yīng)的構(gòu)造措施均走在了世界前列，隨著建筑技術(shù)的發(fā)展和對(duì)建筑節(jié)能要求的不斷提高，對(duì)外墻保溫系統(tǒng)節(jié)能和安全標(biāo)準(zhǔn)［1］的要求也不斷提高。無論是建筑的施工過程中，還是交付使用之后，有機(jī)保溫材料的使用都會(huì)增大建筑的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。為此，研究人員做了大量工作，如朱春玲［2］、姜艷［3］、卓萍等［4］介紹了國外外墻保溫系統(tǒng)防火的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；劉建志等［5］使用3 mm薄抹灰的不同保溫材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但是對(duì)不同厚度保護(hù)層對(duì)保溫材料保護(hù)效果的研究較少。

行業(yè)規(guī)范JGJ 144—2004《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》［6］和JGJ 144—2019《外墻外保溫工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［7］中要求保溫層外抹面砂漿的厚度為3 mm和5 mm，但JGJ 144—2019中要求5 mm厚的抹面砂漿并非強(qiáng)制性條文。根據(jù)此規(guī)定，國內(nèi)建筑有機(jī)保溫層外設(shè)置的抹面砂漿厚度一般為3～4 mm，個(gè)別地方設(shè)置為5 mm。薄抹灰屬于保溫材料防火的構(gòu)造措施［8］，大量防火性能較差的薄抹灰有機(jī)保溫系統(tǒng)的建筑被使用，造成了一定的安全隱患。

擠塑聚苯板［9］一般是由聚乙烯或聚乙烯共聚物經(jīng)加熱擠壓而成，成品具有良好的保溫隔熱性能。擠塑聚苯板表面連續(xù)，又擁有封閉式蜂窩結(jié)構(gòu)，使其具有保溫性好、抗?jié)B性好、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。擠塑聚苯板具有成本低、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，即使在被水淋濕或浸泡工況下，其保溫能力和強(qiáng)度也不受影響，因而被廣泛使用［10］。本研究在擠塑聚苯板表面設(shè)置0～8 mm厚的抹面砂漿，探究抹灰厚度對(duì)有機(jī)外墻保溫系統(tǒng)防火性能的影響。

1" 試驗(yàn)對(duì)象

我國和美國，歐盟等國家和地區(qū)，都制定了建筑材料燃燒試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［11-14］。本試驗(yàn)針對(duì)國內(nèi)市場(chǎng)使用較多的保溫材料——擠塑聚苯板進(jìn)行研究。擠塑聚苯板的物理參數(shù)參考GB 50411—2019《建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》［15］，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和燃燒性能等級(jí)劃分依據(jù)GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》［16］。試驗(yàn)樣品主要物理指標(biāo)見表1。

試驗(yàn)前，對(duì)從施工現(xiàn)場(chǎng)取得的樣品進(jìn)行處理。首先，將厚度為100 mm的擠塑聚苯板切割成1 400 mm×600 mm的尺寸。然后，分別在擠塑聚苯板的一側(cè)進(jìn)行砂漿抹面，抹面的厚度分別為3、5、8 mm，同步設(shè)置耐堿纖維網(wǎng)格布，成型后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。試樣一側(cè)抹面砂漿厚度的測(cè)量照片，如圖1所示。

（a）3 mm""" （b）5 mm""""" （c）8 mm

試驗(yàn)樣品取自施工現(xiàn)場(chǎng)同一生產(chǎn)廠家、同一批次的擠塑聚苯板。試驗(yàn)設(shè)置4組，抹面砂漿厚度分別為3、5、8 mm，以沒有砂漿保護(hù)層的樣品作為對(duì)照組，如表2所示。待測(cè)墻體應(yīng)由A級(jí)材料（不燃材料/制品）［16］的板材組成，例如不銹鋼板、硅酸鈣板等。本試驗(yàn)采用的是不銹鋼板。

2" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照國內(nèi)外試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，本研究按照GB/T 20284—2006［11］中規(guī)定的SBI單體燃燒試驗(yàn)進(jìn)行。單體燃燒試驗(yàn)可以模擬保溫材料豎直貼在墻上的燃燒狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)火源作用在墻角。通過儀器采集的數(shù)據(jù)和燃燒現(xiàn)象分析，結(jié)合GB 8624—2012［16］判定試樣的燃燒性能等級(jí)。試驗(yàn)是在一個(gè)面積為3 m×3 m、高2.4 m的燃燒室中進(jìn)行，燃燒室內(nèi)設(shè)置有2個(gè)燃燒器、集氣罩、導(dǎo)管、收集器、小推車、安裝試樣的框架等裝置。

試樣被拼裝成以90°相交的墻角狀態(tài)，試驗(yàn)裝置的主點(diǎn)火器放置在墻角底部，點(diǎn)火器的燃料是丙烷氣體（純度≥95%）。點(diǎn)火器點(diǎn)火后，試樣會(huì)暴露在丙烷燃燒產(chǎn)生的火焰上。在主燃燒器工作20 min后，試驗(yàn)人員對(duì)相關(guān)燃燒參數(shù)、滴落物的燃燒狀態(tài)和火焰橫向傳播距離等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。試驗(yàn)過程中，燃燒器燃燒甲烷氣體，也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱量和煙量。輔助燃燒器的作用是標(biāo)定主燃燒器燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量和煙量。標(biāo)定結(jié)束后，輔助燃燒器停止工作，主燃燒器即開始工作。試驗(yàn)現(xiàn)象通過現(xiàn)場(chǎng)錄制視頻和觀察記錄，相關(guān)燃燒參數(shù)由儀器自動(dòng)采集并記錄。排煙管道內(nèi)部有記錄溫度、光衰減、內(nèi)外壓力差，以及氧氣和二氧化碳的摩爾濃度等參數(shù)的傳感器。試驗(yàn)系統(tǒng)將對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算的內(nèi)容包括燃燒速率增長指數(shù)（fire frowth rate index，F(xiàn)IGRA0.4MJ）、累計(jì)放熱量（total heat release，THR）和累計(jì)產(chǎn)煙量（total smoke production，TSP）。

（a）—（d）試樣安裝后的狀態(tài)；（a′）—（d′）燃燒中或燃燒后的狀態(tài)；（a″）—（d″）、（b）—（d）墻體內(nèi)保溫材料的熔融滴落情況。

試驗(yàn)開始前，記錄排煙管道中熱電偶T1、T2和T3的溫度以及環(huán)境溫度且記錄時(shí)間至少應(yīng)達(dá)300 s以校準(zhǔn)。3個(gè)熱電偶T1、T2和T3溫度讀數(shù)的平均值為Tm。3個(gè)熱電偶的溫度讀數(shù)與平均值Tm的差值，在任意時(shí)刻、任意10個(gè)相鄰取樣點(diǎn)內(nèi)均不應(yīng)超過1%。試驗(yàn)過程中，環(huán)境溫度應(yīng)控制在10～30 ℃的范圍內(nèi)，且與排煙管道中的溫度差值控制在4 ℃以內(nèi)。排煙管道風(fēng)機(jī)運(yùn)行的體積流速V298（t）控制在0.60±0.05 m3/s范圍內(nèi)。燃燒器工作期間，甲烷氣體供應(yīng)的流量變化不超過5 mg/s。試驗(yàn)時(shí)間記為t，單位s，使用精密計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)并自動(dòng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

將制備好的試樣安裝到燃燒室內(nèi)的框架上，打開試驗(yàn)控制系統(tǒng)的“狀態(tài)檢測(cè)”選項(xiàng)，設(shè)置排煙管道的體積流速為V298（t）=0.60 m3/s，檢查并調(diào)節(jié)各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)達(dá)到試驗(yàn)要求的狀態(tài)。儀器校準(zhǔn)結(jié)束后，關(guān)閉試驗(yàn)控制系統(tǒng)的“狀態(tài)檢測(cè)”選項(xiàng)，填寫試驗(yàn)名稱，準(zhǔn)備開始試驗(yàn)。

