建筑保溫材料傾斜立面的水平貼壁火蔓延實(shí)驗(yàn)研究

何 燦，馬 鑫*，王經(jīng)緯，萬露露，李 旺，李浩瀚，劉天昊，夏雲(yún)飛

(安徽建筑大學(xué) a.環(huán)境與能源工程學(xué)院，b.土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

隨著社會(huì)快速發(fā)展，高分子材料被廣泛應(yīng)用于建筑保溫系統(tǒng)，為保溫節(jié)能工作做出了巨大貢獻(xiàn)，但由此而引發(fā)的火災(zāi)問題日趨嚴(yán)重。例如，已報(bào)道的倫敦公寓樓火災(zāi)、央視大樓火災(zāi)等事故，皆因外立面保溫材料起火導(dǎo)致火勢迅速蔓延，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。這也警示著人們需正確地設(shè)計(jì)相關(guān)立面結(jié)構(gòu)，以降低建筑保溫材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性。

目前，學(xué)者們對(duì)建筑保溫材料的燃燒特性已做了大量的研究工作，分析了不同外界條件對(duì)保溫材料的火蔓延影響[1-7]。馬鑫等[8]進(jìn)行了低壓時(shí)各種立面傾斜結(jié)構(gòu)下保溫材料FPU向下火焰蔓延過程的比較實(shí)驗(yàn)。鄒樣輝等[9]通過外加輻射條件下的火焰水平方向蔓延實(shí)驗(yàn)，給出了不同材料在不同加熱狀態(tài)下的火蔓延速率。王經(jīng)緯等[10]模擬了保溫材料FPU在不同側(cè)向環(huán)境風(fēng)速下的垂直逆流火蔓延行為，發(fā)現(xiàn)火焰前鋒呈現(xiàn)迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)二段式分布，且迎風(fēng)側(cè)的蔓延速度隨著外部風(fēng)速增加而增加。Tu等[11]在3種不同的壓力和4個(gè)傾斜角度(0°，30°，60°，90°)下對(duì)柔型聚氨酯的火蔓延行為進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)火焰傾斜是由不對(duì)稱夾帶引起的，也是控制預(yù)熱機(jī)理的關(guān)鍵因素。但是，目前對(duì)建筑保溫材料的立面水平火蔓延特性鮮有研究。鑒于越來越多的高層建筑中設(shè)有獨(dú)特的水平立面，本研究設(shè)計(jì)了傾斜角度分別為15°，30°，45°，60°，75°和90°的6種工況實(shí)驗(yàn)，以對(duì)比分析保溫材料在不同傾斜角度下的水平貼壁火蔓延特性，為建筑傾斜外立面防火提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

實(shí)驗(yàn)用PU板材(軟質(zhì)聚氨酯泡沫板)的屬性參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)操作均在自主搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，以模擬真實(shí)建筑保溫材料在不同傾斜角度下的火勢變化規(guī)律。水平火蔓延實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，其由記錄板材燃燒過程中質(zhì)量微變化的高精度電子天平(德國Sartorius，精度為0.01 g)、固定PU板材的可變角度支架、傳感器、收集PU板材熔融液的熔滴槽組成。將PU泡沫板樣品(長80 cm，寬20 cm，厚2 cm)固定在隔熱石膏板上，采用水平電熱阻絲進(jìn)行線性點(diǎn)燃。配置2臺(tái)高清數(shù)碼攝像機(jī)(SONY，F(xiàn)DR-AX100E)立于火蔓延實(shí)驗(yàn)裝置的正面和側(cè)面，用于后期對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的觀察和記錄。

表1 實(shí)驗(yàn)用PU板材的屬性參數(shù)

圖1 水平火蔓延實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)開始前，在PU表面布置2列K型精細(xì)熱電偶(精度0.01 ℃)，編號(hào)依次為T0～T7，均距離板材表面約2 mm，以防止干擾實(shí)驗(yàn)中對(duì)板材質(zhì)量損失數(shù)據(jù)的記錄。在板材表面上、下分別布置2根水冷式輻射熱流計(jì)(STT-25-50-R/WF，Tecfront Co., Ltd.，精度為0.01 kW/m2)。在PU板頂部以10 cm的增量繪制參考線，用于可視化分析火焰擴(kuò)散與熱解前鋒遷移過程。板材下部設(shè)置熔滴槽，用于收集熔滴物。通過帶角度支架螺絲旋鈕實(shí)現(xiàn)傾斜角度的變化。

