生物秸稈不燃板房安全防火間距試驗

王厚華，季文慧，宋曉勇，李 偉

(1.重慶大學 城市建設與環境工程學院，重慶 400045；2.四川省消防總隊防火部，四川 成都 610036；3.威特龍消防安全集團股份公司，四川 成都 611730)

我國地域遼闊，人口眾多，多變的氣候、復雜的地質等蘊災環境使得我國成為世界上自然災害最嚴重的少數國家之一[1].在重大災害發生后，確保受災民眾得以妥善安置，并預防次生災害的發生尤為重要.災區的臨時安置以及施工現場的活動板房多采用以發泡聚苯乙烯泡沫(EPS)作為芯材的彩鋼夾芯盒式組合板房，防火阻燃性能均得不到保障，存在消防安全隱患問題[2].根據相關文獻[3-4]，彩鋼板導熱系數較大，在受到高溫熱源作用時極易變形，EPS芯材在200 ℃時會發生熔融并產生可燃氣體，熔融物滴落流動形成熔融帶，遇到明火即會著火燃燒，因此很容易導致火勢蔓延；當達到495 ℃時EPS芯材會自行持續燃燒并產生大量黑煙.此外，用于過渡安置的活動板房材料大多不可降解，在拆除臨時板房后將產生大量的固體廢料，需要大量經費進行處理，若處置不當還會對當地的生態環境造成巨大威脅[5].

目前，關于災區安置點臨時建筑安全間距僅有針對彩鋼EPS夾芯板的全尺寸火災實驗研究.包光宏等[6]分析了阻燃型和非阻燃型EPS彩鋼板活動房屋的火災燃燒特性，基于實測結果建議板房鄰棟間距為3 m，同時每隔2棟設1條消防通道，接民用建筑耐火等級為3級設置間距為8 m.王厚華[7]、宋曉勇[8]等進行了彩鋼EPS夾芯板房的火災試驗，測試現場的氣象條件為晴天無風，初始環境溫度為15.7 ℃，空氣相對濕度80%.彩鋼EPS夾芯板房的火災試驗過程中，著火板房所在的整排板房均被燒毀，間隔1.9 m的臨棟板房在靠近著火板房的一側因受到熱輻射作用產生不同程度的變形.李東書[9]、李亞鵬[10]基于實體測試結果，根據美國消防規范NFPA的研究結果以10 kW·m-2作為熱輻射強度臨界值，采用MATLAB軟件對著火板房外的熱輻射強度峰值進行回歸分析，得出以下結論：組團內板房行間距不應小于4 m，組團之間的防火間距應不小于5 m；若當地可能出現極端大風天氣，組團之間的防火間距應不小于8.5 m.

以上研究結果表明，彩鋼夾芯板材的大規模使用對環境有害，且對安全間距要求很高，不利于災區臨時建筑的密集安置.因此，活動板房應采用環保型不燃或難燃材料.近年來，新型的防火型秸稈復合板材以天然礦粉、農作物秸稈、鋸末、草灰等植物纖維為主要原料，具有耐火性能好，火焰形成速度低，高溫熱解時有害煙氣產生量少等特點[11-12]，符合現行國家標準《建筑材料及制品燃燒性能分級:GB 8624—2010》定義的不燃A(A1)級.應用該種阻燃型生物秸桿板材既可以變廢為寶，又可以提高板房的防火性能.

為了研究真實條件下新型生物秸稈不燃板房的火災蔓延規律，本文開展了全尺寸火災試驗，分析該板房在失火后的火災蔓延特性，并以臨界熱輻射強度作為判斷標準，確定生物秸稈不燃板房的防火間距要求，為相關標準規范的制定提供理論支撐和試驗依據.

