玻璃纤维与EPS复合层的燃烧特性分析

戴文燕

常州市慧宇建筑工程质量检测有限公司（213003）

玻璃纤维与EPS复合层的燃烧特性分析

戴文燕

常州市慧宇建筑工程质量检测有限公司（213003）

玻璃纤维材料具有不燃、耐热、力学性能突出的优点，经常与EPS组合应用在建筑工程外墙结构中。文章在对模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保温系统技术特点分析的基础上，提出采用TG—DSC技术、微型燃烧量热仪、锥形量热仪和立体燃烧实验装置对EPS与玻璃纤维组合材料的燃烧特性进行测试分析。测试结果表明，单纯的玻璃纤维不易燃烧，但与EPS组合应用时会加剧EPS的燃烧，不利于建筑的火灾救护。

建筑工程；外墙；玻璃纤维；EPS；燃烧

0 引言

建筑外墙不仅要满足结构受力要求，还要满足保温隔热的功能性要求，为实现这种要求，通常在外墙结构层外加设保温层。当前，建筑外墙普遍采用各种有机保温材料，而模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保温系统由保温层、抗裂防护层和饰面层组成，其保温隔热、抗风、防水、抗冲击等性能优越，能大幅度降低能耗，减少环境污染[1]。然而，由于EPS易燃，故发生火灾时会加速火势的蔓延，而玻璃纤维耐温高、不易燃烧，为探究玻璃纤维能否起到延缓EPS燃烧的效果,有必要对EPS和玻璃纤维复合层的燃烧特性进行研究。

1 模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保温系统的技术特点

火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。建筑火灾时有发生，常常会造成一定的人员伤亡，且高层建筑的火灾造成的损失更为严重。近年来，通过调查多起建筑火灾发现，建筑有机保温材料促进火灾的传播、释放毒性烟气的问题普遍存在[2]。建筑墙体的节能保温材料包括有机类、无机类和复合材料类三种，其中有机类材料应用最为广泛，但有机保温材料发生火灾时，具有传播速度快、起火点不易确定、扑救难度大的特点。随着建筑工程质量要求的提高，许多建筑的外墙都要求具有更好的保温隔热、抗风、防水、抗冲击等性能，满足这些技术要求的模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保温系统应运而生[3]。有机保温材料具有轻质、保温隔热性能好的特点，但也存在易老化、易燃烧的缺陷，而玻璃纤维材料具有不燃、耐热、力学性能突出的优点，与EPS有机保温材料结合在一起，可以提高建筑墙体的抗裂、防水性能，同时也会改变建筑外墙的燃烧性能。

2 EPS材料和玻璃纤维的热解特性

热重分析法和差示扫描量热法是快速测试物质物理性质与温度关系的热分析技术。为准确测试物质的受热行为和分析热解机理，常常将几种热分析技术或者热分析和其它技术配合使用形成热分析联用技术，TG—DSC技术是融合了热重分析仪和差示扫描量热仪的同时联用热分析技术，被广泛应用于物质热分解机理的研究[4]。为此,采用德国TG—DSC同步热分析仪分别对EPS和玻璃纤维网格布材料进行10℃/min升温速率下的热解试验，分析其热解性能和热解机理。

EPS材料的热解试验表明，EPS在空气中几乎完全热解，在试验前期，EPS材料的质量基本不变，在到达燃烧临界温度时，EPS材料的质量呈现断崖式下降，并最终保持一定的质量（约为原总质量的5%）。EPS材料的反应起始温度约为250℃，持续到290℃时出现加速燃烧的现象，反应结束温度约为390℃，并持续到450℃，剩余质量基本不变。

玻璃纤维材料的热解试验表明，玻璃纤维在空气中热解质量损失较少，其失重过程主要有两个阶段。随着温度的升高，玻璃纤维材料在170℃时开始出现质量损失，直到300℃左右达到峰值，在500℃左右时质量基本稳定，这个阶段玻璃纤维材料的质量损失率约为8%，并未表现出明显的放热和吸热，可能是杂质的挥发、蒸发、升华等变化造成的。在温度达到600℃左右时，出现质量损失现象，并持续到770℃左右，玻璃纤维材料的质量基本维持稳定，这个过程玻璃纤维材料的质量损失率约接近2%，可能是玻璃纤维发生玻璃化转变使得小分子物质逸出导致的。玻璃纤维在整个热解试验中，并未出现放热现象，只有两阶段的吸热过程，而且玻璃纤维材料的质量损失不足10%，表明玻璃纤维材料在这两个阶段并未发生燃烧和热解，主要是由物质的物理变化引起的质量损失。

3 EPS与玻璃纤维的燃烧特性

3.1 EPS与玻璃纤维的可燃性分级

热释放容量是衡量材料可燃性的重要参数。根据材料热释放容量的大小，可将材料分为可燃、自熄和不燃三类，热释放容量超过400 J·g-1·K-1的判别为可燃，热释放容量在 150 J·g-1·K-1～30 J·g-1·K-1的判别为自熄，而热释放容量低于400 J·g-1·K-1的判别为不燃[5]。

微型燃烧量热仪可通过测试毫克数量级的样品快速有效地确定材料的燃烧参数，包括燃烧负荷、点火温度、热释放速率、阻燃性等。为此，采用美国MCC—2型微型量热仪对EPS和玻璃纤维材料的可燃性进行判定，测试在50 K/min的升温速率下从150℃到650℃过程中的热释放容量、最大热释放速率、总热释放量和最大热释放时间等参数，测试结果见表1。

