典型建筑外墙保温材料的燃烧及火蔓延行为研究

丁 超, 朱难难， 兰清源， 程炳红， 符扣锁

(1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院， 安徽 230601；2.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室， 安徽 230026)

我国建筑行业广泛应用的外墙保温材料，主要分为有机类、无机类及复合材料3类[1]，而外墙保温又是目前大力推广的一种建筑节能手段，在当今“碳达峰、碳中和”大背景下，受到学者们的广泛关注。目前，建筑行业主要使用的典型建筑外墙保温材料为聚苯乙烯保温板(以下简称EPS)、挤塑聚苯乙烯保温板(以下简称XPS)及硬质聚氨酯泡沫保温板(以下简称硬PU)。这些材料都是高分子有机材料，且属于B级可燃材料，另外硬PU燃烧会产生大量有毒气体，需经阻燃处理达到不燃级别，避免人员伤亡。近年来，建筑外墙保温材料引发高层建筑火灾事故层出不穷，而究其失火原因主要是市场上外墙保温材料种类繁多，很多建筑单位为节约成本，擅自使用防火安全性能差、未达到相关安全要求的保温材料，从而造成了一系列重大人员伤亡及财产损失[2-3]。

关于建筑外墙保温材料的燃烧特性及火蔓延研究，国内外学者也取得了颇多成果。李刚等[4]通过试验全面对比分析了TPS、EPS、XPS 3种保温材料的燃烧特性，并为在建筑行业的实际应用提供理论依据。AN等[5]设计小型建筑外立面保温材料竖直燃烧试验装置，研究FPU的热燃性能，表明火焰沿中轴线向下蔓延是由多种因素耦合引起的。张威等[6]11-17通过FDS建立垂直的建筑外立面几何模型，研究XPS、EPS、PU 3种保温材料竖直燃烧火灾发生规律，给出了火焰蔓延服从二次曲线的表达式。章涛林等[7]用FDS软件建立20层建筑几何模型，研究EPS的火蔓延行为、温度场、烟雾、质量损失速率等火灾参数。HUANG等[8]研究在压力和方向耦合作用下的建筑外保温材料燃烧特性及火蔓延规律。MA等[9]分别在合肥和拉萨两地开展FPU在不同压力下的燃烧试验，通过对倾角、火焰高度等火灾参数进行分析，得出了65 kPa下火焰燃烧速率最低。3种材料各有优劣，但从发生火灾等事故来看，在低压环境下研究建筑外墙保温材料的燃烧特性居多。由于近年来高层建筑外墙保温材料的火灾事故频发，这多与保温材料安全性能低有关。对于不同类别的建筑外墙保温材料的燃烧特性及火蔓延规律研究较少，而且国内缺乏这类保温材料性能的评估准则，故有必要深入研究典型建筑外墙保温材料的燃烧特性及火蔓延规律。

本文针对典型建筑外墙保温材料存在的消防安全问题，在低压低氧试验舱中开展3种典型建筑外墙保温材料的燃烧及水平贴壁火蔓延试验，通过分析建筑外墙保温材料在燃烧过程中的质量损失速率、火焰温度、辐射热等火灾参数，来研究典型建筑外墙保温材料的燃烧特性及火蔓延行为，对于日后此类火灾预防具有重要意义[10-11]。

1 试验设计

1.1 试验目的

本文设计了EPS、XPS及硬PU的燃烧及水平贴壁火蔓延试验，探究其燃烧特性、质量损失速率、温度等火灾参数规律，揭示不同建筑外墙保温材料的燃烧差异，规范建筑外墙保温材料的使用。

1.2 试验材料

目前建筑行业主要使用的建筑外墙保温材料有3类，分别选取3种典型建筑外墙保温材料，EPS、XPS及硬PU，其主要特征参数见表1。

表1 3种建筑外墙保温材料的主要特征参数

1.3 试验仪器布置

在低压低氧试验舱，开展3种建筑外墙保温材料的燃烧及水贴壁平火蔓延行为试验，试验仪器布置如图1所示。低压低氧试验舱为角钢架结构，顶部有集烟罩，左右两侧设置观察窗口。天平及相关试验仪器位于中心位置，左侧照相机实时录像，记录火焰图像。电子天平与变角度支架之间用PVC隔板隔开，其质量数据通过数据线传输到计算机，由计算机上的质量数据采集软件实时记录。试验用保温材料水平放置在变角度支架上方，常压下人工点燃后，由其上方8个热电偶阵列测量温度，热辐射测量仪、热流测量仪分别布置在距点火处40.0 cm、60.0 cm的位置上，测量辐射热及热流。温度、辐射、热流均由数据线传输到计算机终端，实时采集，用于后续数据分析。

