常用聚氨酯硬泡外墙外保温系统的点燃特性研究

亓延军，程旭东，许 磊，张和平＊

（1.山东消防总队，济南，250101；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

常用聚氨酯硬泡外墙外保温系统的点燃特性研究

亓延军1，2，程旭东2，许 磊2，张和平2＊

（1.山东消防总队，济南，250101；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

基于锥形量热仪实验，对常用的聚氨酯硬泡外墙外保温系统的点燃特性进行了实验研究。所研究的系统种类包括粘贴保温板薄抹灰外墙外保温系统，瓷砖饰面粘贴保温板外墙外保温系统，胶粉浆料复合保温板外墙外保温系统和保温装饰板外墙外保温系统。实验结果显示，聚氨酯硬泡保温板和聚氨酯硬泡外墙外保温系统都可由热厚型点燃描述。在防护层对点燃时间的抑制效果方面，胶粉聚苯颗粒复合保温板系统最好，瓷砖饰面系统稍差但明显好于5mm和3mm厚防护层的薄抹灰系统，铝板保温装饰板系统最差。

聚氨酯硬泡外墙外保温系统；锥形量热仪；防护层；点燃特性

0 引言

节能减排政策的实施，促进了外墙外保温技术迅速地应用与普及，一方面建筑节能效果显著提高，而另一方面与之配套的消防安全法规却相对滞后，大量可燃、易燃的外墙保温材料被应用于大型公用建筑和高层建筑，导致火灾事故时有发生，不仅严重威胁了人民生命和财产安全，也不乏规模较大的火灾造成负面的社会影响。为此，公安部消防局65号文严格限制可燃材料在新建建筑中的应用，然而其对已安装的有机外墙外保温系统却没有相应要求。外墙保温系统是包含了粘结层、保温材料层、抹面层和饰面层等的一套体系。因为有不可燃防护层的保护，可燃的保温材料并不会直接曝露于火灾环境中，所以这种体系被认为具有较好的防火效果，然而这种说法却缺少实验的验证。在高强度热流冲击下，体系内的可燃保温材料很可能被点燃，由此带来的潜在火灾隐患不容忽视。

本文基于国际上常用的锥形量热计测试［1，2］，以目前国内市场比较常用的聚氨酯硬泡（RPUF）外墙外保温系统为对象，对其点燃特性进行研究。通过对国内外文献的调研，还未见有机外墙外保温系统火灾相关的研究成果发表。

1 实验描述

1.1 保温系统构成

根据构造特点，可将外墙外保温系统的构成分成三部分：第一部分为基层墙体，包括水泥砂浆和混凝土外墙。由于锥形量热仪对样品厚度的限制，本文不考虑基层墙体的构造。第二部分是保温层，本文仅考虑RPUF保温层情况。RPUF保温材料密度45.6kg／m3，为阻燃型，阻燃剂为磷酸三（1-氯－乙丙基）酯（TCPP）。第三部分是防护层，也即由抹面层和饰面层共同组成的对保温板起保护作用的面层。综合考虑系统的构造特点，本文主要研究以下几类外墙外保温系统：

（1）粘贴保温板薄抹灰外墙外保温系统

系统组成及做法可参考文献［3］。用于锥形量热仪测试的薄抹灰系统构成包括保温板，抹面层（内铺满玻纤网）和饰面层。薄抹灰系统抹面层的厚度一般有两种规格，普通型厚3mm-5mm，加强型厚5mm-7mm。为了比较薄抹灰系统防护层的厚度对防火性能的影响，本文选取了3mm和5mm两种厚度。系统饰面层选用外墙用乳胶漆。薄抹灰系统样品实物见图1。

