泡沫塑料芯材燃烧性能对薄抹灰外保温系统防火性能的影响

邓小兵，赵成刚，兰 彬，卢国建，刘军军

（公安部四川消防研究所，四川 成都 610036）

随着建筑节能战略的实施，外墙外保温系统在中国得到广泛应用.薄抹灰外保温系统（TPETIS）具有自重轻、导热系数低、保护墙体结构、施工简便等优点，成为中国最普遍应用的外墙外保温系统.近年来中国发生了多起与TPETIS 有关的高层建筑火灾事故，引起人们对TPETIS火灾安全性的高度关注.影响TPETIS 防火性能主要有起火源、系统结构和保温材料燃烧性能三大因素.国内外学者对起火源因素和系统结构因素这2方面已开展了大量的研究和应用工作，例如：Lee等［1－3］分析了窗口火的物理蔓延机制及试验数据，提出了新的关联窗口火火焰高度、温度及热通量的特征长度，并改进了窗口火的量纲为1的温度关联方程；Himoto等［4］考虑了窗口火羽流压力梯度效应，提出了窗口火火焰轨迹预测模型；Oleszkiewicz［5］指出建筑外立面横向伸出结构能降低90%的辐射热流量，而竖向伸出结构则会增加50%的辐射热流量，他同时指出火源热释放速率、起火间开口尺寸和结构外部形态对火灾蔓延具有同等重要的影响，建议对薄抹灰系统每1层或每2层采用防火隔离带进行隔断，但没有试验数据验证其有效性；宋长友、季广其等［6－11］开展了窗口火和角落火试验研究，指出改进系统构造形式（如增设隔断、无空腔构造和增加保护层厚度）能有效阻止TPETIS火灾蔓延.但目前对保温材料燃烧性能这一影响因素还缺乏系统研究.因此，开展保温材料，特别是可燃类泡沫塑料燃烧性能影响因素的研究具有重要现实意义.

在中国外保温工程应用中，典型外保温材料主要为聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯泡沫塑料.常见的聚苯乙烯泡沫塑料有挤塑聚苯乙烯（XPS）和模塑聚苯乙烯（EPS），聚氨酯泡沫塑料有聚异氰酸酯（PUR）和聚异氰脲酸酯（PIR）.本文根据TPETIS的实际应用特点，采用标准燃烧性能试验和实体火灾试验方法，探究了XPS，EPS，PUR，PIR 这4种泡沫塑料芯材燃烧性能对TPETIS防火性能的影响.

1 试验

1.1 试样

表1给出了用于标准燃烧性能试验和实体火灾试验的泡沫塑料试样信息.标准燃烧性能试验测试对象为泡沫塑料板材，而实体火灾试验测试对象为以表1 所列泡沫塑料为芯材的TPETIS.TPETIS结构见图1.除泡沫塑料芯材不同外，TPETIS的抹面层（厚5mm）、玻纤网（面密度260g／m2）、锚栓、黏结基层和外墙墙体材质及参数均保持一致，施工程序也相同.

表1 用于标准燃烧性能试验和实体火灾试验的泡沫塑料信息Table 1 Foam plastics used in standard combustion tests and real scale fire tests

1.2 试验方法

1.2.1 标准燃烧性能试验

（1）单体燃烧试验

图1 TPETIS结构Fig.1 TPETIS configuration

依据GB／T 20284—2006《建筑材料或制品的单体燃烧试验》进行泡沫塑料板材燃烧试验，测试泡沫塑料板材热释放速率峰值（HRRp）和燃烧增长速率指数（FIGRA），评价泡沫塑料板材在墙角火（30kW）火灾场景下的对火反应.

（2）氧指数试验

依据GB／T 2406.2—2009《塑料 用氧指数法测定燃烧行为 第2部分：室温试验》测量泡沫塑料板材氧指数OI.