試驗(yàn)開始0～150 s，調(diào)整丙烷氣體的質(zhì)量流速，將質(zhì)量流速控制為647±50 mg/s，并在120 s時(shí)，點(diǎn)燃輔助點(diǎn)火器開始試驗(yàn)。在297 s時(shí)，輔助點(diǎn)火器停止工作，同時(shí)主點(diǎn)火器開始工作。在297～1 260 s時(shí)，試樣在主點(diǎn)火器持續(xù)引燃試樣。在主燃燒器工作600 s （試樣受火600 s）時(shí)自動(dòng)記錄累計(jì)放熱量（THR600s）和累計(jì)產(chǎn)煙量（TSP600s）。在第1 560 s試驗(yàn)結(jié)束，儀器對(duì)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)停止采集，并綜合評(píng)估試樣的防火性能。待火焰熄滅后，試驗(yàn)人員拍照記錄最終的試驗(yàn)現(xiàn)象，試驗(yàn)前后的照片如圖2所示。

試驗(yàn)A是沒有砂漿保護(hù)層（圖2（a））的裸板燃燒對(duì)照試驗(yàn)，試樣受火后即被引燃（圖2（a′）），保溫材料迅速熔融收縮。試驗(yàn)進(jìn)行至約1 020 s時(shí)，擠塑聚苯板的熔融物滴落被引燃，并很快將側(cè)板底部熔融，導(dǎo)致側(cè)板垮塌（圖2（a″）），試驗(yàn)A被迫提前結(jié)束。

試驗(yàn)B、C、D的保溫材料外保護(hù)層厚度分別為3、5、8 mm。圖2（b）—（d）為試驗(yàn)前照片，圖2（b′）—（d′）為燃燒后照片，從圖2（b″）—（d″）、（b）—（d）可以觀察到有機(jī)保溫材料的熔融滴落情況。

3" 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試樣進(jìn)行SBI單體燃燒試驗(yàn)，試樣燃燒速率增長指數(shù)、累計(jì)放熱量、累計(jì)產(chǎn)煙量隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

3.1" 試驗(yàn)A

試驗(yàn)A中，主燃燒器火源接觸到試樣后，試樣迅速收縮熔融并被引燃。由圖3（a）可以看出：試樣的燃燒速率增長指數(shù)在297～525 s之間迅速升高，525 s時(shí)達(dá)到峰值，（FIGRA0.4MJ）max=281.6 W/s。試樣下部熔融收縮，熔融的滴落物被引燃，燃燒速率增長指數(shù)出現(xiàn)小幅上漲。在試驗(yàn)進(jìn)行至1 020 s時(shí)，燃燒的滴落物將側(cè)板底部全部熔融，引起側(cè)板失穩(wěn)，不得不將主燃燒器關(guān)機(jī)，并使用滅火器滅火，試驗(yàn)A提前結(jié)束，燃燒速率增長指數(shù)停止增長。

由圖3（b）（c）可以看出：累計(jì)放熱量（THR）與累計(jì)產(chǎn)煙量（TSP）的增長趨勢(shì)一致，試樣在297～525 s之間增長較快，而后緩慢增長。在滴落物劇烈燃燒期間，放熱量和產(chǎn)煙量又快速增加，在1 200 s附近用滅火器滅火后，總放熱量和總產(chǎn)煙量趨于穩(wěn)定。試樣受火600 s燃燒的放熱量THR600s=40.11 MJ；產(chǎn)煙量TSP600s=45.25 m2。最終試驗(yàn)A的總放熱量THRmax=56.35 MJ；總產(chǎn)煙量TSPmax=62.30 m2。

在被主燃燒器點(diǎn)燃時(shí)，試樣底部迅速熔融，試樣表面開始出現(xiàn)閃燃，火焰高度迅速擴(kuò)大，熔融滴落物被引燃后，火勢(shì)迅速擴(kuò)大并伴有濃煙。為保證安全，試驗(yàn)A提前結(jié)束。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該試樣的燃燒參數(shù)不符合GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》［16］對(duì)B1（C）級(jí)材料的相關(guān)規(guī)定。

3.2" 試驗(yàn)B

試驗(yàn)B中，試樣保護(hù)層厚度為3 mm，保溫材料被引燃后，燃燒速率增長指數(shù)迅速增長，達(dá)到峰值后緩慢降低。由圖3（a）可以看出：燃燒時(shí)間297～912 s時(shí)，燃燒速率增長曲線增長幅度最大，在912 s達(dá)到最大值（FIGRA0.4MJ）max=221.5 W/s。試樣受火時(shí)，在高溫的作用下，即使有保護(hù)層的保護(hù)也會(huì)迅速熔融收縮，試樣下部離火源近的位置熔融結(jié)束后，燃燒速率增長指數(shù)才開始逐漸減小。

