建筑外保温夹芯板燃烧实验研究

邹星明

(徐州市消防救援支队，江苏 徐州 221000)

0 引言

金属夹芯板具有质量轻便、使用安装高效、便于安装、防火和耐火性能好、保温和隔热性能好、强度高、可塑性强、防环保噪声、美观等优点，得到广泛应用[1-2]。虽然金属夹芯板的两层成型金属面板使得金属夹芯板具有较好的防火性能，但是由于金属夹芯板的芯材多是易燃的高分子材料，使得金属夹芯板建筑具有一定的火灾隐患，燃烧时容易出现板材熔融滴落现象，也给发生火灾创造了条件，因此有必要对金属夹芯板燃烧时的特性进行研究[3]。

1 金属夹芯板的特性

金属夹芯板的燃烧是一种固体燃烧。保温材料有热固性和热塑性两类。本实验采用的PE夹芯板的芯材为聚乙烯，是厚度为4 mm的建筑幕墙用铝塑板，金属层为铝合金，芯材为聚乙烯，是一种常用的保温夹芯板，也是一种保温性能较好的热塑性保温材料[4]。

1.1 固体可燃物及其着火特征

固体可燃物是火灾中最普遍的燃料。固体在燃烧过程中，一般先是由于受热而融化生成可燃液体，可燃液体受到热量的作用而生成可燃气体，或者是通过汽化、热解生成可燃气体，可燃气体与空气混合生成混合可燃气体，遇到火源点燃而着火，燃烧产生的热量进一步影响可燃物的熔融、汽化、热解过程，从而使燃烧一直持续下去，直到熄灭。

1.2 热塑性材料及其着火特征

热塑性材料主要由热塑性树脂构成，一般热塑性塑料中的高聚物分子量可以达到几十万到100万。热塑性材料加热时变软以至流动，冷却变硬，这种过程是可逆的，可以反复进行。

热塑性高聚物的燃烧过程大致包括受热发生软化熔融反应、在一定温度下发生热分解反应以及温度达到着火点发生燃烧，其中这3个阶段包含了多个十分复杂的化学和物理变化。具体特征为：火焰温度高、放热量高、产烟量大、燃烧产物危害性大。

2 实验平台及实验步骤

2.1 实验平台

本实验主要是利用自制的小尺寸燃烧实验平台进行试验，该平台主要由建筑幕墙用铝塑板、燃烧器、2台摄像机、热电偶、数据采集系统、称重系统组成。实验装置如图1所示。

图1 实验装置

实验装置整体由自主搭建的试验台形成，主要包括实验架、燃烧器、瓶组等。燃烧所用燃料为异丙烷，功率为5 kW，图2为实验时所用的金属夹芯板和测点分布。

图2 金属夹芯板及测点分布

2.2 实验步骤

1)在实验所用的板材上打好钻孔，用以布置热电偶，收集数据。在打钻时要注意，不能使钻孔贯穿整个夹芯板，因为如果热电偶贯穿整个金属夹芯板时，会使得在实验过程中测的温度数据并不是夹芯板板材的数据，而是该处外界热环境的数据，从而造成测量误差。

2)在实验前将金属夹芯板固定于试验台上，具体操作是用螺钉、螺母将金属夹芯板固定于实验台上的石棉板材上，并且使金属夹芯板距离电火装置上侧3 cm处，将热电偶的探头按照顺序插入事先打好的钻孔中，并连接上处理装置和计算机。

3)点火进行实验，火源用异丙烷作为燃料，燃烧器的热释放速率为5 000 W，打开异丙烷瓶组阀门，并将燃烧器通电，得到稳定的金属夹芯板着火实验引火源，观察，记录整个过程各个测点的温度变化过程，每隔10 s，测量一次数据。

4)分别以25 cm×25 cm、30 cm×25 cm、35 cm×25 cm、40 cm×25 cm尺寸的夹芯板为实验对象，开展4组实验。

3 金属夹芯板燃烧温度规律实验数据及分析

3.1 实验数据处理及描述

实验中通过热电偶系统可得到4组数据，数据处理后得到金属夹芯板4个测点的变化规律如图3～6所示。由图可知，在同一时间不同位置的测点温度有规律的变化，距离火源的距离越大，该测点的温度越低。