所有的實(shí)驗(yàn)均在恒定的初始環(huán)境溫度和濕度下進(jìn)行(22±2.0 ℃，55±4%)，并且所有的溫度、熱流、質(zhì)量數(shù)據(jù)均以1 Hz的頻率記錄；分別進(jìn)行傾斜角度(α)為15°，30°，45°，60°，75°和90°的6種實(shí)驗(yàn)工況的研究。每組工況下實(shí)驗(yàn)重復(fù)不少于3次，選取最具代表性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 分析與討論

2.1 火焰前鋒形態(tài)變化和火蔓延速率

立面傾斜角度為15°，30°，45°，60°時(shí)的火焰前鋒如圖2所示。其展示了板材從預(yù)熱、蒸發(fā)到熱解、燃燒的過程。

圖2 立面傾斜角度為15°，30°，45°，60°時(shí)的火焰前鋒

由圖2可知，在不同傾斜角度下，PU板材的熱解前鋒形態(tài)和預(yù)熱面積按一定規(guī)律發(fā)生變化。當(dāng)t=70 s時(shí)，傾斜角度較小的板材的火焰前鋒夾角呈倒L型，上側(cè)火蔓延速率略大于下側(cè)；但隨著角度增大至60°，火焰的熱解前鋒呈傾斜的V型，這是由板材上下兩側(cè)的卷吸效應(yīng)所造成的。隨著傾斜角度增加，PU板材上下兩側(cè)的空氣流動(dòng)加強(qiáng)，火焰夾角隨傾斜角度增大而減小，預(yù)熱面積隨角度增大而增大，未燃區(qū)域受到的熱反饋增強(qiáng)。在燃燒后期，板材劇烈燃燒，火焰面直接覆蓋未燃板材表面，火焰前鋒短時(shí)間內(nèi)到達(dá)最右側(cè)，上側(cè)火蔓延基本消失，火焰形狀變得不規(guī)則。這是由于傾斜的V型熱解前鋒對(duì)未燃區(qū)域表面的輻射增強(qiáng)，加快了板材熱解效率，火焰前鋒區(qū)域迅速蒸發(fā)熱解?；鹇悠骄俾嗜鐖D3所示。

圖3 火蔓延平均速率

從圖3中可以看出，火蔓延速率隨傾斜角度增加而變大。這是由于隨著角度增大，板材兩側(cè)空氣對(duì)流加強(qiáng)，火焰外部的新鮮空氣迅速補(bǔ)給，加強(qiáng)了卷吸效應(yīng)。在氣相對(duì)流、熱輻射、固相熱傳導(dǎo)的耦合作用下,大量熱量向未燃區(qū)域傳遞，使未燃區(qū)域的預(yù)熱面積變大，火焰前鋒區(qū)域迅速達(dá)到熱解溫度，火蔓延速率加快。

2.2 質(zhì)量損失速率

不同立面傾斜角度下擴(kuò)散火蔓延對(duì)板材的質(zhì)量影響如圖4所示。從圖4中可以看出，水平立面傾斜角度對(duì)于火蔓延過程中板材質(zhì)量損失的影響占主導(dǎo)地位。隨著傾斜角度增加，板材質(zhì)量損失與時(shí)間近似呈線性關(guān)系。這是由于增加傾斜角度使火焰夾角變小，火焰因向上的空氣夾帶而被拉伸，加強(qiáng)了預(yù)熱區(qū)板材的熱反饋，使板材上側(cè)開始緩慢脫離石膏板?？諝鈯A帶不對(duì)稱，使更多新鮮空氣卷入板材上側(cè)與石膏板縫隙，熔融的液體在板材表面流動(dòng)，加速燃燒過程，發(fā)生卷落現(xiàn)象。這與楊立中[7]所報(bào)道的“卷落—穩(wěn)定燃燒—卷落”過程相似。

圖4 不同立面傾斜角度下擴(kuò)散火蔓延對(duì)板材的質(zhì)量影響

不同立面傾斜角度下PU板材的質(zhì)量損失速率和熔滴率如圖5所示。由圖5可知，熔滴率和質(zhì)量損失速率與立面傾斜角度整體呈正相關(guān)。這是由于立面傾斜角度變大，未燃區(qū)域所受熱反饋增強(qiáng)，預(yù)熱區(qū)變大，板材燃燒較充分，質(zhì)量損失速率加快，熔滴物質(zhì)量相應(yīng)增加。

