拉薩和合肥環境下不同厚度保溫材料EPS火蔓延特性研究＊

黃新杰,紀 杰,張 英,張 毅,孫金華

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室,安徽合肥 230026)

0 引言

硬質閉孔聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)彩鋼夾芯板是目前國際特別是國內市場上一種使用非常普遍的輕質新型建材保溫材料[1]。EPS芯材接近熱源或火源時較易發生明火燃燒,在受火區表面產生黃橙色火焰并快速向芯材其它部位傳播,芯材則軟化、收縮、熔融和滴落,在空中和地面形成流竄火和流淌火,同時釋放大量熱量、黑煙和有毒有害氣體,導致現場極具危險性且難撲救。

例如:2007年10月3日,新疆吐魯番市新拓市場發生火災,過火面積1 383.4 m2。火災造成1人死亡,起火材料為EPS彩鋼夾芯板,耐火性能差。因此,系統地研究保溫材料的火蔓延特性,具有重要的現實意義。

根據固體材料表面火蔓延過程中,熱穿透厚度和保溫材料半厚度的關系,可以將保溫材料分為熱厚型材料(d＜L),以及熱薄型材料(d＞L)[2]。C.diBlasi等[3-4]通過數值模擬研究了材料的厚度對火蔓延的影響,根據材料的厚度與火蔓延特性的關系將其分成三種類型,即:化學動力學控制型、熱薄型和熱厚型。化學動力學控制型,材料的厚度非常薄,有限化學動力學控制了火蔓延的速度,火蔓延速度隨著厚度的增加而增加,同時火焰和熱解區的長度非常短;熱薄型,材料的厚度比較薄,火蔓延速度隨著厚度的增加而減小;熱厚型,材料的厚度比較厚,火蔓延速度基本上不隨著厚度的增加而變化。Subrata Bhattacharjee等[5]研究了在靜止的微重力環境下,PMMA和纖維素物質火焰熄滅的臨界厚度。研究表明,在靜止的微重力環境下,所有物質能夠進行穩態火蔓延燃燒,均為熱薄型物質。同時,從固體表面輻射損失的角度,得到了火蔓延過程中材料的臨界厚度。當材料的厚度大于臨界厚度或材料的無量綱輻射數大于0.25,火焰將熄滅,火蔓延不能維持。Mojtaba Mamourian等[6]實驗研究了三種厚度的PMMA薄片垂直向下的火蔓延情況。通過一維熱量傳遞模型,得到了火蔓延速度和材料厚度的關系,即火蔓延速度隨著厚度的增加而降低,最終趨于一個常數的關系。由于保溫材料EPS密度非常小,燃燒過程中,收縮熔融,其火蔓延情況比較復雜,到現在為止,關于厚度對保溫材料火蔓延特性的研究相對較少。同時,針對不同厚度的保溫材料在高原環境(低壓低氧)下火蔓延特性研究幾乎是空白,僅有幾篇關于可碳化固體可燃物在高原地區的火蔓延特性研究。因而有必要研究不同厚度保溫材料在不同外界環境下火蔓延特性。

本文對常用的保溫材料EPS,分別在拉薩高原環境和合肥平原環境下進行了小尺寸火蔓延實驗。選取了材料的厚度為2 cm、3 cm、4 cm、5 cm四種厚度,材料的寬度為4 cm,長度為80 cm。對保溫材料EPS在兩地火蔓延過程中火蔓延速度、平均池火長度、平均最大火焰高度等特性參數進行了分析。

1 實驗

1.1 實驗系統

實驗是在小尺寸火蔓延實驗臺進行的。實驗系統如下圖1所示,由以下2個部分組成:(a)旋轉式實驗支架系統,包括旋轉實驗支架和石膏板。在石膏板上放有保溫材料,可進行保溫材料在不同放置角度下單面火蔓延實驗;(b)火蔓延特性測量系統,包括熱電偶、輻射熱流計、攝像機以及數據采集器和熱流采集器。通過熱電偶可以測定保溫材料火蔓延過程中氣相溫度的變化以及保溫材料表面和內部溫度的變化;通過熱流計可以測定火蔓延過程中熱輻射通量的變化;通過攝像機拍攝保溫材料火蔓延的動態過程,得到保溫材料的熱解前鋒位置和時間的關系。

