影響建筑材料燃燒熱值測試結(jié)果的主要因素及解決措施

劉占清 袁志欣 周俊鈞 潘 超 隋承鑫 孟曉慧 臧 凡 鮑亞楠 穆秀君

(中國建材檢驗認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，北京100024)

1 前言

建筑材料的燃燒熱值是表征其潛在火災(zāi)危險性的重要參數(shù)，是計算其燃燒釋放熱量和火災(zāi)荷載必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。燃燒熱值是材料的自然屬性，與材料的外形尺寸和使用狀態(tài)等無關(guān)，可用于評價建筑材料潛在的火災(zāi)荷載，是評價燃燒性能分級的試驗方法之一[2]。在工業(yè)和實際應(yīng)用上，燃燒熱值一般是通過實驗確定，目前普遍采用的測試方法為氧彈量熱法[1]。但是，在實驗過程中常會遇到測試數(shù)據(jù)平行差，極差較大，要重復(fù)多次才能符合有效性的要求；數(shù)據(jù)的重復(fù)性和可靠性較差；儀器的有效利用率低等問題。

針對以上所述的問題，本文對影響建材燃燒熱值測試結(jié)果的因素進(jìn)行了分析，并提出了一些簡單、有效的解決措施，盡可能減少測試的工作量，提高儀器的有效利用率和測試結(jié)果的可靠性，并希望在以后的規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)修訂中能夠考慮這些因素。

2 試驗方法和設(shè)備

本文以國標(biāo)GB/T14402-2007 為依據(jù)，用等溫式全自動熱量儀測試樣品的燃燒熱值；感量為0.1mg 的分析天平；純度摩爾比大于99.97%，擴(kuò)展不確定度為0.1%，發(fā)熱量26454J/g 的二等標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸；純度大于99.5%去除其它可燃成份的氧氣；點火絲為發(fā)熱量為50J/g 的鐵絲。

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品的制備方式對測試結(jié)果的影響

樣品的代表性和均勻性對其燃燒熱值的測試結(jié)果影響較大，特別是對于一些不能通過研磨來制取粉末的樣品影響更大。這主要是由于大部分建筑材料在生產(chǎn)和制作過程中比較粗糙，產(chǎn)品本身材質(zhì)不均勻所造成的。特別是當(dāng)建材制品是由幾種成份組成時，現(xiàn)象尤為突出。

國標(biāo)中規(guī)定，燃燒熱值實驗所用樣品約為0.5g，如何制取具有代表性的樣品對燃燒熱值實驗非常重要。本文設(shè)計了兩種取樣方法來驗證制備方法對燃燒熱值測試結(jié)果的影響。一種是表面取樣法，即用刀具在樣品表面鉆取10g 左右粉末；另一種是垂直取樣法[4]，即用切割工具在樣品的不同位置沿與樣品表面垂直的方向切割，收集切割下的粉末約10g 左右，將其充分混勻。對樣品A 分別采用兩種取樣方法，并對樣品A 的燃燒熱值進(jìn)行分析，所得結(jié)果如表1 所示。

對比表1 的數(shù)據(jù)可知，樣品的制備方式對建筑材料燃燒熱值的測試結(jié)果是有影響的。用垂直法取樣,樣品A 燃燒熱值的測試結(jié)果比較穩(wěn)定，極差比較小。因此，與表面取樣法相比，用垂直取樣法制得的粉末狀樣品在組成上與原材料基本一致，更具有代表性和均勻性。

表1 不同取樣方法樣品A 的燃燒熱值

表2 清洗方式對樣品B 燃燒熱值的影響

3.2 清洗方式對建材燃燒熱值的影響

標(biāo)準(zhǔn)GB/T14402-2007《建筑材料及制品的燃燒性能》中有關(guān)氧彈的清洗方式并沒有做明確的規(guī)定，但本文在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，用冷水（尤其是在冬季）清洗氧彈會造成樣品燃燒熱值測試結(jié)果的偏離。清洗方式對樣品B 燃燒熱值的影響見表2 所示：

