影响建筑材料燃烧热值测试结果的主要因素及解决措施

刘占清 袁志欣 周俊钧 潘 超 隋承鑫 孟晓慧 臧 凡 鲍亚楠 穆秀君

(中国建材检验认证集团股份有限公司，北京100024)

1 前言

建筑材料的燃烧热值是表征其潜在火灾危险性的重要参数，是计算其燃烧释放热量和火灾荷载必不可少的基础数据。燃烧热值是材料的自然属性，与材料的外形尺寸和使用状态等无关，可用于评价建筑材料潜在的火灾荷载，是评价燃烧性能分级的试验方法之一[2]。在工业和实际应用上，燃烧热值一般是通过实验确定，目前普遍采用的测试方法为氧弹量热法[1]。但是，在实验过程中常会遇到测试数据平行差，极差较大，要重复多次才能符合有效性的要求；数据的重复性和可靠性较差；仪器的有效利用率低等问题。

针对以上所述的问题，本文对影响建材燃烧热值测试结果的因素进行了分析，并提出了一些简单、有效的解决措施，尽可能减少测试的工作量，提高仪器的有效利用率和测试结果的可靠性，并希望在以后的规程或标准修订中能够考虑这些因素。

2 试验方法和设备

本文以国标GB/T14402-2007 为依据，用等温式全自动热量仪测试样品的燃烧热值；感量为0.1mg 的分析天平；纯度摩尔比大于99.97%，扩展不确定度为0.1%，发热量26454J/g 的二等标准物质苯甲酸；纯度大于99.5%去除其它可燃成份的氧气；点火丝为发热量为50J/g 的铁丝。

3 结果与讨论

3.1 样品的制备方式对测试结果的影响

样品的代表性和均匀性对其燃烧热值的测试结果影响较大，特别是对于一些不能通过研磨来制取粉末的样品影响更大。这主要是由于大部分建筑材料在生产和制作过程中比较粗糙，产品本身材质不均匀所造成的。特别是当建材制品是由几种成份组成时，现象尤为突出。

国标中规定，燃烧热值实验所用样品约为0.5g，如何制取具有代表性的样品对燃烧热值实验非常重要。本文设计了两种取样方法来验证制备方法对燃烧热值测试结果的影响。一种是表面取样法，即用刀具在样品表面钻取10g 左右粉末；另一种是垂直取样法[4]，即用切割工具在样品的不同位置沿与样品表面垂直的方向切割，收集切割下的粉末约10g 左右，将其充分混匀。对样品A 分别采用两种取样方法，并对样品A 的燃烧热值进行分析，所得结果如表1 所示。

对比表1 的数据可知，样品的制备方式对建筑材料燃烧热值的测试结果是有影响的。用垂直法取样,样品A 燃烧热值的测试结果比较稳定，极差比较小。因此，与表面取样法相比，用垂直取样法制得的粉末状样品在组成上与原材料基本一致，更具有代表性和均匀性。

表1 不同取样方法样品A 的燃烧热值

表2 清洗方式对样品B 燃烧热值的影响

3.2 清洗方式对建材燃烧热值的影响

标准GB/T14402-2007《建筑材料及制品的燃烧性能》中有关氧弹的清洗方式并没有做明确的规定，但本文在实验过程中发现，用冷水（尤其是在冬季）清洗氧弹会造成样品燃烧热值测试结果的偏离。清洗方式对样品B 燃烧热值的影响见表2 所示：

从表2 中可以看出，清洗方式对于氧弹量热仪的外筒温度、实验时间和热值产生了影响。用冷水直接清洗氧弹，会造成氧弹的温度与仪器恒温筒的水温相差太大，使实验的准备期变长，延长实验时间，降低设备的利用率，从而影响建筑材料燃烧热值的测试结果。因此，建议清洗氧弹的水要在室温条件下放置24h 以上。

3.3 保证仪器热容量的准确性至关重要

要想准确地测得样品的燃烧值，首先必须准确无误地标定出热量仪的热容量，即量热系统温度每升高1℃所需要吸收的热量。仪器热容量的标定依据JJG672-2001《氧弹热量计》检定规程中的步骤和方法。

3.3.1 选择标定热容量用的标准物质-苯甲酸。

苯甲酸对于热量仪的热容量标定至关重要。应使用经计量机构检定并标明热值的“苯甲酸标准物质”来进行标定。用苯甲酸在进行热容量标定时，必须要经过干燥处理。否则会对仪器的热容量的标定造成影响。在热容量的标定过程中，每次称取的苯甲酸重量最好均匀些，保持 在0.99-1.00g 为 宜，可以减少标定工作的工作量。

3.3.2 测试环境的相对稳定。

JJG672-2001《氧弹热量计》检定规程中对于测试环境条件进行了明确的规定，环境温度要恒定，无外加辐射热源，但是在日常的实验过程中发现，实验室内的人员流动频率、实验台的震动等因素也会对仪器的热容量标定产生影响。为了验证这些因素对热容量标定所产生的影响，我们设计了两个对比实验，二者除了制样室内人员流动频率、实验台的震动等因素不同外，其它条件完全相同。环境因素对热容量标定的影响如表3 所示。