1.4 试验测量设备

电子天平：3种典型建筑外墙保温材料的质量损失速率由电子天平连接的计算机终端采集的质量数据求导得到。试验用电子天平型号为日本A&D，其主要性能参数为最大量程10 kg，精度0.01 g。通过电脑软件串口连接(RsCom)实时采集质量数据并显示。

热电偶：本试验用热电偶测量建筑外墙保温材料燃烧中轴线火焰温度，用8个K型热电偶组成阵列，T0～T3这4个热电偶间距为4.0 cm，T4～T7这4个热电偶间距为10.0 cm，可参见图1中热电偶阵列简图。温度数据由温度采集模块7 018采集，试验用热电偶测温范围为-500～1 200 ℃，热响时间为0.1 s，外形尺寸直径为1 mm，长度为3 m。试验中热电偶布置情况，如图2所示。

1.5 试验内容

本试验分别将EPS、XPS及硬PU按照长50.0 cm、宽8.0 cm、厚1.8 cm的方形尺寸截取，每种材料做3次重复试验。试验时，先在室外将建筑外墙保温材料水平放置到变角度支架上，用摄像机拍照留存后，送入低压低氧试验舱里的天平上，用打火机人工汽火引燃后，将所有电灯等照明设备关闭，摄像机、计算机等数据采集仪器实时记录，相关布置情况可参考图1。燃烧结束后，保存温度、辐射热、火焰燃烧情况等数据，并将试验舱内有毒有害气体通过抽压泵抽走，开始下一组试验，如此重复，得出共9组试验工况。

2 试验结果与分析

2.1 质量损失速率

质量损失速率不仅反映了保温材料的质量减少快慢，在某种程度上还可将火势大小及火蔓延速率体现出来。3种典型建筑外墙保温材料在保证外界环境条件相同情况下，由汽火引燃后来研究其燃烧速率，而燃烧速率又可以通过质量损失速率来呈现。如图3所示，描绘了EPS、XPS及硬PU 3种建筑外墙保温材料燃烧后的质量损失及求导后得到的质量损失速率曲线。对于3种建筑外墙保温材料，其质量损失曲线近似服从二次曲线，与模拟结果二次曲线吻合[6]11-17。由图3可以看出，3种外墙保温材料的质量呈先缓慢减少，然后快速下降，最后趋于稳定的变化趋势。这是由于建筑外墙保温材料刚燃烧时，存在预热区，随着燃烧的发展，火势沿着水平方向逐步蔓延，保温材料燃烧速率加快，这也是质量损失加快的重要原因之一。

图1 试验装置布置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental device layout

以EPS的质量损失速率曲线为例，EPS燃烧后，随着燃烧的进行，质量损失速率逐渐增加，在200 s时刻达到最大值，最大质量损失速率为0.092 g/s。此后，其质量损失速率逐渐减小，直到燃烧结束，质量损失速率减为0。对比试验研究的3种典型建筑外墙保温材料可以发现，皆呈现此规律，但就硬PU而言，其质量损失较快，在100 s时质量损失速率达到最大值0.080 g/s，然后又很快减为0，这可能与硬PU为热塑性材料有关，而且由于水平贴壁保温材料的熔化、滴落并没有远离保温材料，而是在残留在PVC隔板上，进而也加速了硬PU的热解。

3种建筑外墙保温材料的质量损失实际上是EPS、XPS及硬PU在被点燃后，由于热量不断积累，固体材料不断热解，进而形成可燃性挥发物燃烧的过程。如图4所示，以EPS建筑外墙保温材料为例，描述了EPS建筑外墙保温材料燃烧的火蔓延过程。从EPS一端点燃后，这个区域定义为EPS火蔓延过程的预热区；随着燃烧的发展，由于燃烧过程中对流、传导、辐射效应，燃料挥发，此区域定义为热解区，由于试验研究的是建筑外墙水平火蔓延规律，故热解区占据EPS板中部较大区域；在EPS板即将燃尽时，沿着火蔓延方向尚无可热解燃料，该区域定义为EPS的燃尽区。