圖1 保溫材料EPS小尺寸火蔓延實驗系統

1.2 試樣準備和實驗測量

通常建筑保溫材料EPS的規格為5 cm厚[7],本次實驗中選取EPS厚度為2 cm、3 cm、4 cm、5 cm四種,長度和寬度分別為80 cm和4 cm,密度為18 kg/m3。試樣的底表面用鋁箔進行包裹,起到隔熱和防止熔融的保溫材料流淌到石膏板上。在試樣的上表面每隔5 cm畫一條平行線,便于拍攝火蔓延過程中,不同時刻熱解前鋒的瞬時位置。

2 實驗結果及分析

保溫材料火蔓延實驗分別在高原環境的拉薩和具有平原環境的合肥進行的。實驗時兩地地理氣象條件如上表1所示。

表1 兩地地理氣象條件

分別在兩地對四種厚度的EPS進行了火蔓延實驗,得到了火蔓延速度,平均池火長度,平均最大火焰高度等特征參數的變化規律。

2.1 不同厚度保溫材料EPS火蔓延特點

圖2是厚度分別d=2 cm,3 cm,4 cm,5 cm的四種EPS,在拉薩環境下的火焰形狀圖,起始時刻t=0 s定義為熱解前鋒火焰蔓延經過20 cm位置處的時刻。火焰結構示意圖如圖3所示。從圖2可以看出,對于不同厚度EPS在火蔓延過程中,熱解前鋒在相同時刻的位置有所不同,即不同厚度EPS火蔓延速度有所不同。同時,不同厚度EPS在火蔓延過程中,平均池火長度,平均最大火焰高度均有所不同。同樣這四種厚度EPS在合肥環境下,火蔓延速度,平均池火長度,平均最大火焰高度隨著厚度的變化有著和拉薩相似的規律。

2.2 不同厚度EPS火蔓延速度

圖2 拉薩環境下不同厚度EPS不同時刻火焰形狀

圖3 EPS火蔓延過程中火焰結構簡圖

如圖4所示,無論在拉薩和合肥環境下,四種厚度EPS火蔓延過程中熱解前鋒位置和火蔓延時間近似呈線性關系,即火蔓延速度為一常數,直線的斜率為火蔓延速度的大小。從圖4(a),可以看出,不同厚度EPS在拉薩低壓低氧環境下,火蔓延速度隨著厚度增加,而略有增加,但是這種增幅不是很明顯。厚度為2 cm的EPS,在火蔓延過程中,出現了熄滅的現象。這主要由于,2 cm厚EPS火蔓延過程中,熱解熔融的EPS越來越少,使得表面燃燒火焰區(如圖3所示)火焰高度越來越低以及池火長度越來越短,火焰的熱釋放速率越來越小,因而使得EPS預熱區接受到的熱量越來越少,最終導致火焰的熄滅。而在合肥常壓常氧的環境下,如圖4(b)所示,隨著厚度的增加,火蔓延速度有逐漸增大的趨勢,這種增加的幅度明顯地高于在拉薩火蔓延情況下,說明在更高的壓力和氧氣濃度下,保溫材料EPS火蔓延速度對厚度的敏感性越大。2 cm厚的EPS,在合肥進行火蔓延實驗時,沒有出現熄滅的情況。這主要由于,合肥的大氣壓力和絕對氧氣濃度相應地比較大,更容易促進EPS的燃燒。同時,對于同種厚度的EPS,在拉薩的火蔓延速度均要小于合肥的。說明大氣壓力和絕對氧氣濃度的增加將促進保溫材料EPS火蔓延的進行。