隨著試樣受火時(shí)間的增加，試驗(yàn)B的總放熱量在增長。由圖3（b）可以看出：放熱量的增長前期較快，后期緩慢。試樣受火600 s放熱量THR600s=20.46 MJ、產(chǎn)煙量TSP600s=21.07 m2。最終試驗(yàn)B的總放熱量THRmax=26.81 MJ、總產(chǎn)煙量TSPmax=31.59 m2。

在主燃燒器開始工作的前600 s內(nèi)，試驗(yàn)B放熱量、產(chǎn)煙量遠(yuǎn)低于試驗(yàn)A，說明保溫材料在厚度3 mm砂漿保護(hù)層的保護(hù)下，防火能力得到一定程度的提升，同時(shí)試樣熔融釋放的有毒有害氣體也大量減少。至試驗(yàn)結(jié)束，試樣及熔融滴落物都未被引燃，試樣表面也沒發(fā)生閃燃，但試樣的燃燒性能不符合GB 8624—2012規(guī)定的B1（C）級(jí)材料。

3.3" 試驗(yàn)C

試驗(yàn)C中試樣保護(hù)層厚度為5 mm。試驗(yàn)開始后，燃燒速率增長指數(shù)先增長，達(dá)到峰值后緩慢降低，在297～712 s之間燃燒速率增長曲線增長較快，在712 s達(dá)到最大值（FIGRA0.4MJ）max=88.4 W/s。

試樣的總放熱量和總產(chǎn)煙量有相同的增長趨勢(shì)，在297～712 s之間增長較快，712 s后放熱量和產(chǎn)煙量的增速變緩。試樣受火600 s的放熱量THR600s=11.16 MJ、產(chǎn)煙量TSP600s=12.72 m2，這個(gè)結(jié)果符合規(guī)范對(duì)B1（C）級(jí)保溫材料燃燒等級(jí)的要求。最終試驗(yàn)C的總放熱量THRmax=12.93 MJ、總產(chǎn)煙量TSPmax=16.93 m2。

主燃燒器引燃試樣時(shí)，在5 mm抹面砂漿保護(hù)層的保護(hù)下，試樣未發(fā)生燃燒和閃燃，至試驗(yàn)結(jié)束熔融滴落物也沒有燃燒。綜合5 mm砂漿保護(hù)層的試樣的燃燒參數(shù)，該試樣的參數(shù)符合GB 8624—2012對(duì)B1（C）級(jí)材料的相關(guān)規(guī)定。

3.4" 試驗(yàn)D

試驗(yàn)D中試樣保護(hù)層厚度為8 mm。試驗(yàn)開始后，燃燒速率增長指數(shù)先增長，達(dá)到峰值后緩慢降低，在297～489 s之間燃燒速率增長曲線增長較快，在489 s達(dá)到最大值（FIGRA0.4MJ）max=51.2 W/s。

試樣的總放熱量和總產(chǎn)煙量有相同的增長趨勢(shì)，在297～489 s之間增長較快，489 s后放熱量和產(chǎn)煙量的增速變緩。試樣受火600 s的放熱量THR600s=8.81 MJ、產(chǎn)煙量TSP600s=10.61 m2，這個(gè)結(jié)果符合規(guī)范對(duì)B1（C）級(jí)保溫材料燃燒等級(jí)的要求。最終試驗(yàn)D的總放熱量THRmax=12.56 MJ、總產(chǎn)煙量TSPmax=16.31 m2。與試驗(yàn)C相比，試驗(yàn)D的最終總放熱量和總產(chǎn)煙量相差不多，但試驗(yàn)D的THR600s和TSP600s都要小于試驗(yàn)C，說明具有8 mm砂漿保護(hù)層的試樣，其防火性能一定程度上較好。

