玻纤网覆盖下不同外墙保温材料火灾行为研究①

潘 娟, 石必明, 程 静, 李晨燕

(安徽理工大学安全科学与工程学院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

外墙保温作为一种有效的节能手段,在我国被广泛应用;建筑材料应用中,外墙防裂网常与保温板进行组合使用。随着市场对保温材料的各项性能要求越来越高,为提高保温板的强度和刚度将防裂网与保温板复合成新型保温板,研究重点在复合板的保温性能、力学性能及耐久性能方面[1]。目前国内外学者对于外墙保温板材的燃烧特性及火焰蔓延研究也获得了颇多成果,主要集中于两个方面。一部分学者研究证明不同类型的保温材料火灾行为均有所差异。卢明超、李博等人对典型的有机保温材料进行了火灾行为及燃烧特性分析,借助锥型量热仪测得各项参数进行对比分析,发现热塑性和热固性材料的燃烧特性存在差异[2-3]。丁超等人在低压低氧试验舱中,对三种建筑外墙保温材料进行了水贴壁平火蔓延行为的燃烧试验,发现热塑性材料(EPS、XPS)火灾危险性高于热固性材料(硬PU)[4]。另一部分学者更加关注保温板材与建筑材料的复合燃烧,研究某两种材料复合燃烧特性。马哲将XPS、岩棉这两种材料上分别涂覆抹面砂浆,研究了砂浆覆盖对于保温板的燃烧存在影响,且不同保温板覆盖相同砂浆所受影响大小也存在差异[5];沈紫晨研究了不同辐射强度下,玻璃纤维网对EPS燃烧行为的影响,发现玻璃纤维网的存在会加剧EPS燃烧,且辐射强度对燃烧过程产生影响[6];程静等人研究了玻璃纤维网孔径大小对于XPS火灾危险性的影响,发现玻璃纤维网的孔径越小,XPS燃烧越充分,危险性也越大[7]。

研究为后续的深入探索提供了基础研究思路,可运用锥型量热实验结果,对比分析玻璃纤维网格布覆盖下的热塑性和热固性保温材料燃烧特性差异,研究玻璃纤维网对不同类型保温材料的火灾行为影响差异,从而为外墙保温复合层材料的选材应用以及复合材料的发展方向提供基础研究依据。

1 实验部分

1.1 样品准备

选用煊赫保温建材有限公司生产的B2级保温板材,分别为硬质聚氨酯泡沫保温板(PUF)、挤塑聚苯乙烯泡沫保温板(XPS)、模塑聚苯乙烯泡沫保温板(EPS);将保温板分别裁成90mm×90mm×10mm的板块状。

选用孔径大小为5mm×5mm的国标油工型玻璃纤维编织网格布(Glass Fiber Fabric简称GF),由金立网业有限公司生产;玻璃纤维网厚度一致为0.45mm,将网格布裁剪为90mm×90mm的片状。

将裁剪好的保温板与玻璃纤维网格布进行复合,即玻璃纤维网格布采用平铺压入法覆盖在保温板上,如图1所示。

图1 PUF与玻璃纤维网复合层

1.2 实验仪器

英国FTT公司生产的Icone Classic FTT 0484锥型量热仪,见图2。

图2 实验仪器

1.3 实验过程

实验测试条件:根据国标ISO 5560-1:2015测试标准,设置热辐射强度参数为30kW/m2。

试样燃烧时可见保温板受热起烟、着火燃烧、火焰熄灭,见图3。

(a)受热起烟(b)着火燃烧(c)火焰熄灭

2 实验结果与讨论

外墙保温板材在火灾中的行为是指材料在火灾中对火的反应特征,主要包括:引燃性、释热性、生烟性、火灾蔓延性能等。

在相同辐射强度30kW/m2下,试样燃烧的基本参数如表1所示。

表1 实验基本参数

2.1 玻璃纤维网对不同板材引燃性的影响

点燃时间(Time to Ignition,简称TTI)可用来表征材料被点燃的难易程度,指材料在一定的辐射强度下,不断受热直至表面持续出现火焰时所经历时间,单位为s。TTI越小,材料的阻火性能及耐火性能越差,潜在危险性越大。

