聚苯乙烯外墙保温系统火灾风险影响因素分析*

崔　嵛，李　明，王　劼，初道忠，张　军

(1.山东理工大学 资源与环境工程学院， 山东 淄博 255000；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)

0　引言

聚苯乙烯泡沫包括挤塑聚苯乙烯泡沫(XPS)和膨胀聚苯乙烯泡沫(EPS)，由于其保温性能优异，质轻和较好的机械稳定性而广泛用于保温领域。自我国实施节能减排政策以来，大量聚苯乙烯泡沫被用于建筑外墙，由于聚苯乙烯本身可燃，因此造成了极大的火灾风险。尽管最新的《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014)严格限制了可燃保温材料在外墙的应用，但大量已安装的聚苯乙烯泡沫外墙保温系统的火灾风险问题仍不可轻视，尤其是随着使用时间的推移，既有系统保护层老化、破裂、甚至脱落等现象时有发生，为防火工作带来一定困难。

先前对聚苯乙烯泡沫火灾特性的研究多基于裸板，研究内容集中于点燃分析[1]，燃烧特性[2-3]和火蔓延规律[4-5]等方面。但实际使用中外墙保温系统是一个完整的体系，其火灾特性与裸板情况相差较大，特别是聚苯乙烯泡沫的受热熔化、滴落和燃烧特性会使保温系统火灾更为复杂，因此聚苯乙烯外墙保温系统的火灾风险问题，应引起重视，有进一步研究的紧迫性。

目前外墙外保温系统火灾相关的测试可分为对火反应测试和全尺寸火灾模拟测试两类。对火反应测试主要关注于材料自身的燃烧特性，其中ISO 5660[6-8]锥形量热计测试和 ISO 9705[9]标准房间火测试是最为常用的2个测试标准，两者都是基于耗氧法测量材料燃烧的热释放速率，不同点是前者样品尺寸被限制在100 mm×100 mm大小，而后者则可根据需要自主设计实验台，因此更加灵活。然而受限于室内实验条件和仪器量程，对火反应测试的火源功率不能很大，在获取外墙保温系统火灾特性参数时有一定局限性。全尺寸火灾模拟测试主要包括ISO 13785-2[10]，BS 8414[11]和UL1040[12]3个标准。三者都是通过构建主墙和垂直于主墙的侧墙来形成墙角结构，不同点在于UL 1040火源紧临墙角放置，而其他2个测试标准则是将火源置于燃烧室之中形成溢流火。在实际火灾过程中窗口溢流火更加危险，因此火灾测试中更为常用。ISO 13785-2与BS 8414相比，前者对燃烧室的构建要求较高，相应实验成本也较高，而后者则相对简单，因此国内测试较多采用该标准[13]。

综合以上分析，本文引入3种测试方法，分别是基于ISO 5660锥形量热计的小尺寸测试方法，基于ISO 9705大型量热计的大尺寸测试方法和基于BS 8414的外墙保温系统全尺寸测试方法。目的是对比研究3种方法评测聚苯乙烯外墙保温系统火灾风险的适用性，并在此基础上获取影响火灾风险的关键因素，进而给出此类外墙保温系统防火关键所在。在实验材料的选取上，由于XPS密度要大于EPS，其熔化、滴落和燃烧特性更加突出，火灾危险性更大，因此本文选用最为常用的薄膜灰外墙保温系统构造方式，以XPS为研究对象，所得结果同样适用于EPS外墙保温系统。

1　实验装置及工况

薄抹灰外墙保温系统按照相关规范和标准制做，各层结构如图1所示。所用XPS保温板密度为31 kg/m3，抹面层为3 mm聚合物砂浆，饰面层为外墙用乳胶漆，耐碱网格布满铺于砂浆内以增加保护层的抗裂性能。

图1　 XPS薄抹灰外墙保温系统构成Fig.1　The composition of XPS plastering exterior wall insulation system