图4 建筑外墙保温材料火蔓延过程机制Fig.4 Mechanism diagram of fire spread process of building external wall insulation material

根据火蔓延速率与质量损失速率的关系，火蔓延速率v为：

(1)

式中：v为火蔓延速率，cm/s；W′为质量损失速率，g/s；l为保温材料宽度，cm；d为保温材料厚度，cm；ρ为保温材料密度，g/cm3。

根据式(1)，建筑外墙保温材料的火蔓延速率与质量损失速率成正比，保温材料宽度、厚度及密度由表1可知，故可求得峰值火蔓延速率、平均火蔓延速率。试验中EPS、XPS、硬PU 3种建筑外墙保温材料的平均质量损失速率、峰值质量损失速率、平均火蔓延速率及峰值火蔓延速率，见表2。结合表2，3种建筑外墙保温材料的平均质量损失速率与平均火蔓延速率由大到小依次为EPS、XPS、硬PU。可以得到XPS燃烧结束后产生的灰烬较多，为10.9 g，其燃烧所花时间也最长，为600 s，但其燃烧过程中的质量损失速率、火蔓延速率并不是最大，这说明建筑外墙保温材料的火蔓延特性是由材料本身特性、环境条件等多因素耦合影响的结果。

表2 3种建筑外墙保温材料的火蔓延特性

2.2 火焰温度

火焰温度是火焰的主要特征之一，也是评价火灾危险性的重要指标，在一定程度上会影响可燃材料的燃烧特性及火蔓延。试验中按照相同规格长、宽、厚分别为50.0 cm、8.0 cm、1.8 cm的尺寸截取EPS、XPS及硬PU 3种建筑外墙保温材料，将用8个K型热电偶组成的阵列放在建筑外墙保温材料沿水平火蔓延方向的中轴线上方，用于测量建筑外墙保温材料燃烧时的表面温度。

整理试验数据，绘制3种建筑外墙保温材料水平火蔓延过程时中轴线上方温度与时间的变化趋势，如图5所示，得出EPS、XPS及硬PU水平火蔓延时各处温度变化情况。以EPS为例，试验中从EPS左端引燃，之后逐渐向右蔓延。当火源靠近T0热电偶时，T0热电偶测得的温度会持续升高，直到峰值，试验中XPS和硬PU中轴线T0处温度升高的主要原因也是如此。由于EPS燃烧后，火焰会向右侧蔓延，故T0～T7这8个热电偶所测温度均呈现先上升，达到峰值后再下降的趋势。对于EPS、XPS及硬PU这3种建筑外墙保温材料，8个热电偶之间存在一定间隔，可以间接反映出外墙保温材料火蔓延过程的3个区域，分别为预热区、热解区、燃尽区。对于火蔓延过程中的温度变化，结合图5试验数据，针对火蔓延过程的3个区域，将3种建筑外墙保温材料火蔓延过程中的温度变化分成3个阶段：预热阶段(熔融热解)、稳定燃烧阶段(热解蒸汽持续燃烧)、熄灭阶段。T7热电偶位于保温材料的末端，所测得的温度出现1个小波峰，是因为在此处空气充足，残余保温材料完全燃烧，火焰温度较高。对于3个燃烧阶段，稳定燃烧阶段峰值温度相对较高，根据图中8个热电偶所测得温度最大值来评估3个区域大致位置。EPS板最高温度由T4测得，XPS及硬PU板的最高温度均由T2测得，可见，随着燃烧的发展，3种材料的热解速率不一致，XPS和硬PU相对易燃。

图5 3种建筑外墙保温材料水平火蔓延过程中轴线上方温度与时间曲线Fig.5 Temperature and time curves above the axis in the process of horizontal fire spread of three kinds of building external wall insulation materials