1 試驗概況

全尺寸火災試驗于2017年7月在四川省成都市某待建工地進行.圖1中三排白色板房即為本次試驗板房，板房平面布置如圖2所示.試驗所用的板房材料均為生物秸稈環保型防火板.A、B兩排板房的間距為1 m，A、C兩排板房的間距為5 m，平行排列.單間板房寬度為3.6 m，進深4.8 m，板房坡屋面屋脊高3.1 m，檐口高2.7 m.所有試驗板房采用的門窗尺寸相同，門尺寸均為0.8 m×2.1 m，窗尺寸均為0. 8 m×1.2 m.

圖2 板房及室內家具的平面布置圖Fig.2 Layout of straw houses and indoor furniture

實測現場的氣象條件為晴天，初始時刻的環境溫度為32 ℃，空氣相對濕度為48%，風速為0.5 m·s-1，風向為西風.板房內均放置有災區居民日常所需的床、衣柜、沙發和桌椅.圖3為板房A4室內的可燃物布置.

圖3 板房A4室內可燃物布置Fig.3 Layout of combustible furniture in Room A4

2 測試系統

為了測定板房的安全防火間距，設置室內外的溫度測點及室外熱輻射強度測點.圖4為板房A4的室內外空氣溫度、室外熱輻射強度及壁溫測點的布置圖.著火板房A4室內正中距地面高度z=1.8 m和z=2.8 m處分別設置室內空氣溫度測點T29和T30；在著火板房外距地面高度z=1.8 m，沿x軸正向距板房正面x=1～10 m處分別設置10個室外空氣溫度測點T1～T10，每個溫度測點的間距為1 m；在著火板房A4外距地面高度z=1.6 m，沿x軸正向距板房正面x=1～8 m處分別設置8個室外熱輻射強度測點R1～R8，每個熱輻射強度測點的間距為1 m.圖5為著火板房A4右側板房A5的室內外空氣溫度測點及壁溫測點的布置圖.板房A5的室內正中距地面高度z=1.8 m和z=2.8 m處分別設置室內空氣溫度測點T31和T32；在測試板房A5外距地面高度z=1.8 m，沿x軸正向距板房正面x=1～8 m處分別設置8個室外空氣溫度測點T17～T24，每個溫度測點之間的距離仍為1 m.此外，為了測定板房材料的隔熱性能，在A4和A5兩個相鄰板房之間的隔墻兩側分別設置壁溫測點：A4板房內壁面距地面高度z=1.8 m、z=2.8 m處分別設置壁溫測點T33和T34，A5板房內壁面距地面高度z=1.8 m、z=2.8 m處分別設置壁溫測點T35和T36.

a 立面圖

b 平面圖圖4 著火板房A4室內外的溫度和熱輻射強度測點(單位:m)Fig.4 Locations of thermocouples and thermal radiation testers of Room A4(unit: m)

a 立面圖

b 平面圖圖5 板房A5室內外的溫度測點(單位:m)Fig.5 Locations of thermocouples of Room A5(unit: m)

采用WRK型鎳鉻-鎳硅鎧裝熱電偶測量各測點溫度，該熱電偶的測量范圍為-40～1 100 ℃，測量誤差為±1.5 ℃，試驗前均進行了熱電偶標定和校驗；采用SWP-ASR型數據采集儀實時采集并記錄溫度數據，板房外部的熱輻射強度值采用ZX7M-MR-5型熱輻射計測定，測量精度為±5%.

3 試驗結果

3.1 生物秸稈不燃板房的火災試驗場景

試驗前，門、窗均為關閉狀態.采用汽油先引燃A4板房內的床褥等織物，隨后木質家具等相繼被引燃.由于燃燒會消耗大量氧氣，點火后約46 s時A4板房的外門在負壓作用下打開，約85 s時A4板房的窗戶破裂.圖6為著火板房A4窗戶破裂后的火災現場照片，此時A4板房內可燃物均已被引燃，火災處于旺盛期，僅有少量白色煙霧從門窗處噴出，板房結構未被破壞；相鄰的A3及A5板房均有少量煙霧產生，但毗鄰板房未見明火，表明A4板房著火并未發生橫向蔓延；間隔1 m處的B4板房墻體無明顯熱變形.火災發生20 min后，A4板房內的可燃物燃盡，板房結構保存依然完整，如圖7所示.毗鄰的A5板房窗戶崩壞，其余板房均未受損.