对比两个实验可以看出，人员流动频率以及试验台的震动等因素会对仪器热容量的标定产生影响。在测试环境1#下，标定仪器的热容量的值较稳定，极差比较小。因此，本文建议在标定仪器的热容量时，一定要注意环境因素的影响。在标定仪器的热容量以及测试建筑材料的燃烧热值时，应尽量在一个单独的房间，应尽量避免因实验室内的人员流动、实验台的震动等对标定仪器的热容量以及测试建筑材料的燃烧热值所造成的影响。

3.3.3 氧弹内加水量的影响。

氧弹热量计规程中规定，实验前需要在氧弹内加入10mL 的蒸馏水，其目的是吸收实验过程中样品燃烧生成酸所产生的热量，防止氧弹被腐蚀[3]。通过实验可知，氧弹内加入的水量也会对仪器热容量的标定产生影响。氧弹中加水量的多少，会直接影响仪器热容量标定结果的重复性，测出的热容量值将会忽高忽低。氧弹内加水量变化1mL 时，仪器的热容量会有约4.2J/K 的变化；而在热容量的标定过程中，1g 左右的苯甲酸燃烧前后造成内筒水的温差约为2.8K，那么1mL 蒸馏水所造成的热容量偏差约为11J。水的称量误差对热容量的标定所造成的影响，对于标准中5次测试的结果要求其极差小于40J/K 是不可忽略的[3]。因此，在热容量的标定时，建议使用移液管量取水量。

表3 环境因素对热容量标定的影响

3.3.4 热容量的时效性

在标定的热容量实验过程中，常会遇到这样的情况，上午标定的热容量与下午标定的热容量相差很大，热容量具有一定的时效性。因此，最好选择一天中经常进行实验的时间段来进行标定，使得标定的热容量与测定燃烧热值时的运行条件保持一致。可以减少标定的工作量，提高仪器的利用率和测试结果的可靠性。

3.3.5 热容量的有效期限

热容量标定的准确性将直接影响到燃烧值的稳定性。国标GB/T213-2003《煤的发热量测定方法》中规定：热容量标定值的有效期为三个月，超过此期限要进行复核；但在国标GB/T14402-2007《建筑材料及制品的燃烧性能》和JJG 672-2001《氧弹热量计》检定规程中，并没有对热容量标定值的有效期进行规定。本文对实验过程中氧弹量热仪的热容量标定值进行了统计，其结果如图1 所示。

图1 热容量随时间的变化

从图1 中可以看出，热容量并不是恒定值，极差为532J/K。图中红线圈起来的区域，仪器热容量的有效期为三个月，其它区域仪器热容量的有效期为一个月。对比二者可以看出，对仪器每个月校正一次热容量时，所得的数据稳定性较好。这可能是因为仪器的热容量与仪器、环境温度等有直接或间接关系。室温连续上升或连续下降，四季交替，以及冷、热空气的短时影响，均能使室温大幅变化，从而超出正常室温，易引起结果偏差。

因此，本文建议在实验过程中，把热容量标定值的有效期定为一个月。提高热容量的标定频率，可以降低环境因素对氧弹量热仪的影响，从而确保建筑材料燃烧热值测试结果的稳定性。除此之外，要及时用苯甲酸对热值的误差进行检定，如发现误差较大，也要重新对氧弹热量仪的热容量进行标定。

本文阐述的重点在于分析实验过程中影响测试结果的主要因素及措施，对于一些次要因素(如样品正确称取、实际充氧压力与规定不符、仪器设计缺陷、人为因素等)对结果的影响没有做出说明，但其也会影响测试结果的准确度。

4 结论

通过对以上影响建筑材料燃烧热值的因素进行分析，得出如下结论：

（1）与表面取样法相比，用垂直取样法制得的样品粉末在组成上与原材料基本一致，更具有代表性和均匀性。

（2）实验表明氧弹热量仪的热容量不是恒定值，它会随着环境的变化而变化。建议把热容量标定值的有效期定位一个月。通过提高热容量的标定频率，来保建筑材料燃烧热值测试结果的正确性和稳定性。

（3）清洗氧弹的水要在室温放24h 以上，以免氧弹的温度与仪器恒温筒的水温相差太大，从而影响建筑材料燃烧热值的测试结果。

（4）标准物质苯甲酸、氧弹中的加水量以及测试环境等因素都会对热容量的标定产生影响，进而影响建材的燃烧热值测定结果的稳定性。

[1] GB/T14402-2007 《建筑材料及制品的燃烧性能燃烧值的测定》

[2] 李玲利，刘海波，宋建伟，张玉辉，穆秀君，常用建筑材料的燃烧热值浅析[J]，中国建材科技，2009，(6):14-17

[3] JJG 672 -2001 《氧弹热量计检定规程》

[4]何郁文，用氧弹式热量计测定材料燃烧热值[J]，消防科技，1992，(4):4-7