2.3 平均池火長度和池火區平均最大火焰高度

分別對2 cm、3 cm、4 cm、5 cm厚的保溫材料EPS,在拉薩和合肥火蔓延過程中,1～80 s時間內,池火區長度和池火區最大火焰高度進行了測定。

圖4 不同厚度EPS兩地火蔓延過程中熱解前鋒-時間圖

圖5為四種厚度的EPS在兩地火蔓延過程中,測得的平均池火長度。從圖5中可以看出,隨著厚度的增加,無論在拉薩和合肥地區,平均池火長度均有增加的趨勢,當厚度比較大的時候,這種增加趨勢比較小。同時,同種厚度EPS的平均池火長度在合肥情況下均要高于在拉薩情況下。說明,在厚度比較小的情況下,此時保溫材料厚度以及大氣壓力和氧氣濃度共同影響著平均池火長度;而當厚度比較大的時候,厚度對平均池火長度的影響越來越弱,這時,大氣壓力和絕對氧氣濃度主要影響著平均池火長度。

圖5 不同厚度EPS兩地平均池火長度

同時,對四種厚度EPS在兩地火蔓延過程中,池火區最大火焰高度進行了測定。得到兩地不同厚度EPS平均最大火焰高度,如下圖6所示。

圖6 不同厚度EPS兩地平均最大火焰高度

從圖6可以看出,同種厚度EPS的平均最大火焰高度在合肥情況下均要高于在拉薩情況下。在拉薩環境下,隨著保溫材料厚度的增加,平均火焰高度呈線性增加的趨勢。然而,在合肥環境下,保溫材料厚度從2 cm到3 cm,平均最大火焰高度增加的比較明顯,之后,隨著厚度的增加,火焰高度增加的很小。說明,在拉薩低壓低氧環境下,保溫材料EPS厚度對平均最大火焰高度的影響比較大;而在合肥常壓常氧環境下,只有在保溫材料厚度比較小的時候,厚度才對平均最大火焰高度有著比較大的影響。

3 結論

通過對常用的保溫材料EPS,厚度為2 cm、3 cm、4 cm、5 cm,長度80 cm和寬度4 cm,分別在拉薩高原環境和合肥平原環境下進行小尺寸火蔓延實驗。分析了在水平放置的情況下,火蔓延過程中火蔓延速度、平均池火長度、平均最大火焰高度等特性參數的變化規律,得到:

(1)保溫材料EPS在兩地火蔓延過程中,隨著厚度的增加,火蔓延速度均有增加的趨勢,在合肥地區,增加趨勢越明顯。

(2)在拉薩和合肥兩地,保溫材料隨著厚度的增加,平均池火長度呈現出逐漸增加的趨勢,當厚度比較大的時候,增加趨勢不明顯。

(3)在拉薩,隨著厚度的增加,平均火焰高度呈線性增加的趨勢;而在合肥,只有當厚度比較小的時候,厚度才對平均最大火焰高度有著比較大的影響。

(4)同種厚度EPS火蔓延速度、平均池火長度以及平均最大火焰高度在合肥情況下均要大于在拉薩情況下。

[1] 吳振坤,顏東升,尤飛.聚苯乙烯泡沫芯材的燃燒特性及其在火災事故原因調查中的應用[J].火災科學,2007,16(3):180-184.

[2] MoghtaderiB,NovozhilovV,FletcherD,et al.An integralmodel for the transient pyrolysis of solid materials[J].Fire andMaterials,1997,21:7-16.

[3] JeffW,Matt K,Subrata B I,et al.Heat transfer pathways in flame spreading over thick fuels as a function of the flame spread regime:micro gravity,thermal,and kinetic[J].Com bust-ion Science and Technology,1997,127(1):119-140.

[4] Colomba D B.Influences of sample thicknesson the ear-ly transient stages of concurrent flame spread and solid burning[J].Fire Safety Journal,1995,25:287-304.

[5] Bhattacharjee S,Wakai K,Takahashi S.Prediction of a cri-tical fuel thickness for flame extinction in a quiescent mic-rogravity environment[J].Combustion and Flame,2003,132(3):523-532.

[6] Mamourian M,Esfahani J A.,Ayani M B.Experimental and scale up study of the flame spread over the PMMA sheets[J].Thermal Science,2009,13(1):79-88.

[7] 劉建國.外墻粘貼聚苯乙烯板外保溫施工[J].建筑施工技術,2007,139(1):21-26.