表1 EPS材料的微型燃烧量热测试结果

测试结果表明，EPS和玻璃纤维材料的热释放容量、最大热释放速率、总热释放量三个参数有明显差异，玻璃纤维远远小于EPS材料，而最大热释放时间变化不大。玻璃纤维的热释放容量远大于400 J·g-1·K-1，为可燃材料；玻璃纤维的热释放容量为 49.8 J·g-1·K-1， 远小于不燃物 150 J·g-1·K-1的判定标准，为不燃材料。

3.2 EPS与玻璃纤维燃烧性和阻燃性的测试

锥形量热仪通过模拟真实的燃烧环境，测试天然有机材料、塑料、橡胶等材料的燃烧性能参数，包括引燃时间、最大热释放速率、最大热释放时间和总释放热，对建筑材料的评价、设计和火灾预防等方面均有重要的意义[6]。为此，采用英国锥形量热计对10 cm×10 cm的纯 EPS、EPS+单面玻璃纤维、EPS+双面玻璃纤维三种样品进行测试，试验装置的热辐射通量分别为 25 kW·m-2、35 kW·m-2、50 kW·m-2，测试结果见表 2。

测试结果表明，三种样品在达到燃烧时间后均迅速燃烧达到热释放峰值，随后迅速熄灭。不同热辐射通量时，三种样品的引燃时间、最大热释放速率、最大热释放时间和总释放热等指标的变化规律基本一致，随着热辐射通量的增加，材料引燃时间和最大热释放时间会逐渐减少，最大热释放速率数值有一定幅度的增长，而总热释放量的变化较小。随着热辐射通量的增加，玻璃纤维对EPS材料的影响变小，而最大热释放速率基本不变。对比三种样品的引燃时间和最大热择放时间，覆盖有玻璃纤维的EPS材料的时间更短，表明玻璃纤维会加快EPS的燃烧。因此，EPS材料和玻璃纤维结合在一起更加容易被引燃。

表2 不同热辐射通量下三种样品的锥形量热仪测试结果

3.3 EPS与玻璃纤维燃烧状态分析

国内外很多学者通过构建小尺寸的燃烧实验平台，对EPS材料和玻璃纤维材料进行了燃烧模拟实验，研究EPS材料和夹层中EPS材料的火蔓延的规律，评估EPS材料对火灾的影响。为此，采用立体燃烧实验装置对纯EPS板、有玻璃纤维和钢丝网的EPS板的燃烧过程进行研究。为模拟火灾的情况，纯EPS板、玻璃纤维EPS板、钢丝网EPS板样品的燃烧过程持续数分钟。

在立体燃烧实验中，EPS材料先收缩成小球，进一步烙融，然后开始燃烧，三种材料的燃烧情况见表3。2层纯EPS板燃烧时，火焰主要为竖直方向的传播，材料未完全燃烧；2层EPS板与1层玻璃纤维复合体燃烧时，EPS材料烙融后会有一部分附着在玻璃纤维网格布上向下滴落，燃烧的火焰向下传播，EPS材料基本完全燃烧，并产生大量的黑色浓烟；2层EPS板与1层钢丝网复合体燃烧时，EPS板靠近钢丝网的部位燃烧不充分。

表3 三种材料的燃烧情况

由表3可知，EPS+玻璃纤维的燃烧最为充分，纯EPS次之，EPS+钢丝网最差，这表明玻璃纤维可以促进EPS材料的燃烧，使火焰的传播变得更为稳定，持续性更好，而钢丝网则可起到阻止火焰传播的作用，可能是由于钢的导热和散热性较好，可以降低附着在钢丝网上EPS的温度。因此，若在模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保温系统中夹杂玻璃纤维层，在发生火灾时，容易加剧火灾初期火焰的燃烧，不利于消防救护。

4 结语

EPS是建筑外墙常用的保温材料，常与玻璃纤维共同使用。EPS具有易燃烧的特性，当建筑物发生火灾时，EPS极易被引燃，燃烧后滴落物还会引燃附近易燃物，加剧火势的蔓延。笔者通过对EPS与玻璃纤维组合材料燃烧特性的试验研究，确定了玻璃纤维会促进EPS燃烧，不利于消防救护，在重要结构物和高层结构物中，应当限制其应用。

[1]亓延军.常用有机外墙外保温系统火灾特性研究[D].中国科学技术大学,2012.

[2]吴振坤,颜东升,尤飞.聚苯乙烯泡沫芯材的燃烧特性及其在火灾事故原因调查中的应用[J].火灾科学,2007(3):180-185.

[3]张清林,韩伟平,王俊胜,刘丹,金星,王国辉.聚合物基建筑保温材料的热行为及燃烧行为[J].建筑材料学报,2015,18(6):1077-1083.

[4]昝文鑫,朱国庆.EPS保温板竖向燃烧特性研究[J].消防科学与技术,2015,34(4):427-430.

[5]罗静,安全斌,晁富官.EPS外墙保温体系单体燃烧实验研究[J].中国科技信息,2014(8):93-96.

[6]张苗,刘幸娜,黎昌海,等.EPS外保温材料火灾蔓延速率的数值模拟与试验研究[J].安全与环境学报,2015,15(2):144-150.