图1 粘贴保温板薄抹灰外墙外保温系统样品示意图Fig.1 Sample of thin-plastering system

（2）瓷砖饰面粘贴保温板外墙外保温系统

系统组成及做法可参考文献［3］。瓷砖饰面粘贴保温板外墙外保温系统与粘贴保温板薄抹灰外墙外保温系统类似，区别在于抹面层用瓷砖粘结砂浆代替了抹面砂浆，然后在其上铺设外墙瓷砖作为饰面层。实验样品粘结砂浆厚3mm。外墙瓷砖厚6mm。面砖之间用专用勾缝剂勾缝，缝宽8mm。实物图2所示。

图2 瓷砖饰面粘贴保温板外墙外保温系统示意图Fig.2 Sample of ceramic face system

（3）胶粉浆料复合保温板外墙外保温系统

系统组成及做法可参考文献［4-6］。系统保温层材料为胶粉聚苯颗粒保温浆料外加泡沫保温板。用于锥形量热仪测试的胶粉聚苯颗粒保温浆料样品厚度为15mm，其上再用3mm厚抹面胶浆抹面，抹面胶浆中铺满玻纤网格布，饰面层为外墙乳胶漆，系统实物见图3。

图3 胶粉浆料复合保温板外墙外保温系统示意图Fig.3 Sample of mineral binder composited system

（4）保温装饰板外墙外保温系统

保温装饰板系统的制作相对简单，规格要求可参考文献［7-9］。本文保温装饰板用0.16mm厚铝板＋氟碳漆饰面作为防护层，由专用胶粘剂粘贴于泡沫保温板之上，样品实物见图4。

图4 保温装饰板外墙外保温系统示意图Fig.4 Sample of decorative panel system

1.2 实验工况

热流施加强度是锥形量热仪测试的一个重要参数，对于 RPUF 保温板，本文选取25kW／m2、35kW／m2、50kW／m2和65kW／m2四个热流强度；对于RPUF外墙外保温系统，由于在有机保温板外面有防护层的保护，其点燃特性会受到很大影响，为此本文先用50kW／m2热流强度进行试探性实验，再根据实验结果适当增加或减小热流强度的选取范围，最终各外墙外保温系统的测试工况列于表1中。

表1 锥形量热仪实验所选保温体系种类Table 1 Types of exterior wall insulation systems used for cone calorimeter test

为了了解系统内部温度分布情况，本文用热电偶对测试过程中系统内部温度进行了测量。热电偶位置见图5，样品中轴线附近沿厚度方向放置5个热电偶。第1个热电偶测点置于样品表面（Ts）；第2个热电偶测点放在防护层与有机保温层材料的交界面（Tb）（注：对于有机泡沫板则没有这个热电偶测点）；第3至第5个热电偶测点在材料内部和底面，距离底面0cm、1cm和2cm的位置放置热电偶测点，标号分别为T5，T4和T3。选用K型铠装热电偶，外径1mm。热电偶延长部分被弯曲成特定形状，可牢固地卡在样品不锈钢外套和样品托盘之间。

图5 锥形量热仪测试热电偶位置Fig.5 Positions of thermocouples in the sample of cone calorimeter test

2 结果与分析

2.1 聚氨酯硬泡保温板点燃分析

通过模型将辐射强度与点燃时间相关联可对材料的点燃特性参数进行分析。由Quintiere和Harkleroad［10］发展的 ASTM E1321标准方法［11］比较常用，但其只适用于热厚型材料，Janssens［12］对模型进行了改进，使其应用范围扩大到非热厚型材料，模型计算主要包含以下步骤：