從表2 中可以看出，清洗方式對于氧彈量熱儀的外筒溫度、實驗時間和熱值產(chǎn)生了影響。用冷水直接清洗氧彈，會造成氧彈的溫度與儀器恒溫筒的水溫相差太大，使實驗的準(zhǔn)備期變長，延長實驗時間，降低設(shè)備的利用率，從而影響建筑材料燃燒熱值的測試結(jié)果。因此，建議清洗氧彈的水要在室溫條件下放置24h 以上。

3.3 保證儀器熱容量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要

要想準(zhǔn)確地測得樣品的燃燒值，首先必須準(zhǔn)確無誤地標(biāo)定出熱量儀的熱容量，即量熱系統(tǒng)溫度每升高1℃所需要吸收的熱量。儀器熱容量的標(biāo)定依據(jù)JJG672-2001《氧彈熱量計》檢定規(guī)程中的步驟和方法。

3.3.1 選擇標(biāo)定熱容量用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)-苯甲酸。

苯甲酸對于熱量儀的熱容量標(biāo)定至關(guān)重要。應(yīng)使用經(jīng)計量機構(gòu)檢定并標(biāo)明熱值的“苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)”來進(jìn)行標(biāo)定。用苯甲酸在進(jìn)行熱容量標(biāo)定時，必須要經(jīng)過干燥處理。否則會對儀器的熱容量的標(biāo)定造成影響。在熱容量的標(biāo)定過程中，每次稱取的苯甲酸重量最好均勻些，保持 在0.99-1.00g 為 宜，可以減少標(biāo)定工作的工作量。

3.3.2 測試環(huán)境的相對穩(wěn)定。

JJG672-2001《氧彈熱量計》檢定規(guī)程中對于測試環(huán)境條件進(jìn)行了明確的規(guī)定，環(huán)境溫度要恒定，無外加輻射熱源，但是在日常的實驗過程中發(fā)現(xiàn)，實驗室內(nèi)的人員流動頻率、實驗臺的震動等因素也會對儀器的熱容量標(biāo)定產(chǎn)生影響。為了驗證這些因素對熱容量標(biāo)定所產(chǎn)生的影響，我們設(shè)計了兩個對比實驗，二者除了制樣室內(nèi)人員流動頻率、實驗臺的震動等因素不同外，其它條件完全相同。環(huán)境因素對熱容量標(biāo)定的影響如表3 所示。

對比兩個實驗可以看出，人員流動頻率以及試驗臺的震動等因素會對儀器熱容量的標(biāo)定產(chǎn)生影響。在測試環(huán)境1#下，標(biāo)定儀器的熱容量的值較穩(wěn)定，極差比較小。因此，本文建議在標(biāo)定儀器的熱容量時，一定要注意環(huán)境因素的影響。在標(biāo)定儀器的熱容量以及測試建筑材料的燃燒熱值時，應(yīng)盡量在一個單獨的房間，應(yīng)盡量避免因?qū)嶒炇覂?nèi)的人員流動、實驗臺的震動等對標(biāo)定儀器的熱容量以及測試建筑材料的燃燒熱值所造成的影響。

3.3.3 氧彈內(nèi)加水量的影響。

氧彈熱量計規(guī)程中規(guī)定，實驗前需要在氧彈內(nèi)加入10mL 的蒸餾水，其目的是吸收實驗過程中樣品燃燒生成酸所產(chǎn)生的熱量，防止氧彈被腐蝕[3]。通過實驗可知，氧彈內(nèi)加入的水量也會對儀器熱容量的標(biāo)定產(chǎn)生影響。氧彈中加水量的多少，會直接影響儀器熱容量標(biāo)定結(jié)果的重復(fù)性，測出的熱容量值將會忽高忽低。氧彈內(nèi)加水量變化1mL 時，儀器的熱容量會有約4.2J/K 的變化；而在熱容量的標(biāo)定過程中，1g 左右的苯甲酸燃燒前后造成內(nèi)筒水的溫差約為2.8K，那么1mL 蒸餾水所造成的熱容量偏差約為11J。水的稱量誤差對熱容量的標(biāo)定所造成的影響，對于標(biāo)準(zhǔn)中5次測試的結(jié)果要求其極差小于40J/K 是不可忽略的[3]。因此，在熱容量的標(biāo)定時，建議使用移液管量取水量。