用于锥形量热计测试的样品被切割为100 mm×100 mm 大小，由于实验装置对样品高度有限制，所有样品都未加装混凝土基层。样品四周和底面由铝箔包裹后置于无机纤维绝热材料之上以减少测试过程中向周围的热损失。选取35，50，65和80 kW/m24个级别的热流强度。

基于ISO 9705的大尺寸实验台如图2(a)所示，由2块标准尺寸(1 200 mm×600 mm)的保温板构成墙角结构。火源为丙烷气体火，功率为50 kW。样品基层由水泥砂浆和玻镁复合防火板构成。火源作用于模拟外墙上的热流由Vatell1000-1A Gardon水冷式总热热流计标定，热流分布见图2(b)。

图2　基于ISO 9705的大尺寸实验台Fig.2　Large scale bench based on ISO 9705

基于BS 8414的全尺寸实验台结构如图3所示，火源为木垛火，木垛长×宽×高为1 500 mm×1 000 mm×1 000 mm，由长度分别为1 000 mm和1 500 mm，截面尺寸为50 mm×50 mm的松木条搭建而成。

图3　基于BS 8414的全尺寸实验台示意Fig.3　Full-scale test bench based on BS 8414

2　结果分析

2.1　ISO 5660锥形量热计测试

在实验初始，可以观察到保护层发生了沉降，说明内部的XPS受热后熔化、收缩失去了原来的支撑作用。由于受到金属框的支撑，保护层沉降幅度并不大，其结果是在保护层与熔化的XPS粘稠物之间形成空腔。空腔为可燃热解气提供了输送通道，随着热流的持续施加，可观察到大量白色的热解气通过防护层与侧边的缝隙溢出，当热解气达到点燃浓度后即被电火花点燃。在长时间受热后，保护层开裂，部分高辐射强度工况甚至出现保护层破碎的情况，此时可燃气由破碎后的缝隙溢出燃烧，导致火焰瞬时变大。

XPS薄膜灰外墙保温系统的点燃特性可由Janssens模型[14]分析得到。样品被点燃时已完全熔化为很薄的粘稠液体层，因此可按热薄型点燃模型处理。将所施加热流强度与点燃时间绘制于图4，从图中可以看出两者呈线性关系，将数据点拟合直线延长使其与横轴相交，交点所对应的热流值即为临界点燃热流。由图4可知，3 mm厚XPS薄抹灰外墙系统的临界点燃热流为22.3 kW/m2。

图4　点燃时间和热流强度关系Fig.4　Relationship between ignition time and heat flow intensity

热释放速率是评测材料火灾风险性的一项重要参数，XPS薄抹灰外墙保温系统燃烧的热释放速率在图5中给出。由图5可见，在4种外加热流条件下，HRR都呈现出单峰，与文献[15]中XPS裸板工况相比，其HRR峰值要小的多，说明保护层对热释放速率有明显的抑制作用。对图5中数据积分后再对时间平均可得到在35，50，65和80 kW/m2热流强度下的平均燃烧热分别为63.4，70.2，83.8和90.4 kW/m2。可见随着所施加热流强度的增加，系统燃烧也更加剧烈。

图5　锥形量热计测试的热释放速率情况Fig.5　Heat release rate of the cone calorimeter test

在测试过程中，保护层的作用一方面降低了施加于底部XPS熔融层的热流强度，另一方面降低了热解气体的溢出速度，因此保护层的完整性和密封性对抑制火势发展至关重要，应是评测的重点。图6给出了测试后保护层的完整情况，可以看出在35和50 kW/m2热流强度下，虽然保护层已出现裂纹，但由于无机纤维网格布的粘连作用，保护层还能保持相对完整。65和80 kW/m2热流强度下保护层则破碎严重，说明在高热流强度下无机纤维网格布粘结力丧失，导致保护层的机械性能变得非常差，进而变脆断裂。保护层破碎现象在热释放速率曲线中也有所体现，由图5中可以明显看到，65和80 kW/m2工况的热释放速率峰值更加陡峭，其原因是保护层破裂导致大量可燃气溢出燃烧，瞬间增加了热释放速率值。