圖5 不同立面傾斜角度下PU板材的質(zhì)量損失速率和熔滴率

2.3 表面溫度場和輻射熱流變化

溫度是判斷火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)之一，直接影響傳熱、質(zhì)量損失速率、熱解速率等。傾斜角度為15°和60°時(shí)板材表面溫度變化如圖6所示，其中T0，T1，……，T7分別代表熱電偶編號(hào)。

(a) α=15°

從圖6(b)中可以看出，傾斜角度為60°時(shí)，板材表面的上側(cè)溫度高于下側(cè)，當(dāng)火焰前鋒到達(dá)第1組熱電偶(T0，T3)時(shí)，峰值溫度分別接近694 ℃和632 ℃。改變傾斜角度，板材表面上側(cè)和下側(cè)的溫度分布都受到影響。結(jié)合圖6(b)分析可知，當(dāng)傾斜角度較小時(shí)，火焰與傾斜面夾角較大，火焰前鋒熔融液率先升高了下側(cè)溫度，導(dǎo)致下側(cè)第一組溫度先升高。隨著燃燒的發(fā)展，空氣的夾帶拉伸了火焰長度，火焰對(duì)上側(cè)未燃區(qū)域的輻射和熱傳導(dǎo)越來越強(qiáng)，使上側(cè)溫度逐漸升高，峰值高于下側(cè)。當(dāng)傾斜角度較大時(shí)，火焰燃燒方向與板材傾斜面夾角較小，空氣夾帶變強(qiáng)，上側(cè)溫度最先升高，預(yù)熱面積增大，板材熱解速率增大，火蔓延加快，后期火焰甚至覆蓋上側(cè)，上側(cè)溫度高于下側(cè)溫度。

不同立面傾斜角度下板材表面上下側(cè)的輻射熱通量變化如圖7所示。由圖7可知，板材上側(cè)輻射熱通量始終大于下側(cè)。這是由于傾斜的板材周圍空氣夾帶不對(duì)稱，火焰羽流受熱浮力作用向上，傾斜的V型熱解前鋒使得下側(cè)火蔓延速率增大，火焰拉長，面積變大并與板材敷貼，上側(cè)未燃面積所受熱反饋增強(qiáng)，熱量集中在上側(cè)。隨著傾斜角度增大，熔融物隨機(jī)滴落，空氣不對(duì)稱流動(dòng)，使火焰羽流受到擾動(dòng)，輻射強(qiáng)度出現(xiàn)短暫的浮動(dòng)，但輻射強(qiáng)度總體仍呈現(xiàn)上升的趨勢。當(dāng)傾斜角度為90°時(shí)，輻射峰值最高，板材表面上下側(cè)的輻射熱通量分別為1.22 kW/m2和1.21 kW/m2，且差值接近于0。這是由于角度近乎垂直，火勢完全蔓延，輻射強(qiáng)度最大。

圖7 不同立面傾斜角度下板材表面上下側(cè)的輻射熱通量變化

3 結(jié)論

探究了傾斜立面角度對(duì)建筑保溫材料的水平貼壁火蔓延行為的影響，通過對(duì)火焰前鋒形態(tài)變化、火蔓延速率、質(zhì)量損失速率、表面溫度場和輻射熱流變化的研究，分析了水平立面角度對(duì)火蔓延行為的影響，主要結(jié)論如下。

1)傾斜角度增大會(huì)加強(qiáng)板材兩側(cè)空氣的卷吸效應(yīng)，使火蔓延速率增大。燃燒后期出現(xiàn)傾斜的倒V型熱解前鋒，進(jìn)一步加快了燃燒，加劇高層建筑火災(zāi)的危害。

2)質(zhì)量損失隨角度增大而增大，且角度越大，卷落現(xiàn)象越明顯，火災(zāi)的發(fā)生變得復(fù)雜，增加了救援的難度。

3)隨著立面傾斜角度增大，板材表面上側(cè)溫度總是高于下側(cè)。這是由于板材傾斜，火焰與傾斜面夾角變小，火焰甚至覆蓋板材上側(cè)。

4)板材表面上側(cè)的輻射熱通量始終大于下側(cè)。這是由于隨著傾斜角度的變大，火焰羽流被拉伸，火焰面積變大，輻射峰值呈現(xiàn)上升趨勢。