表3 環(huán)境因素對熱容量標(biāo)定的影響

3.3.4 熱容量的時效性

在標(biāo)定的熱容量實驗過程中，常會遇到這樣的情況，上午標(biāo)定的熱容量與下午標(biāo)定的熱容量相差很大，熱容量具有一定的時效性。因此，最好選擇一天中經(jīng)常進(jìn)行實驗的時間段來進(jìn)行標(biāo)定，使得標(biāo)定的熱容量與測定燃燒熱值時的運行條件保持一致?？梢詼p少標(biāo)定的工作量，提高儀器的利用率和測試結(jié)果的可靠性。

3.3.5 熱容量的有效期限

熱容量標(biāo)定的準(zhǔn)確性將直接影響到燃燒值的穩(wěn)定性。國標(biāo)GB/T213-2003《煤的發(fā)熱量測定方法》中規(guī)定：熱容量標(biāo)定值的有效期為三個月，超過此期限要進(jìn)行復(fù)核；但在國標(biāo)GB/T14402-2007《建筑材料及制品的燃燒性能》和JJG 672-2001《氧彈熱量計》檢定規(guī)程中，并沒有對熱容量標(biāo)定值的有效期進(jìn)行規(guī)定。本文對實驗過程中氧彈量熱儀的熱容量標(biāo)定值進(jìn)行了統(tǒng)計，其結(jié)果如圖1 所示。

圖1 熱容量隨時間的變化

從圖1 中可以看出，熱容量并不是恒定值，極差為532J/K。圖中紅線圈起來的區(qū)域，儀器熱容量的有效期為三個月，其它區(qū)域儀器熱容量的有效期為一個月。對比二者可以看出，對儀器每個月校正一次熱容量時，所得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。這可能是因為儀器的熱容量與儀器、環(huán)境溫度等有直接或間接關(guān)系。室溫連續(xù)上升或連續(xù)下降，四季交替，以及冷、熱空氣的短時影響，均能使室溫大幅變化，從而超出正常室溫，易引起結(jié)果偏差。

因此，本文建議在實驗過程中，把熱容量標(biāo)定值的有效期定為一個月。提高熱容量的標(biāo)定頻率，可以降低環(huán)境因素對氧彈量熱儀的影響，從而確保建筑材料燃燒熱值測試結(jié)果的穩(wěn)定性。除此之外，要及時用苯甲酸對熱值的誤差進(jìn)行檢定，如發(fā)現(xiàn)誤差較大，也要重新對氧彈熱量儀的熱容量進(jìn)行標(biāo)定。

本文闡述的重點在于分析實驗過程中影響測試結(jié)果的主要因素及措施，對于一些次要因素(如樣品正確稱取、實際充氧壓力與規(guī)定不符、儀器設(shè)計缺陷、人為因素等)對結(jié)果的影響沒有做出說明，但其也會影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確度。

4 結(jié)論

通過對以上影響建筑材料燃燒熱值的因素進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）與表面取樣法相比，用垂直取樣法制得的樣品粉末在組成上與原材料基本一致，更具有代表性和均勻性。

（2）實驗表明氧彈熱量儀的熱容量不是恒定值，它會隨著環(huán)境的變化而變化。建議把熱容量標(biāo)定值的有效期定位一個月。通過提高熱容量的標(biāo)定頻率，來保建筑材料燃燒熱值測試結(jié)果的正確性和穩(wěn)定性。

（3）清洗氧彈的水要在室溫放24h 以上，以免氧彈的溫度與儀器恒溫筒的水溫相差太大，從而影響建筑材料燃燒熱值的測試結(jié)果。

（4）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸、氧彈中的加水量以及測試環(huán)境等因素都會對熱容量的標(biāo)定產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響建材的燃燒熱值測定結(jié)果的穩(wěn)定性。

[1] GB/T14402-2007 《建筑材料及制品的燃燒性能燃燒值的測定》

[2] 李玲利，劉海波，宋建偉，張玉輝，穆秀君，常用建筑材料的燃燒熱值淺析[J]，中國建材科技，2009，(6):14-17

[3] JJG 672 -2001 《氧彈熱量計檢定規(guī)程》

[4]何郁文，用氧彈式熱量計測定材料燃燒熱值[J]，消防科技，1992，(4):4-7