1.2.2 实体火灾试验

（1）试验建筑

试验建筑为公安部四川消防研究所的高层火灾试验塔（钢混框架建筑），见图2（a）.选取该试验塔西面1个单元的第2，3，4层外墙立面及对应房间作为试验区域.该试验区域外部尺寸为3.6m×5.2m×9.3m，见图2（b）.由于建筑回转墙会改变空气卷吸方式，加速外墙火灾蔓延［12］，在外墙主立面左侧边缘增设1.4m×9.3m 的副墙.在试验区域底层设置燃烧室，并将试验区域第2和3层房间作为观察室.

燃烧室内部尺寸为2.0m×2.0m×1.0m，其开口宽高比为1.0.燃烧室开口宽高比对窗口火形态有重要影响，在自然对流情况下，当燃烧室开口宽高比大于0.8时，窗口火更趋向于沿外墙立面传播，形成贴壁效应［13］.燃烧室用燃料参照BS 8414－1：2002标准［14］，以杉木（规格50mm×50mm）搭建木垛，其外形尺寸为1.5m×1.0m×1.0 m，质量为420kg.

观察室设有2.3m×1.5m 窗户开口.窗户开口两侧安装3mm 厚单层玻璃构成的塑钢窗扇，中间留有0.7m×1.5m 的通风口.观察室内部尺寸为3.2m×4.8m×2.8m.

（2）热电偶测点布置

图2 高层火灾试验塔和实体火灾试验区域示意图Fig.2 High rise building for fire test and schematic diagram of test zone for real scale fire test

热电偶测点布置见图3（a）～（d），其中测量TPETIS表面温度的是横向间距为0.80m、竖向间距为0.60m 的5×12列阵热电偶（见图3（a）），测量观察室温度的是观察室内窗沿四周中心点放置的4只热电偶（见图3（c））以及在室内对角线上放置的5棵热电偶树（见图3（d）），每棵热电偶树由3只热电偶构成（图3（b））.另外，在燃烧室开口上沿下方设置有间距0.90m 的3只热电偶.

图3 热电偶测点布置Fig.3 Thermocouple locations（size：m）

（3）试验步骤

试验TPETIS由成都科文保温材料有限公司统一施工，施工程序及工艺按JGJ 144—2004《外墙外保温工程技术规程》和DB 50417—2007《建筑节能工程施工质量验收规范》进行.TPETIS施工完毕后养护28d，然后在温度为（20±15）℃、燃烧室地面以上3m 高度处空气流速小于2m／s的环境条件下进行实体火灾试验.将燃烧室温度达到200℃且持续60s以上的第1个时间点作为起始试验时间，试验进行30min.试验前5min开启数据记录软件采集环境参数，然后点燃木垛，观察TPETIS 在窗口火条件下的火灾蔓延行为，并自动保存记录温度测量数据.测试TPETIS火焰蔓延高度（Lf）、TPETIS损毁高度（Ld）、2层和3层观察室TPETIS内部温度（tin－f2和tin－f3）、2层和3层观察室内顶棚温度（tce－f2和tce－f3）.

Lf是根据TPETIS外表面的测量温度确定的，即将温度为538 ℃的窗口火火焰尖端位置作为TPETIS火焰蔓延高度［13］.

在实体火灾试验后，首先测量抹面层损毁高度，再剥离抹面层，测量泡沫塑料芯材损毁高度，取两者最大值的平均值作为TPETIS损毁高度（Ld）.

在距2层和3层观察室下窗沿下方100mm 处的TPETIS泡沫塑料芯材内部中心点位置分别等距预埋5只热电偶，取试验过程中的最大温度值作为2，3层观察室TPETIS内部温度tin－f2，tin－f3.

2层和3层观察室内顶棚温度tce－f2和tce－f3分别取实体火灾试验中2，3层观察室内5颗热电偶树顶部（距吊顶10cm）的5只热电偶的最大平均温度.

2 试验结果与讨论

2.1 试验结果

表2给出了6种泡沫塑料标准燃烧性能试验结果.根据表3给出的分级判据［15］，试样2＃和6＃的潜在燃烧性能等级为B级，试样5＃为C级，试样3＃和4＃为D 级，试样1＃为F级.表4给出了对应表1所列芯材的TPETIS实体火灾试验结果.

