（环境工程专业论文）建筑材料燃烧性能分级体系研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 建筑材料燃烧性能分级标准是建筑材料及装饰装修材料燃烧性能评价的依据，建 筑材料燃烧性能分级评价体系是建筑防火设计规范、建筑火灾安全工程设计和消防性 能化评估的基础和依据。本文根据建筑火灾的发展特点和建筑材料在火灾中的受热条 件，对比分析了不同版本的建筑材料燃烧性能分级评价体系在评价建筑材料火灾危险 性时的优劣性。结合国外的建筑燃烧性能分级标准，本文研究旨在制订出能够科学合 理地评价建筑材料燃烧性能的分级方法，为建筑材料燃烧性能分级标准的制修订提出 建议。 本文着重介绍了建筑材料燃烧性能分级标准g b8 6 2 4 - 1 9 9 7 和g b8 6 2 4 - 2 0 0 6 的评价 方法，对分级体系的评价原理和测试方法进行了对比，结合建筑火灾的发展特点和火 灾特性参数着重分析了g b8 6 2 4 - 2 0 0 6 分级标准的先进性；选取国内常用的建筑材料， 按照g b8 6 2 4 1 9 9 7 和g b8 6 2 4 - 2 0 0 6 进行燃烧性能测试和分级评价，得出了两个分级 标准之间的相关性；根据国内消防安全管理的实际情况，分析了g b8 6 2 4 - 2 0 0 6 与相关 建筑防火设计规范在协调应用中存在的矛盾，增加了建筑材料的分类，并对建筑外墙 保温系统进行了实体火灾试验，根据试验结果，提出了分级依据，为分级标准的制修 订提出建议，并制订了g b8 6 2 4 分级标准的征求意见稿。 关键宇：燃烧性能分级；防火设计规范：燃烧性能测试；火灾特性参数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 f 页 a b s t r a c t f i r ec l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r df o rb u i l d i n gm a t e r i a l si saf u n d a m e n to ff i r ep e r f o r m a n c e e v a l u a t i o nf o rb u i l d i n ga n dd e c o r a t em a t e r i a l sa n dp r o d u c t s f i r ec l a s s i f i c a t i o ns y s t e mi st h e b a s eo ff i r ed e s i g nc o d e ，f i r es a f e t ye n g i n e e r i n gd e s i g no fb u i l d i n ga n df i r ep e r f o r m a n c e b a s e de v a l u a t i o n s t h i sp a p e rc o m p a r e dt h e d i f f e r e n tv e r s i o n so ff i r ep e r f o r m a n c e c l a s s i f i c a t i o ns y s t e m s t h r o u g hi n _ t r o d u c t i n gf i r ed e v e l o p m e n to fb u i l d i n ga n de x p o s u r e c o n d i t i o no fm a t e r i a l s t h i sp a p e ri sa i mt oe s t a b l i s haf i r ec l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r dw h i c h c o u l db eu s e dt oe v a l u a t ef i r ep e r f o r m a n c eo fm a t e r i a l sr e a s o n a b l ya n ds c i e n t i f i e l y , o rm a k e s o m er e a s o n a b l es u g g e s t i o n si nr e v i s i n go rp r e p a r i n gw o r ko ff i r ec l a s s i f i c a t i o ns y s t e m t h i sp a p e re s p e c i a l l yd i s p l a y e dt h ed i f f e r e n c e so ft h et w ov e r s i o n so fc l a s s i f i c a t i o n s t h r o u g hc o m p a i r i n gt e s t i n gp r i n c i p a l sa n dm e t h o d s i ts e e m st h a tg b8 6 2 4 2 0 0 6i sm u c h m o r