在8 mm抹面砂漿保護(hù)層的保護(hù)下，試樣被主燃燒器點(diǎn)燃時(shí)，試樣本身和熔融滴落物都沒有發(fā)生燃燒和閃燃現(xiàn)象。綜合8 mm砂漿保護(hù)層的試樣的燃燒參數(shù)，該試樣符合GB 8624—2012對(duì)B1（C）級(jí)材料的相關(guān)規(guī)定。

根據(jù)圖2和圖3對(duì)比分析可知：在保護(hù)層厚度為0～8 mm的范圍內(nèi)，試樣的防火性能隨著保護(hù)層厚度的增加而提升。對(duì)試驗(yàn)A、B、C、D的燃燒參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。由圖4可見：沒有保護(hù)層保護(hù)的保溫材料（試驗(yàn)A），在受火燃燒時(shí)，無論是累計(jì)產(chǎn)煙量、累計(jì)放熱量，燃燒速率增長指數(shù)峰值都相對(duì)較大。保護(hù)層厚度為3 mm的試樣（試驗(yàn)B）雖然有薄保護(hù)層的保護(hù)，但受火燃燒時(shí)，防火性能雖然有提升，但試樣的燃燒參數(shù)不符合GB 8624—2012對(duì)B1（C）級(jí)材料的規(guī)定。試驗(yàn)C將保護(hù)層厚度增加到5 mm，試樣的防火性能又得到了進(jìn)一步的提升。試驗(yàn)D的保護(hù)層厚度是8 mm，與試驗(yàn)C相比，對(duì)燃燒時(shí)的熱釋放量、產(chǎn)煙量降低程度有限，但是試驗(yàn)D具有更低的燃燒速率增長指數(shù)峰值。較低的燃燒速率增長指數(shù)峰值意味著火災(zāi)發(fā)生的初期，火災(zāi)蔓延的速度可能較低，有利于建筑物內(nèi)人員的逃生。

此外，薄抹面砂漿作為一種脆性材料，當(dāng)厚度過大時(shí)，易發(fā)生脆性開裂，影響其防護(hù)效果，需加鋼絲網(wǎng)來提升薄抹灰系統(tǒng)的整體性，增加了施工難度，提高了工程造價(jià)，因而不宜通過繼續(xù)增加砂漿保護(hù)層厚度（gt;8 mm）來提高擠塑聚苯板的防火性能。

4" 結(jié)論

本研究通過對(duì)比常用的保溫材料擠塑聚苯板的裸板，設(shè)置3、5、8 mm抹面砂漿保護(hù)層的擠塑聚苯板的SBI單體燃燒試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）3 mm厚砂漿保護(hù)層對(duì)保溫材料的防火性能有提升，但提升程度不夠。

2）5 mm和8 mm厚砂漿保護(hù)層對(duì)保溫材料的防護(hù)較為理想，能減少火災(zāi)的致災(zāi)效應(yīng)。

3）對(duì)于消防要求較高的公共建筑，可優(yōu)先使用具有8 mm厚砂漿保護(hù)層的保溫材料。

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（責(zé)任編輯：周曉南）

An Experimental Study on the Effect of Protective Layer Thickness

on Fire Resistance of Organic Thermal Insulation Materials

LI Bin1， SHUANG Chao*1， LIU Bo2

（1.Faculty of Civil Engineering and Mechanics， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China;

2.Henan Capital Construction Science Experiment Institute Co.， Ltd， Zhengzhou 450016， China）

Abstract：

Thermal insulation system composed of organic thermal insulation materials is widely used in the construction field， but the fire resistance of organic thermal insulation materials is relatively weak， therefore， the outside plastering mortar plays an important role in improving the resistance of organic thermal insulation materials. At present， the thickness of plastering mortar set outside the organic insulation layer of buildings in China is generally 3-4 mm， but there is little research on the influence of increasing the thickness of plastering mortar on fire prevention ability. In this paper， the burning test of SBI monomer was carried out on extruded polystyrene board with different protective layer thickness by using standard test method. The test results show that when the thickness of the protective layer is 5 mm and 8 mm， it has a good protective effect on thermal insulation materials， and its combustion classification can reach B1（C） level （flame retardant materials/products）. All this could provide reference for building fire protection design.

Key words：

protective layer; thermal insulation materials; extruded polystyrene board; combustion performance; fire prevention