表2 泡沫塑料标准燃烧性能试验结果Table 2 Standard combustion test results for foam plastics

2.2 试验结果讨论

2.2.1 TPETIS火焰蔓延高度

TPETIS火焰蔓延高度（Lf）与泡沫塑料芯材HRRp和OI的关系如图4所示.由图4可见，Lf随HRRp增加而增大，随OI增加而降低.

按式（1）拟合火焰蔓延高度与HRRp和OI之间关系，结果表明火焰蔓延高度理论值（Lfs）与实测值Lf之间具有满意的拟合度（R2＝0.977 4）.根据表3的FIGRA 判据，结合GB／T 20284—2006中的FIGRA 计算公式，可推算出B级、C级和D级泡沫塑料的HRRp分别为144，300，900kW，再结合OI判据，可得到如图5所示的Lfs与泡沫塑料芯材燃烧性能等级的关系.由图5可见：B级、C 级芯材TPETIS的Lfs不超过2.6m，D 级芯材TPETIS的Lfs未超过3.0m，均没有超过燃烧室上方3层观察室楼板高度（4.3m），这表明B，C，D 级芯材TPETIS表面火焰蔓延风险有限.

表3 墙面保温泡沫塑料燃烧性能分级部分判据［15］Table 3 Classification criteria of combustion property for foam plastic wall insulation materials（partial）［15］

表4 TPETIS实体火灾试验结果Table 4 Real scale fire test results for TPETIS

图4 Lf与泡沫塑料芯材HRRp和OI的关系Fig.4 Fire propagation height（Lf）versus peak heat release rate and oxygen index of foam plastic core materials

2.2.2 TPETIS损毁高度

图5 Lfs与泡沫塑料芯材燃烧性能等级之间的关系Fig.5 Theoretical fire propagation height（Lfs）versus classification of combustion property of foam plastic core materials

实体火灾试验后TPETIS的损毁情况见图6.TPETIS损毁高度（Ld）与泡沫塑料芯材FIGRA 之间的关系如图7所示.由图7可见，Ld随FIGRA 增加而增大.采用式（2）拟合TPETIS 损毁高度与FIGRA 之间关系.按式（2）推算，B，C，D 级芯材TPETIS最大损毁高度理论值（Lds）分别为3.7，4.1，4.7m.这表明，B 级和C 级芯材TPETIS损毁高度有限，但D 级芯材TPETIS损毁高度超过3层观察室楼板高度（4.3m）.

2.2.3 TPETIS内部温度

tin－f2与泡沫塑料芯材FIGRA和OI之间的关系见图8；tin－f3与泡沫塑料芯材FIGRA 之间的关系见图9.由图8可见，tin－f2随FIGRA增加而增大，随OI增加而减小；由图9可见，tin－f3随FIGRA 增加而增大.

图6 实体火灾试验后TPETIS的损毁情况Fig.6 TPETIS damage statuses after real scale fire tests

图7 Ld与泡沫塑料芯材FIGRA 之间的关系Fig.7 Damage height（Ld）versus FIGRA of foam plastic core materials

图8 tin－f2与泡沫塑料芯材FIGRA 和OI之间的关系Fig.8 TPETIS internal temperature at second floor versus FIGRA and OI of foam plastic core materials

采用式（3）拟合2层观察室TPETIS内部温度与泡沫塑料芯材FIGRA 和OI之间的关系；采用式（4）拟合3层观察室TPETIS内部温度与泡沫塑料芯材FIGRA 之间的关系.按式（3）推算2层观察室TPETIS内部温度理论值tins－f2，然后绘制tins－f2与泡沫塑料芯材燃烧性能等级之间的关系曲线，结果见图10.由图10可知，B，C 级芯材TPETIS的tins－f2不超 过300 ℃，D 级芯材TPETIS 的tins－f2不超过549℃.同理，由式（4）推算3 层观察室TPETIS内部温度理论值tins－f3，然后绘制tins－f3与芯材燃烧性能等级之间的关系曲线（图略），结果表明，B，C级芯材TPETIS的tins－f3不超过62℃；D 级芯材TPETIS的tins－f3不超过170 ℃.假设TPETIS内部隐匿燃烧的温度条件与Lf相同，则D 级芯材TPETIS 存在一定的隐匿燃烧风险.