由表1可知,三种外墙保温板材中,PUF的点燃时间最短,XPS居中,EPS最长;在玻璃纤维网的覆盖下PUF,XPS,EPS的点燃时间分别延长了28.57%,45.71%,33.33%,同时到达热释放速率峰值的时间也分别延长了15.38%,16.67%,20%。因此,热固性保温材料的耐火性能低于热塑性保温材料,但热固性材料受玻璃纤维网的影响较小;热塑性材料中,XPS的引燃性受玻璃纤维网影响较大;玻璃纤维网在一定程度上均增大了外墙保温板材的点燃难度,增强了保温板材的耐火性能。

2.2 玻璃纤维网对不同板材释热特性的影响

外墙保温板材在火灾中燃烧会释放出大量的热,使火焰不断地向外蔓延,造成外墙结构损坏的同时,也为消防救援造成阻碍;保温板材的释热性常用热释放速率、总热释放量及有效燃烧热相关参数进行分析评价。

2.2.1 热释放速率

表示火灾严重程度的热释放速率(Heat ReleaseRate,简称HRR),是指在仪器预先设定的辐射强度下,材料被点燃后单位面积的热释放速率,可定义为以kW/m2为单位的火强度;整个燃烧过程中HRR的最大值为热释放速率峰值(pkHRR),可用pkHRR表示外墙保温材料在整个燃烧过程中的最大火强度。HRR 和pkHHR 越大,材料的烧烧放热量越大,材料潜在的火灾危害性就越大。图4为30kW/m2辐射强度下,三种外墙保温板材及其复合层的HRR曲线变化图。

图4 不同材料的HRR曲线

由图4可知,所有材料燃烧过程中的热释放速率在150s内变化较为明显,曲线变化趋势相似,均只有一个峰值;玻璃纤维网的存在使外墙保温板材的pkHRR明显增大,PUF,XPS,EPS的pkHRR分别升高了10.12%,37.37%,16.29%。相较于热塑性材料而言,热固性材料的HRR曲线及pkHRR受玻璃纤维网的影响较小;另外,未经特殊处理的热塑性材料在燃烧过程中会收缩/熔融,对于外墙保温层稳定性存在影响,且热塑性材料火灾行为受玻璃纤维网影响较大,带来的火灾危险性也相对越高。

2.2.2 总热释放量

总热释放量(Total Heat Release ,简称THR)表示材料在受到特定辐射强度的情况下,全部释放出的热量的总量,以MJ/m2表示。当THR值较大时,表明外墙保温板材在燃烧过程中释放的热量也较多,从而增加了它在火灾发生的风险。通过将THR和HRR相结合,可以更准确地反映出材料的燃烧特性。图5为在30kW/m2的辐射强度条件下,三种不同类型的外墙保温板材和它们的复合层的THR曲线的变化情况。

图5 不同材料的THR曲线

由图5可知,所有材料的THR值在100s后变化几乎可以忽略,主要的火灾行为均集中于20s～100s内。在玻璃纤维网覆盖下的外墙保温板材,热释放均稍有延后,且最终的THR值均有一定幅度的增大,PUF,XPS,EPS的THR值分别升高了6.75%,13.47%,14.93%。相较而言,热固性材料的总热释放量小于热塑性材料,且受玻璃纤维网影响较小。

2.2.3 有效燃烧热

有效燃烧热(Effective Heat Combustion,简称 EHC)是指在燃烧中某一时刻,以MJ/kg为单位的热释放速率与质量损失速率之间的比值;表征了该时刻在气相火焰中材料产生的挥发性可燃气体的燃烧程度,可真实反映燃烧成分的含量。为简化参数,采用具有代表性的平均燃烧热(Av-EHC)对复合层进行研究,计算表达式如式(1)所示。

式(1)中,A为复合层面积,△m为总质量损失率。图6为30kW/m2辐射强度下,三种外墙保温板材及其复合层的Av-EHC数值。

图6 不同材料的Av-EHC

由图6可知,所有材料的Av-EHC数值规律与最终的THR值规律相似,玻璃纤维网使PUF,XPS,EPS的Av-EHC值分别升高了35.81%,40.58%,39.22%。将pkHRR,THR,Av-EHC结合来看,三种保温板材与玻璃纤维复合前后的数值变化规律一致,均是热固性材料受玻璃纤维网影响较小。