2.3 辐射热

作为火灾源头的辐射热能够反映火源能量大小及扑灭难度，是衡量火灾发展和危险性的重要参数。EPS、XPS及硬PU 3种建筑外墙保温材料的辐射热与时间的变化曲线如图6所示。EPS、XPS辐射热曲线存在2个波峰，这可能是由于火蔓延过程中火焰羽流浮力作用，热空气向上流动，空气卷吸对未燃区热反馈加大，在保温材料燃烧一半以上后两端空气充足，燃料完全燃烧，使得温度再次升高，辐射热增加。EPS、XPS及硬PU 3次重复试验的重复性较好，且辐射热曲线均呈现先上升后下降趋势，这是因为保温材料在火蔓延过程中存在预热区，之后在稳定燃烧阶段，辐射热达到峰值，直到熄灭阶段，辐射热逐渐下降。另外由于热辐射测量仪位置固定，距离保温材料中心40.0 cm，从保温材料一端点燃后，随着燃料燃烧，火源增长，火焰距离辐射测量仪越近，导致辐射热增加。但是，相对而言，XPS辐射曲线坡度较平缓，硬PU辐射曲线左侧辐射热几乎直线增加，明显强于XPS和EPS。然而从辐射热峰值来看，EPS辐射热最大，约为100 W/m2，燃烧最为强烈，火灾危险性大。3种保温材料在引燃后，硬PU率先在最短时间内到达峰值，EPS次之。因此，从可燃材料燃烧时的辐射热角度来看，3种典型外墙保温材料的火灾危险性由大到小分别为EPS、XPS、硬PU。

图6 3种建筑外墙保温材料的辐射热与时间的关系曲线Fig.6 Relation curve between radiant heat and time of three kinds of building external wall insulation materials

3 结论

本文在低压低氧试验舱中开展EPS、XPS及硬PU 3种典型建筑外墙保温材料的燃烧及水平贴壁火蔓延试验，研究建筑外墙保温材料的燃烧特性及火蔓延行为。对质量损失速率、火焰温度及辐射热进行了测量和分析，主要结论如下：

1)试验中3种典型建筑外墙保温材料EPS、XPS及硬PU燃烧后质量逐渐减小(质量损失曲线近似服从二次曲线)，直至全部变为炭黑，这与一般固体燃料燃烧规律类似。EPS、XPS及硬PU的峰值质量损失速率分别为0.092 g/s、0.071 g/s、0.080 g/s，平均质量损失速率与平均火蔓延速率由大到小依次为EPS、XPS、硬PU，说明典型建筑外墙保温材料易燃速度、火蔓延速度相对较快。建筑外墙保温材料火蔓延过程中可分3个燃烧区域，分别为预热区、热解区、燃尽区。

2)开展多次重复燃烧试验，得到在建筑外墙保温材料火蔓延过程中燃烧温度变化的3个阶段，分别为预热阶段(熔融热解)、稳定燃烧阶段(热解蒸汽持续燃烧)、熄灭阶段。3个燃烧阶段中，稳定燃烧阶段是燃烧过程中的高峰期，峰值温度相对较高。3种保温材料在100 s左右进入稳定燃烧阶段，故在典型建筑外墙保温材料的火灾消防中，应尽可能在100 s前扑灭火灾，防止火势进一步扩大。而在熄灭阶段出现的小波峰，是因为此处空气充足，残余外墙保温材料完全燃烧，火焰温度较高。另外，试验中发现硬PU的预热阶段时间最短，这说明硬PU相对EPS、XPS更易燃，需注意硬PU的阻燃处理，这也为不同保温材料的分区、分类防火阻燃提供了参考依据。

3)多次重复性试验表明，EPS、XPS及硬PU的辐射热曲线均呈现先上升后下降趋势，与理论上的质量损失速率(热释放速率)变化趋势一致。而EPS、XPS的辐射热曲线存在的2个波峰，很可能是由于火蔓延过程中火焰羽流浮力作用，热空气向上流动，空气卷吸对未燃区热反馈加大，在保温材料燃烧一半以上后两端空气充足，燃料完全燃烧，辐射热增加。试验中发现，EPS辐射热最大，为100 W/m2，燃烧最为强烈。3种典型外墙保温材料的火灾危险由大到小分别为EPS、XPS、硬PU，表明XPS火灾危险性相对较大。