图3 25 cm×25 cm金属夹芯板测点温度变化曲线

4个测点的温度在夹芯板燃烧的起初阶段，温度上升的趋势较缓，燃烧发展后(27～35 ℃)夹芯板的温度急剧增加，当温度增加至220～280 ℃时，温度增加的趋势变缓，且各测点的温度出现较明显的差异，当燃烧发展至700～800 s时，各测点的温度差值逐渐增大，第1测点明显高于其他测点，且此时各测点温度变化的趋势变缓。

图4 30 cm×25 cm金属夹芯板测点温度变化曲线

图5 35 cm×25 cm金属夹芯板测点温度变化曲线

图6 40 cm×25 cm金属夹芯板测点温度变化曲线

4个测点的温度上升速度，均随着金属夹芯板尺寸的增大而减缓，但是随着燃烧的发展，尺寸大的金属夹芯板的温度比尺寸小的金属夹芯板的温度要高。

在对35 cm×25 cm、40 cm×25 cm的金属夹芯板进行实验时，会出现第4测点比第3测点、甚至比第2测点温度高的情况。

3.2 金属夹芯板燃烧时的温度分析

最初，金属夹芯板上的4个测点温度上升迅速，且各测点的温度相差不大。这可能是由于在加热初期，金属夹芯板的铝合金受热在铝合金上发生热传导，并且由于金属的导热系数较大，使得热量上升迅速，各测点均受到火源散发的热量，使得自金属夹芯板由上向下温度逐渐上升。但是由于夹芯板燃烧以前有一个热量集聚的过程，因此此时各测点温度变化不大。加热到一定程度后，夹芯板各测点的温度急剧上升，且各测点之间的温度差值逐渐增大。此时金属夹芯板的芯材温度达到着火点，芯材开始燃烧，使得夹芯板的温度进一步迅速增高。

燃烧继续发展，各个测点的温度上升速度减缓，测点之间的温度差进一步增大。继续发展，第1测点的温度相比于其他测点明显增大，各个测点之间的温度差也进一步增大。这可能是由于铝合金对燃烧额蔓延起着一定的限制作用，使得芯材的燃烧得不到足够的氧气，燃烧速度减缓，使得温度上升趋势减缓。此时由于第2测点、第3测点、第4测点不发生燃烧反应，因此这3个测点接收的热量主要是来自热辐射、热传导、热对流。因此温度比第1测点要低。

燃烧进行至1 500 s时，各测点的温度基本保持在稳定值。这是因为，此时夹芯板的铝合金被破坏，可燃的芯材能够与氧气充分接触，燃烧进入到充分燃烧阶段，温度达到最大值。

4个测点的温度上升速度，均随着金属夹芯板尺寸的增大而减缓，但是随着燃烧的发展，尺寸大的金属夹芯板的温度比尺寸小的金属夹芯板的温度要大。这是因为金属夹芯板的尺寸越大，升温时需要的热量越多，因此起初点燃时，温度上升速度随着实验所用的金属夹芯板的尺寸的增大而降低。

在对35 cm×25 cm、40 cm×25 cm的金属夹芯板进行实验时，会出现第4测点比第3测点、甚至比第2测点温度高的情况。这可能是由于，在对35 cm×25 cm、40 cm×25 cm的金属夹芯板进行实验时，在金属夹芯板会出现明显间断的闪燃火焰，火焰使得金属夹芯板第4测点的温度变大。

4 结语

金属夹芯板外层的铝合金面层会对夹芯板的燃烧起到制约作用，限制夹芯板的燃烧蔓延速度。金属夹芯板在燃烧时，其温度由火源向四周逐渐降低，且整个金属夹芯板的最高温度始终在受火源加热的底部。金属夹芯板的温度起初上升较慢，然后急剧增加，之后缓慢增加。