图9 tin－f3与泡沫塑料芯材FIGRA 之间的关系Fig.9 TPETIS internal temperature at third floor versus FIGRA of foam plastic core materials

图10 tins－f2与泡沫塑料芯材燃烧性能等级之间的关系Fig.10 TPETIS theoretical internal temperature at second floor versus classification of combustion property of foam plastic core materials

2.2.4 观察室内顶棚温度

2层观察室内顶棚温度（tce－f2）与泡沫塑料芯材HRRp和OI之间的关系见图11；3层观察室内顶棚温度（tce－f3）与泡沫塑料芯材OI之间的关系见图12.由图11可见，tce－f2随HRRp增加而增大，随OI增加而减小.由图12可见，tce－f3随OI增加而减小，当OI低于29.9%（图中趋势线交点）时，OI增加79%，tce－f3降 低31%，而 当OI 高 于29.9%时，OI 增 加21%，tce－f3降低69%.上述表明，tce－f3减小趋势有明显阶段特征，当OI低于29.9%时，OI对tce－f3贡献较小，而当OI高于29.9%时，OI对tce－f3贡献较大.

图11 tce－f2与泡沫塑料芯材HRRp和OI之间的关系Fig.11 Room ceiling temperature at second floor versus HRRp and OI of foam plastic core materials

图12 tce－f3与泡沫塑料芯材OI之间的关系Fig.12 Room ceiling temperature at third floor versus OI of foam plastic core materials

式（5），（6）分别给出了2，3层观察室内顶棚温度与泡沫塑料芯材燃烧性能参数之间的拟合关系.根据式（5）推算2层观察室内顶棚温度理论值tces－f2，然后绘制tces－f2与泡沫塑料芯材燃烧性能等级之间的关系曲线，结果见图13.由图13 可见，对B 级和C级芯材TPETIS而言，2层观察室内顶棚温度理论值不超过195℃；对D 级芯材TPETIS而言，2层观察室内顶棚温度理论值不超过283℃.对于室内烟气层的热辐射，可接受的烟气温度为200℃，耐受时间为20s［16］.从烟气层热辐射风险考虑，B，C 级芯材TPETIS的风险较小，但D 级芯材TPETIS的风险较大.同理，根据式（6）推算3层观察室内顶棚温度理论值tces－f3，然后绘制tces－f3与芯材燃烧性能等级之间的关系曲线（图略），结果表明，对B 级和C 级芯材TPETIS而言，3层观察室内顶棚温度理论值不超过95℃；对D 级芯材TPETIS而言，3层观察室内顶棚温度理论值在95～106℃之间，这表明，3层观察室内热辐射风险处于可接受范围.

图13 tces－f2与泡沫塑料芯材燃烧性能等级之间的关系Fig.13 Theoretical room ceiling temperature at second floor versus classification of combustion property of foam plastic core materials

3 结论

（1）在系统构造方式相同条件下，泡沫塑料芯材的燃烧增长速率指数、热释放速率峰值和氧指数是影响TPETIS防火性能的关键因素.热释放速率峰值和氧指数直接影响TPETIS 的火焰蔓延高度和室内顶棚温度，燃烧增长速率指数直接影响TPETIS的内部温度和损毁高度.

（2）B，C级芯材TPETIS火焰蔓延高度理论最大值＜2.6m，损毁高度理论最大值≤4.1m，2层观察室TPETIS内部温度和内顶棚温度理论最大值分别为300，195℃，系统表面火焰蔓延、内部隐匿燃烧和室内烟气层热辐射风险较低.D 级芯材TPETIS火焰蔓延高度理论最大值＜3.0m，损毁高度理论最大值为4.7m，2 层观察室TPETIS 内部温度和内顶棚温度理论最大值分别为549，283℃，系统具有一定的内部隐匿燃烧和烟气层热辐射风险.

［1］LEE Y，DELICHATSIOS M A，OHMIYA Y.The physics of the outflow from the opening of an enclosure fire and re－examination of Yokoi's correlation［J］.Fire Safety Journal，2012，49：82－88.