2.2　基于ISO 9705的自建实验台测试

图6　锥形量热计测试后保护层的完整情况Fig.6　The integrity of the protective layer after the cone calorimeter test

图7　基于ISO 9705的大尺寸火灾测试过程Fig.7　Fire test of large scale fire test based on ISO 9705

如图7(a)所示，在50 kW丙烷火冲击下外墙乳胶漆首先分解，炭化变黑。如图7(b)所示，182 s左右，白色的烟雾从顶部缝隙溢出。在这一阶段，火焰周围的XPS已完全熔化，系统内部形成空腔。随着外部火焰的持续冲击，可燃气不断生成并通过系统空腔由顶部缝隙溢出，在272 s左右溢出的可燃气达到点燃浓度而被点燃。与此同时，可观察到系统侧面也出现可燃气强烈溢出现象，说明XPS不断受热熔化导致空腔范围持续扩大。在341 s左右，如图7(c)所示，大量积聚在系统空腔底部的熔融物掉落，遇空气后燃烧，形成油池火。由于样品底部丧失了密封性，空气得以进入空腔，空腔内部未熔化的XPS遇空气后被点燃。可以观察到丙烷火源两侧不断有燃烧的熔融物滴落，使得油池火范围不断增大。1 600 s左右油池火熄灭，测试完毕。

燃烧过程中的热释放速率情况在图8中给出，可见热释放速率曲线呈现出单峰，峰值出现在点燃后300 s左右，此时大量熔融物掉落燃烧形成油池火。之后热释放速率逐渐衰减直至熄灭。由热释放速率数据可得到测试过程中样品的平均燃烧热为44.7 kW/m2。此值明显小于锥形量热计实验各工况的平均燃烧热，这是由丙烷火焰施加于样品表面的热流强度分布不均造成的。由图2(b)可以看到，热流强度在墙角附近最大，达到65 kW/m2以上，在火焰外围热流强度为35 kW/m2左右。整体来看，大于22 kW/m2临界热流的区域占据了样品总面积的一半以上，此部分可认为是丙烷火焰对样品的主要作用区域。随着距离火源距离的增加，丙烷火焰施加于外墙的热流强度下降很快，在样品边缘只有5 kW/m2左右，可认为小于临界点燃热流的这部分区域以熔化和空腔内的明火点燃为主。

图8　基于ISO 9705的自制实验台测试热释放速率情况Fig.8　Heat release rate based on ISO 9705 test bench

根据所受丙烷火焰热流强度的不同，可将聚苯乙烯外墙保温系统的燃烧方式分为两类：第一类与高热流强度区域相对应，泡沫聚苯乙烯熔化后在底部聚集，伴随着保温系统底部失去完整性而掉落在地面形成油池火；第二类与低热流强度区域相对应，未熔化的XPS被空腔内的火焰点燃并燃烧滴落。第二类燃烧方式持续时间长，对热释放速率贡献不大，但实验后发现保护层背面的XPS已全部熔化，说明在空腔中的横向火蔓延范围已远远超出外部火焰作用范围，应引起足够重视。

测试后系统的形态在图7(d)中给出。从图中可以看出，测试后保护层还较为完整，只是在火源上方墙角附近出现破碎。参照图2(b)的热流分布情况，对比锥形量热计实验后的样品形态，可发现在同样的热流强度下破碎程度要轻于锥量实验。这是因为自制实验台所用样品较大，加之样品所受到的火焰热流强度分布不均，无机网格布虽然在热流强度较大的区域失去粘结性，但总体还与热流强度较小部分的网格布相连，因此保持了一定的完整性。但在实验后样品拆除过程中发现，热流强度较高区域在移动的过程中自行破碎、脱落，说明此部分区域已变得十分脆弱，失去了原有的机械性能。总的来说，在同等辐射强度情况下，大尺寸样品的完整性与锥形量热计实验结果较为接近，因此可认为锥形量热计实验在评测样品完整性方面有一定的参考价值。