圖6 火災試驗現場Fig.6 Photo of the field experiment

3.2 著火板房A4的室內外溫度實測結果

圖8為著火板房A4在火災發生后的室內空氣溫度變化曲線.隨著火災的發展，著火板房室內空氣溫度在著火后迅速升溫，當溫度達到最大值后緩慢降低.由于A4板房內可燃物的擺放高度較低，因此升溫階段z=1.8 m處測點T29的空氣溫度更高；房間內可燃物充分燃燒后，高溫煙氣羽流浮升聚集在頂棚下部，因此在溫度逐漸降低的階段z=2.8 m處測點T30的空氣溫度更高.

圖8 板房A4室內溫度隨時間的變化曲線Fig.8 Temperature versus time of room temperature of Room A4

圖9為著火房間A4室外不同距離處的溫度測點的實測結果.由于測點T6～T10的溫度曲線難以區分且對結果影響不大，因此本文僅給出T1～T5的溫度曲線.根據火災現場的視頻圖像以及實測溫度曲線，著火房間外z=1.8 m處各測點的溫度值約在150 s時窗戶玻璃破裂后迅速上升，距離著火板房最近的T1測點的溫度上升幅度尤為顯著.A4板房內可燃物均被引燃，由于板房材質采用的生物秸稈板屬于不燃材料，因此在220 s左右T1～T5測點溫度達到最大值之后隨即降低，火勢隨可燃物逐漸燃盡而減小，400 s后T1測點溫度降至50 ℃以下.對于T3～T5測點，室外空氣溫度最大值為47 ℃，表明防火間距大于3 m可以保障人員安全疏散.

圖9 板房A4室外溫度隨時間的變化曲線Fig.9 Temperature versus time of outdoor temperature of Room A4

3.3 板房A5的室內外空氣溫度實測結果

圖10為著火板房A4右側相鄰板房A5的室內空氣溫度的實測結果，測點溫度先增大后減小，在A4前窗玻璃破裂后，A5板房受到熱煙氣的影響，室內空氣溫度迅速上升；當A4板房火勢進入衰減期后，A5板房室內溫度也隨即降低.在整個火災過程中，距離地面2.8 m處測點T32的溫度值明顯高于距離地面1.8 m處測點T31的溫度值，表明高溫煙氣聚集在房間上部.與圖8中A4板房的室內空氣溫度值比較，A5板房室內空氣溫度的峰值明顯低于A4板房的室內空氣溫度峰值，且A5板房室內峰值溫度出現的時刻存在延遲.

圖10 板房A5室內溫度隨時間的變化曲線Fig.10 Temperature versus time of room temperature of Room A5

圖11為A5板房室外空氣溫度測點T17～T20的實測值.由于本次試驗中板房采用不燃材料，板房A5并未被引燃，因此A5板房外各測點T17～T20的空氣溫度均顯著低于A4板房外相同距離處的測點T1～T4的溫度值.火災發生300 s后A5板房室外溫度均低于40 ℃，表明人員可以安全疏散.

圖11 板房A5室外溫度隨時間的變化曲線Fig.11 Temperature versus time of outdoor temperature of Room A5

3.4 著火板房與鄰室的壁溫實測結果

圖12為著火板房A4與右側相鄰板房A5的隔墻壁面溫度的實測結果，T33和T34為A4板房的內壁面溫度，T35和T36為A5板房的內壁面溫度.由圖12的實測數據可知，著火板房A4的內墻壁面峰值溫度為786 ℃，隔墻另一側的壁面峰值溫度為192 ℃，表明板房所采用的生物秸稈防火板材的隔熱阻燃性能優異，可以大幅減小火災對鄰室的影響，為室內人員的安全疏散創造有利條件.