［2］LEE Y，DELICHATSIOS M A，SILCOCK G W H.Heat flux distribution and flame shapes on the inert facade［C］∥9th International Symposium on Fire Safety Science.Karlsruhe：Interscience Communications Ltd.，2008：21－26.

［3］LEE Y，DELICHATSIOS M A，SILCOCK G W H.Heat fluxes and flame heights in facades from fires in enclosures of varying geometry［C］∥Proceedings of the Combustion Institute.Heidelberg：Elsevier Ltd.，2007：2521－2528.

［4］HIMOTO K，TSUCHIHASHI T，TANAKA Y，et al.Modeling the trajectory of window flames with regard to flow attachment to the adjacent wall［J］.Fire Safety Journal，2009，44（2）：250－258.

［5］OLESZKIEWICZ I.Fire exposure to exterior walls and flame spread on combustible cladding［J］.Fire Technology，1990，26（4）：357－375.

［6］宋长友，季广其，陈丹林，等.外墙外保温系统的防火安全性分析［J］.建筑科学，2008，24（2）：8－11.SONG Changyou，JI Guangqi，CHEN Danlin，et al.Fire－proof safety analysis on outer－wall external thermal insulation system［J］.Building Science，2008，24（2）：8－11.（in Chinese）

［7］季广其，朱春玲，宋长友，等.外墙外保温系统防火试验研究—模型火BS 8414－1试验二［J］.建筑科学，2008，24（2）：74－77.JI Guangqi，ZHU Chunling，SONG Changyou，et al.Fire－proof test for outer－wall external thermal insulation system—Model fire BS 8414－1test no.2［J］.Building Science，2008，24（2）：74－77.（in Chinese）

［8］季广其，朱春玲，宋长友，等.外墙外保温系统防火试验研究—模型火BS 8414－1试验一［J］.建筑科学，2008，24（2）：70－73.JI Guangqi，ZHU Chunling，SONG Changyou，et al.Fire－proof test for outer－wall external thermal insulation system—Model fire BS 8414－1test no.1［J］.Building Science，2008，24（2）：70－73.（in Chinese）

［9］季广其，朱春玲，宋长友，等.外墙外保温系统防火试验研究—模型火UL 1040试验二［J］.建筑科学，2008，24（2）：56－63.JI Guangqi，ZHU Chunling，SONG Changyou，et al.Fire－proof test for outer－wall external thermal insulation system—Model fire UL 1040test no.2［J］.Building Science，2008，24（2）：56－63.（in Chinese）

［10］季广其，朱春玲，宋长友，等.外墙外保温系统防火试验研究—模型火UL 1040试验三［J］.建筑科学，2008，24（2）：64－69.JI Guangqi，ZHU Chunling，SONG Changyou，et al.Fire－proof test for outer－wall external thermal insulation system—Model fire UL 1040test no.3［J］.Building Science，2008，24（2）：64－69.（in Chinese）

［11］季广其，朱春玲，宋长友，等.外墙外保温系统防火试验研究—模型火UL 1040试验一［J］.建筑科学，2008，24（2）：49－55.JI Guangqi，ZHU Chunling，SONG Changyou，et al.Fire－proof test for outer－wall external thermal insulation system—Model fire UL 1040test no.1［J］.Building Science，2008，24（2）：49－55.（in Chinese）

［12］SUMATHIPALA K.Exterior wall fire spread of combustible cladding assemblies［R］.Canada：National Research Council of Canada，1995.

［13］LAW M.Fire satety of external building elements—The design approach［R］.England：American Institute of Steel Construction，1978.

［14］BS 8414－1：2002 Fire performance of external cladding systems（Part 1）：Test method for non－loadbearing external cladding systems applied to the face of the building［S］.

［15］GB 8624—2012 建筑材料及制品燃烧性能分级［S］.GB 8624—2012 Classification for burning behavior of building materials and products［S］.（in Chinese）

［16］HADJISOPHOCLEOUS G V，BENICHOU N.Performance criteria used in fire safety design［J］.Automation in Construction，1999，8：489－501.