2.3 玻璃纤维网对不同材料生烟特性的影响

当发生建筑外墙火灾时,保温材料的燃烧会释放烟气阻挡火势观察及消防救援,对人员生命财产安全带来威胁。在外墙火灾过程中,保温板材的生烟性常用烟气生成速率(SPR)和生烟总量(TSP)来分析评价。

烟气生成速率(Smoke Produce Rate,简称SPR)指的是材料在锥型量热燃烧过程中比消光面积与质量损失速率的比值[8],单位为m2/s。图7为30kW/m2辐射强度下,三种外墙保温板材及其复合层的SPR曲线变化图。

图7 不同材料的SPR曲线

由图7可知,生烟性与释热性的规律相似,大幅度的SPR变化均在前150s内,PUF,XPS ,EPS覆盖玻璃纤维网后SPR峰值分别升高了40.14%,12.36%,22.12%;热固性材料的SPR峰值受玻璃纤维网影响较大,这是因为热固性材料遇火后会在表面形成一层碳化层,阻止火焰深入;玻璃纤维网具有一定的蓄热能力,并且表面有一些防耐碱涂层,使热固性材料产生更多的烟气,当碳层破裂后短时间内释放出来,SPR达到峰值。

烟气生成总量(Total Smoke Production 简称TSP )表示整个燃烧过程中单位样品面积产生的烟气总量,单位为m2/m2。根据表1中的数据并结合图7分析可知,PUF,XPS,EPS在玻璃纤维网覆盖下TSP值升高了49.48%,32.68%,85.17%,EPS的TSP值所受影响最大;XPS的SPR峰值与TSP值变化均为三种材料中最小的,这与材料释热性规律几乎相反。热塑性材料生烟性变化主要是因为玻璃纤维网自身涂层燃烧及蓄热对保温板材生烟产生了影响,而热固性材料遇火产生的碳层对后续生烟也存在影响,故而生烟性规律与释热规律存在差异。

2.4 玻璃纤维网对不同材料火灾蔓延性能的影响

外墙火灾一旦发生蔓延速度极快,主要是因为外立面处于垂直状态,点燃后火焰向上;外墙上未安装消防监测及灭火设施,无法在第一时间明确起火点并实施消防救援工作;故而,需要对外墙保温层的火灾传播性能进行分析。对于材料火灾传播性能,常用火灾增长指数(FGI)来表征[9],计算表达式如式(2)所示。

(2)

对于外墙保温板材而言,FGI越大,火势增长速度越快,则火灾危险性越高,具体计算结果见表2。

表2 各材料FGI值

由表2数据分析可知,玻璃纤维网小幅度降低了PUF和EPS这两种材料的FGI值,而这是因为玻璃纤维网延长了TpkHRR的同时,pkHRR增量较小,从而降低了火势增长速度;XPS的FGI值明显升高,相对而言,玻璃纤维网增大了XPS的潜在火灾危险性。

3 结 论

1) 在引燃性方面,热固性材料与热塑性材料相比,耐火性能较差;当两类材料分别与玻璃纤维网复合时,点燃时间与达到热释放速率峰值的时间均有所延迟,但热塑性材料的引燃性受玻璃纤维网影响较大。

2)在释热性方面,玻璃纤维网均会增大外墙保温板材的热特性参数;热固性材料与玻璃纤维网复合前后的热释放速率峰值、总热释放量及平均燃烧热增幅均小于热塑性材料,热固性材料的释热性受玻璃纤维网影响较小。

3)在生烟性方面,玻璃纤维网均会增大外墙保温板材的生烟特性参数,热固性材料与玻璃纤维网复合前后的烟气生成速率峰值及烟气生成总量增幅均在40%以上;玻璃纤维网对于热固性材料的烟气生成速率峰值影响大于热塑性材料,会短时间内增大火灾烟气危害。

4)在火灾蔓延性能方面,玻璃纤维网的存在会小幅度降低PUF和EPS的火灾增长指数,而XPS的火灾增长指数明显升高,增大了XPS的潜在火灾危险性。