圖12 板房A4與A5隔墻兩側的壁面溫度隨時間的變化曲線Fig.12 Wall surface temperature of adjacent wall of Room A4 and Room A5

3.5 著火板房A4室外熱輻射強度實測數據分析

圖13為著火板房A4室外的熱輻射強度測點R1～R8的實測熱輻射強度值I隨時間t的變化曲線.距離板房3 m以內的測點R1、R2和R3的熱輻射強度波動幅度顯著，測點R1的熱輻射強度峰值可達24.43 kW·m-2.當距板房的距離增至2 m時，測點R2的最大熱輻射強度為12.72 kW·m-2，僅約為測點R1的熱輻射強度峰值的一半.實體試驗中，與板房A4的間距僅為1 m的板房B4在火災中未受損，這亦與熱輻射強度實測結果吻合.

圖13 板房A4室外熱輻射強度隨時間的變化曲線Fig.13 Outdoor thermal radiation intensity evolution of Room A4

根據實測結果，運用MATLAB軟件對A4板房外的熱輻射強度峰值進行一元回歸分析，采用指數函數擬合最大熱輻射強度Imax,x隨測點與板房間距x的函數關系式：

Imax,x=47.434 exp(-0.662 7x),R2=0.997 4

(1)

式中:Imax,x為測點距離板房x處的最大熱輻射強度，kW·m-2.

式(1)的相關系數大于0.99，表明該指數函數式的擬合值與實測值相關性很好.著火板房外不同距離處的最大熱輻射強度與距離的變化曲線見圖14.

圖14著火板房外最大熱輻射強度Imax,x隨測點與板房間距x的變化曲線
Fig.14Maximumthermalradiationintensitiesatdifferentdistances

根據美國消防規范NFPA的研究結果，引燃織物、紙張等材料的熱輻射強度臨界值為10 kW·m-2, 將此熱輻射強度臨界值代入式(1)，可計算得出生物秸稈不燃板房的防火安全距離為x=2.34 m.表明當板房排間距x>2.34 m時，所接受到的輻射強度將小于10 kW·m-2.

4 極端情況分析

以上數據是基于初始環境溫度為32 ℃，初始環境風向風速為西風0.5 m·s-1的實測數據的分析結果，最終根據熱輻射強度的臨界值來確定安全防火間距.事實上，氣象條件將對火災的蔓延情況產生不同的影響，其中，風速和氣溫的影響尤為突出.當風速增大后，物體表面接收到的熱量除了輻射傳熱以外，還應包括煙氣掠過物體表面時的對流傳熱.文獻[9]模擬分析得到：常規氣象條件下(環境溫度在-5～35 ℃，環境風速小于4 m·s-1)，對流傳熱強度約占總傳熱強度的2%；極端天氣條件下(環境溫度50 ℃，環境風速10 m·s-1)，對流傳熱強度約占總傳熱強度的10%.因此，考慮極端條件下總傳熱強度臨界值為10 kW·m-2，其中輻射傳熱強度臨界值為9 kW·m-2時，由式(1)計算得到極端條件下生物秸稈不燃板房的防火安全距離為2.51 m.

5 結論

本文對生物秸稈不燃板房進行了全尺寸火災試驗，研究該板房在失火后的火災蔓延特性以及安全防火間距.研究結果表明：

(1) 生物秸稈不燃板材的阻燃性能對于抑制火災蔓延有重要作用，可以有效減輕火災的危害，為人員的安全疏散創造有利條件.

(2) 對于采用生物秸稈不燃材料的板房，臨棟防火間距大于2.34 m可滿足安全要求.考慮極端大風天氣，生物秸稈不燃板房的臨棟安全防火間距應增至2.51 m.

因此，采用生物秸稈不燃材料搭建災區活動板房，可以有效縮短安全防火間距，在安全可靠的前提下擴大災區安置點的承載能力，同時也對保護災區的生態環境有著重要意義.