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锥形量热仪探究保温材料“阻燃”还是“助燃”?
发布时间:2021-06-11

随着我国“节能减排”政策和法规的不断完善及其执行力度的加强,建筑节能已成为建筑工程中越来越重要的组成部分。建筑节能措施中的外墙外保温系统得到广泛应用。但近年来,建筑外保温材料火灾频发,把外墙保温材料的质量问题推到了风口浪尖,引起社会广泛关注。

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其实早在2009年国家住房和城乡建设部和公安部就联合发布了《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》公通字[2009]46号文通知中明确规定,“高度小于24m的建筑,其保温材料的燃烧性能不应低于B2级。其中,当采用B2级保温材料时,每层应设置水平防火隔离带。”

2011年,国务院在《关于加强和改进消防工作的意见》(国发〔2011〕46号)文件中强调,“严格建筑工地、建筑材料消防安全管理…… 新建、改建、扩建工程的外保温材料一律不得使用易燃材料,严格限制使用可燃材料”。

近几年,随着保温材料的大面积应用,因保温材料引起的火灾时有发生,各省市自治区也都相应出台了相关管理措施。因此,外保温材料燃烧性能的研究亟待深入。

本文主要介绍针对两种典型的外墙保温材料:岩棉板和挤塑式聚苯乙烯隔热保温板,采用FTT锥形量热仪进行的燃烧性能实验研究,供大家参考探讨。

 

实验仪器  Instrument 

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锥形量热仪

iCone2+锥形量热仪是以耗氧原理为基础的新一代聚合物材料燃烧性能测定仪。它不仅可以测试热释放速率,还能测试点燃时间、临界点火通量、质量损耗速率、产烟率、有效燃烧热、有毒气体释放速率(如碳氧化物)等参数,可用于预测大规模测试,如EN 13823(单体燃烧)和ISO 9705(房间墙角测试)。

利用小尺寸的锥形量热仪实验,根据量热学耗氧原理来模拟外保温材料的实际火灾状态,同时测定2种典型外保温材料的点火性能、热释放速率、烟及毒性气体释放速率等燃烧性能参数,分析两种样品的燃烧性能和抹面砂浆对同种样品燃烧性能的影响。

 

实验过程  Experiment 

实验采用岩棉板Rock Wool Board(RWB)和挤塑式聚苯乙烯隔热保温板(XPSB),材料的燃烧性能分别为A级和B1级,根据国际标准IS05660-1的要求,将样品尺寸截成100mm×100mm,其厚度为样品实际厚度。

在实验中,将试样用铝箔包裹其背面和侧面以减少质量损失。为保证平表面燃烧,用不锈钢网栅夹住试样。实验时,采用50kW/m2的辐射强度,试样的背部垫有一种厚13mm,密度为650kg/m3的热阻很大的陶瓷纤维毯以保证标准的背面热边界条件。

辐射强度50kW/m下

样品燃烧性能指标及基本参数

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01

热释放速率

1

砂浆对XPSB热释放速率

如下图,没有涂抹砂浆的XPSB在70s时达到热释放速率峰值478.2kW/m2,涂抹砂浆的XPSB在225s时达到热释放速率峰值270.9kW/m2,达到峰值的时间延长了3.2倍,热释放速率峰值下降了43.4% ,平均热释放速率下降了35.6%。

砂浆对XPSB热释放速率影响曲线

2

砂浆对RWB热释放速率的影响

砂浆对RWB热释放速率影响在接触持续火源伊始起抑制作用,随着火源的持续进行,砂浆会增加RWB的热释放速率,并最终使其热释放速率峰值和平均值分别增加21.7%和12%。

砂浆对RWB热释放速率影响曲线

3

有无涂抹砂浆的材料的热释放速率

XPSB的热释放速率峰值分别是RWB的14.2倍和30.6倍,XPSB的平均热释放速率分别是RWB的7.4倍和12.9倍。可见RWB具有较好的阻燃效果。

涂抹砂浆样品的热释放速率曲线

未涂抹砂浆样品的热释放速率曲线

 