（1）通过下式建立不同热流强度下材料点燃时间关系：

（3）由式（2）求出 Tig以及hig。本文中假设ε＝1，表面向上平板的对流换热系数可取h＝0.010kW／m2·K［13］；

（4）通过下式建立各数据之间的联系：

图6 RPUF n值求解（Janssens模型）Fig.6 Calculation of nin the Janssens model for RPUF

图7 RPUF热流－点燃时间关系Fig.7 Correlation of heat flux and ignition time for RPUF

表2 聚氨酯硬泡点燃特性参数Table 2 Ignition properties of RPUF

2.2 聚氨酯硬泡外墙外保温系统点燃分析

用Janssens模型对聚氨酯硬泡外墙外保温系统的热流强度－点燃时间进行分析，得到的临界热流数据为负值，说明Janssens模型不适用于带有不可燃防护层的外保温体系。没有防护层的聚氨酯硬泡材料是典型的热厚型材料，但加上防护层后样品的点燃时间被延长，热量不断向内部传导，样品内部温度有逐渐均一的趋势，给材料点燃特性的判断带来一定难度。由此本文对点燃时各热电偶测点的温度进行了分析，并得到了如下温差数据：DT1＝Tb－T3；DT2＝T3－T4；DT3＝T4－T5；其中DT1，DT2和DT3代表不同位置温度测点的温度差，测点位置代号见图5。各外墙外保温系统在不同热流施加强度下点燃时聚氨酯硬泡内温差数据见图8。

图8 不同保温体系点燃时聚氨酯硬泡内部温差Fig.8 Temperature differences in the RPUF at the time of ignition

图9 不同热流施加强度下RPUF外墙外保温系统点燃时间Fig.9 Ignition time of RPUF exterior wall insulation systems under different heat fluxes

从图8中可以看出，各系统DT1的值都很大，说明在点燃时样品内部有较大的温度梯度，可认为是热厚型材料。由此，各外墙外保温系统的点燃时间可用热厚型材料的点燃关系式进行描述，所得热流强度－点燃时间关系在图9中给出。

从图9中可以看出，对于同一类型的外墙外保温系统，施加热流强度是决定点燃时间的关键参数，所施加热流强度与点燃时间的－0.5次方呈较好的线性关系。在施加热流强度相同的条件下，防护层的热防护性能成为影响材料点燃时间的重要参数。铝板保温装饰板系统点燃时间最短，这是因为一方面铝板的隔热性能最差，热量在较短的时间即可穿透防护层使聚氨酯硬泡保温材料热解，另一方面油性的氟碳漆首先被快速点燃，生成的火焰又在边缘引燃了保温层热解出的可燃气。对于薄抹灰系统，3mm防护层隔热效果要弱于5mm的防护层，这一点在点燃时间上也有所体现。瓷砖饰面和胶粉复合保温板系统防护层都较厚，相应的隔热性能也较好，点燃时间也会相应延长。特别对于胶粉复合保温板系统，在35kW／m2和50kW／m2两个热流施加强度下样品没有被点燃，除自身隔热性能较好外，胶粉聚苯颗粒层无机胶粉在受热过程中掉落到保温材料之上也可能会影响到样品的点燃。

2.3 防护层对点燃时间的抑制效果

图10给出了各外墙外保温系统点燃时间与没有防护层的RPUF保温板点燃时间的比值，比值的大小可表征防护层对点燃时间的抑制效果。从图10中可以看出，胶粉聚苯颗粒复合保温板系统对点燃时间的抑制效果最好，在35kW／m2和50kW／m2热流强度工况都没有被点燃。瓷砖饰面系统稍差但也明显好于5mm和3mm厚防护层的薄抹灰系统，铝板保温装饰板系统最差，对点燃时间的抑制效果并不明显。从图10中还可以看出，防护层对点燃时间的抑制效果随热流强度的增大而增大。

3 结论

由Janssens点燃模型分析可知，RPUF保温板为热厚型点燃，也即其点燃时间的－0.5次方与热流施加强度呈线性关系。对于有不可燃防护层的外墙外保温系统，Janssens模型已不再适用，通过对系统保温层温度的分析，可认为RPUF外墙外保温系统可由热厚型点燃描述。

图10 防护层对点燃时间的抑制效果Fig.10 The inhibitory effect of the protective layer on the ignition time

防护层对点燃时间的抑制效果以外保温系统的点燃时间与同热流强度下RPUF保温板的点燃时间之比来量化。总的来说胶粉复合保温板系统和瓷砖饰面系统对点燃时间的抑制效果比较接近，都要优于5mm厚和3mm厚防护层的薄抹灰系统以及铝板保温装饰板系统。

需要注意的是，以上结果仅限于本文实验条件，各种系统之间的比较也是相对的，由于有机外墙外保温系统的保温层是可燃材料，所以并不存在绝对的消防安全。

［1］ISO 5660-1-2002.Reaction-to-fire tests -Heat release，smoke production and mass loss rate Part 1：Heat release rate（cone calorimeter method）［S］.