2.3　基于BS 8414的全尺寸实验

木垛被点燃后火势迅速发展，在很短的时间内火焰便从燃烧室溢出，冲击上面的保温系统。如图9(a)所示，在287 s左右，可看到系统上部有白色烟雾溢出，说明内部XPS迅速熔化，在系统内部形成空腔，系统顶部首先失去了密封性。随着火焰的持续冲击，系统下部的保护层破裂，如图9(b)所示，在487 s左右，燃烧的熔融物开始滴落，而且滴落速度不断加快，最终形成油池火。在546 s左右，随着下部保护层的进一步破裂，溢出火焰进入空腔，在强大的火焰热浮力的作用下，保护层被撕裂。由图9(c)，(d)，(e)可以看到，火焰在120 s内将整个保护层完全撕开，破裂的保护层又为火焰提供了上升的通道，可观察到强烈的火焰从系统顶部蹿出，同时火焰冲击侧墙，使得侧墙的保护层也被撕裂。这一过程伴随着大量熔融物的滴落和燃烧，火势发展到难以控制的程度。由图9(f)可以看出，测试后整个外保温系统已经基本燃烧殆尽。

图9　基于BS 8414的全尺寸XPS外保温系统测试过程Fig.9　Fire test of full scale XPS exterior thermal insulation system based on BS 8414

由以上分析可知，基于BS 8414的全尺寸实验的测试强烈程度要远大于其他测试。由于火源功率大，木垛火产生的强烈热浮力流将本已脆弱的保护层撕开，使得整个系统完全丧失了完整性，导致火势失控。因此在实际灭火救援工作中应首要确保系统保护层的完整性，避免火灾向失控的方向发展。

综上，由聚苯乙烯外墙保温系统的火灾特点可分析得出决定系统火灾危险性的因素依次是保护层的完整性和严密性，系统空腔形成和空腔特性，XPS的熔化流动和燃烧特性。空腔的形成是聚苯乙烯泡沫材料受热后的必然结果。空腔的危险性，一方面为可燃气和空气提供了贯通的通道，也提供了火蔓延的通道，使此类火灾更加危险；另一方面，空腔使火焰向侧面发展，从而扩大了系统熔融燃烧的范围。但空腔的危险性又与保护层的严密性和完整性相关，系统严密性的丧失，一方面使得可燃气由系统顶部和侧部溢出，可燃气被点燃后造成火焰在系统外部蔓延；另一方面空气进入系统空腔，未熔化滴落的XPS得以在空腔内部燃烧，增加了火蔓延的风险。系统保护层的完整性则决定了火势的发展程度，系统底部的保护层往往是首先破裂的部位，导致熔融状态的聚苯乙烯掉落、燃烧，造成向下的火蔓延，过于强烈的外部火源则有可能将保护层完全破坏，造成不可控的局面。

3　结论

1)通过对实验结果的综合分析可知，决定聚苯乙烯外墙保温系统火灾风险的关键因素依次为保护层的严密性和完整性，系统空腔特性，材料的熔化流动和燃烧特性。

2)在测试方法方面，基于BS 8414的全尺寸实验是评价保护层完整性的最好方法，但其成本较高，准备周期较长，且所测得的量化数据较少，不适合理论研究。基于ISO 5660的小尺寸实验，则是在完全可控的条件下进行的，是获取量化数据较为理想的方法，且在评测保护层的完整性方面与大尺寸实验有近似结果，但其无法评测材料的流动燃烧特性。基于ISO 9705的大尺寸实验，其优势是可获取热释放速率等量化数据，可自主设计搭建实验平台研究材料在系统内的熔融流动、燃烧等特性，便于理论研究，但受到室内实验条件的影响，其火源功率受到限制。

3)聚苯乙烯泡沫类外墙保温系统的防火可采取3方面的措施：一是增加外保护层的强度，特别是系统底部防护层的强度，确保火灾过程中系统保护层的完整性；二是系统内设置横向和纵向隔断，阻隔系统内部向上和向侧面的火蔓延；三是在系统内构造能够容纳材料熔融滴落物的防火隔断，使熔融滴落物不流淌，降低火蔓延的风险。

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