02

材料的质量损失

在有无砂浆的情况下,RWB的平均质量损失速率比XPSB的下降了24%和41.2%.说明RWB不易燃烧,火焰蔓延速度慢。

砂浆对XPSB质量损失速率影响的曲线,可见,无砂浆时XPSB的质量损失速率峰值出现在59s,有砂浆时出现在245s,当有砂浆涂抹时最大火焰蔓延速度延迟出现186s,平均质量损失速率降低37.5%。说明涂抹砂浆能够有效降低XPSB的燃烧性能。

砂浆对RWB热释放速率影响曲线

 

03

发烟量及烟气毒气

1

发烟量

XPSB的比消光面积是同等工况下RWB的9~12倍,可见XPSB的烟气释放量远远大于RWB,火灾危险性更高。同时,XPSB和RWB在有砂浆涂抹时的比消光面积比无砂浆时高出2.3% 和35% ,说明在有砂浆时材料的燃烧不充分,烟气释放量增加,其中RWB的砂浆涂抹对其烟气释放量有更明显的影响。

2

烟气毒气

燃烧开始时在有砂浆涂抹的情况下,RWB的CO产率在218 s达到峰值1.15 kg/kg,XPSB的CO产率在440s达到峰值1.02kg/kg,比RWB少11.3% ,平均产率少17.7%,说明燃烧过程中RWB的CO释放量较多,不利于火灾初期人员逃生。有砂浆时XPSB和RWB的CO产率分别比无砂浆时高13.8%和12.5%,说明砂浆增加了材料的CO释放量。

涂抹砂浆样品的CO释放速率曲线

 

04

材料的点燃性能

1

XPSB点燃性能

未涂抹砂浆:表面迅速融化,,产生大量烟气,在33s时被点燃,有效燃烧热峰值为71.9MJ/kg。

涂抹砂浆:砂浆表面没有明显变化,产生少量烟气,砂浆下部XPS由于热传导作用开始融化,致使砂浆不断下降,点燃时间为118 s,有效燃烧热峰值为76.9 MJ/kg,比没有砂浆时增加了6.9%。

2

RWB点燃性能

无论有无砂浆,试验开始后,表面无明显变化,产生少量的烟气,300 s后未出现明火。但有砂浆时的有效燃烧热峰值比无砂浆时增加了45.1%,说明砂浆增加了RWB的有效燃烧热。

 

实验总结  Result 

砂浆对XPSB燃烧性能有明显影响,可以大幅降低材料的热释放速率、质量损失速率和火灾蔓延速度,有利于火灾初期人员逃生和火灾扑救;但砂浆同时会增加材料的烟气释放量,增加了火灾危险系数

砂浆对RWB燃烧性能的影响没有对XPSB影响明显,在火灾初期砂浆可以起到抑制热释放速率的作用,但随着热辐射的持续作用,砂浆会增加RWB的热释放速率。同时,砂浆会使RWB的烟气释放量增加35%左右,CO产率增加12.5% ,增加一定的火灾危险性。对采用RWB作为保温材料的建筑的火灾,人员疏散和灭火救援应着重防止吸入有毒有害气体。

砂浆对XPSB点燃时间影响显著,当无砂浆抹面时,点燃时间仅为33s,当有砂浆抹面时,点时间延长为118s。对既有建筑中已采用XPS等难燃、可燃材料作为外保温材料时,抹面砂浆完好率应纳入监管范畴。

RWB作为A级外保温材料,阻燃性能明显优于XPSB。RWB的质量损失速率比XPS少24-41.2%,XPSB的热释放速率和比消光面积分别是RWB的7~12倍和9~12倍。因此,对于新建建筑应采用RWB等A级外保温材料,从而降低火灾荷载。

 

后记

锥形量热仪是火灾科学研究领域中最重要的试验设备之一,它不仅可以用于研究各类材料或制品的燃烧性能,以评价材料或制品的燃烧行为,而且其测得的数据还是性能化火灾设计和火灾模型化最为重要的数据来源。本文的试验研究表明,锥形量热仪是建筑外保温材料燃烧性能的有效研究手段,可以定量测量各种保温材料的热释放速率、质量损失速率、烟气释放速率等。通过对比,可以评估新型材料或阻燃剂添加前后各项燃烧性能的改进,既保证安全性又能对成本进行有效控制,为筛选高性价比材料提供有效途径。

 

参考文献:马哲.两种典型外保温材料燃烧性能研究[J].西安科技大学学报,2013,33(2):226-229.

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