［2］ISO 5660-3-2003.Reaction-to-fire tests -Heat release，smoke production and mass loss rate-Part 3：Guidance on measurement［S］.

［3］JG 149-2003.膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统［S］.

［4］DB11／T463-2007.外墙外保温施工技术规程（胶粉聚苯颗粒复合型外墙外保温系统）［S］.

［5］JG 158-2004.胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统［S］.

［6］CAS126-2005.胶粉聚苯颗粒复合型外墙外保温系统［S］.

［7］JGJ144-2008.外墙外保温工程技术规程［S］.

［8］DB11／T697-2009.外墙外保温施工技术规程（外墙保温装饰板做法）［S］.

［9］DBJ／T14-072-2010.保温装饰板外墙外保温系统应用技术规程［S］.

［10］Hopkins D，Quintiere JG.Material fire properties and predictions for thermoplastics［J］.Fire Safety Journal，1996，26（3）：241-268.

［11］ASTM E1321-2009.Standard Test Method for Determining Material Ignition and Flame Spread Properties［S］.

［12］Janssens ML.Improved method of analysis for the LIFT apparatus，Part I：ignition［A］.Proceedings of the 2nd Fire and Materials Conference，Arlington：In-terscience Communications［C］，1993.

［13］Brown JE，Braun E，Twilley WH.Cone calorimeter evaluation of the flammability of composite materials［R］.National Bureau of Standards，Center for Fire Research，1988.

［14］Hirunpraditkoon S，Dlugogorski BZ，Kennedy EM.Fire properties of surrogate refuse-derived fuels ［J］.Fire and Materials，2006，30（2）：107-130.

［15］Delichatsios MA.Piloted ignition times，critical heat fluxes and mass loss rates at reduced oxygen atmospheres ［J］.Fire Safety Journal，2005，40（3）：197-212.

Ignition characteristics of commonly used exterior thermal insulation systems with rigid polyurethane foam

QI Yan-jun1，2，CHENG Xu-dong2，XU Lei2，ZHANG He-ping2

（1.Fire Corps of Shandong Province，Jinan 250101，China；2.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China）

The ignition characteristics of rigid polyurethane foam based exterior thermal insulation systems was experimentally studied by the cone calorimeter.The four types of systems examined in this paper include the thin-plastering exterior insulation system （thin-plastering system），the exterior thermal insulation system with ceramic tile face（ceramic face system），the composited exterior wall thermal insulation system with mineral binder and expanded polystyrene granule aggregate（mineral binder composited system），and the decorative insulated exterior wall panel system （decorative panel system）.The experimental results show that the ignitions of both the rigid polyurethane foam board and the rigid polyurethane foam based exterior insulation systems can be described by the thermal-thick ignition model.The protective layer of the mineral binder composited system has the best delay effect on the ignition time.The time-delay effect of protective layer of the ceramic face system is slightly worse than the mineral binder composited system but is much better than the 5mm and the 3mm thin-plastering system.The decorative panel system has the worst time-delay effect on the ignition.

Rigid polyurethane foam based exterior wall insulation system；Cone calorimeter；Protective layer；Ignition characteristics

TU998.12；X932

A

1004-5309（2012）-0117-06

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.03.02

2012-06-19；修改日期：2012-06-27

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2012CB719701）

亓延军（1964-），男，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室工程硕士，现任山东消防总队副总队长。高级工程师，主要从事防火监督方面研究。

张和平，教授，Email：zhanghp＠ustc.edu.cn