ea d v a n c e d 、析mr e a s o n a b l ef i r ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r se v a l u a t i n gi nd e v e l o p m e n to f f i r e t e s t i n ga n dc l a s s i f i c a t i o nw e r ec a r r y e do u to nd i f f e r e n tt y p e so fc o m m o nb u i l d i n g m a t e r i a l sa c c o r d i n gt ot h o s es t a n d a r dt e s tm e t h o d sa n dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h et w o v e r s i o n si se s t a b l i s h e df i n a l l y i ta n a l y s e st h ed i s c r e p a n c ye x i s t i n gi nh a r m o n i z a t i o nw o r k s o fa p p l i c a t i o no fg b8 6 2 4a n df i r ed e s i g nc o d e sa n dr e c o m m e n dt h a ti tn e e dt oi n c r e a s et h e p r o d u c tc a t e g o r i e sa n dr a n k i n gc r i t e r i o n t h eb i gs e a lf i r et e s t sh a v eb e e nc a r r i e do u tf o r e x t e r n a li n s u l a t i o nw a l lo fb u i l d i n ga n ds o m er e c o m m e n d sa r eg a v et oc l a s s i f yo fm a t e r i a l s f i n a l l yi tp r e p a r e dt h ed r a r o f f i r ec l a s s i f i c a t i o nc o d ef o rb u i l d i n gm a t e r i a l so fg b8 6 2 4 k e y w o r d s ：f i r ec l a s s i f i c a t i o n ，f i r ed e s i g nc o d e ，r e a c t i o nt of i r e ，f i r ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 蔓曼邑量曼置量量量量量量量置量量量曼量量曼量曼曼量曼曼璺量寰量量皇璺曼曼曼曼曼曼皇量曼曼曼曼曼皇量量舅量曼曼曼鼍蔓曼曼皇曼曼曼皇曼量量曼曼曼i u 曼 1 1 研究背景 章绪论 我国的火灾科学和消防工程学开始于2 0 世纪6 0 年代，随着科学技术的进步，人 们运用先进的科学理论和技术手段，经过短短几十年，我国的消防科学技术有了长足 的进步，在消防科学的各个领域取得了很大的成绩。随着对火灾认识的深入，人们逐 渐开始了解火灾的机理，并运用先进的科学技术和手段进一步去认识火灾的发生、发 展及其危害，对减少火灾带来的财产损失和人员伤亡，起到了积极的作用。 建筑防火的目的是为了降低火灾危险、减少火灾危害，保证建筑中居住者的生命和 财产安全。建筑中所采用的建筑材料及室内装饰、装修材料的燃烧性能，对火灾的发 生、发展和蔓延及至火灾可能造成的人员伤害和财产损失，有着非常重要的影响。因 此，世界上许多国家都在建筑规范中对各类建筑材料的性能做出了规定。为了保证这 些规范的实施，首先需要建立与规范相对应的材料燃烧性能评价体系，这个体系应该 包括评价材料的火灾特性参数、测试方法、对测试结果的评价等内容。有了分级评价 体系，才能将材料按照特定的标准进行测试，最后根据测试结果对其进行燃烧性能评 价( 分级) 。一种材料要以对其进行的测试和评判结果作为是否可以使用或在什么样的 场合、什么样的建筑部位和什么样的条件下使用的依据。也就是说材料评价( 分级) 体系是一个国家防火设计规范制定的基础。 随着火灾科学的发展，建筑材料燃烧性能检测方法也不断发展变化，并制订了一系 列的燃烧性能试验方法标准、分级标准及建筑防火设计规范。建筑材料燃烧性能测试 及分级方法是伴随着人们对火灾的认识不断深入而发展起来的，评价的火灾特性参数 从最初的可燃性、着火性、火焰的传播性能，到后来的热释放速率、产烟速率、火灾 增长指数等，人们对建筑材料燃烧性能的认识更加深入，并确立了与建筑实体火灾发 展相关的性能参数。 我国现行有效的建筑材料燃烧性能分级标准为g b8 6 2 4 2 0 0 6 建筑材料及制品燃 烧性能分级，该标准从发布开始已有5 年，在消防行业内引起了广泛关注和深刻反响， 但是一直未被国内的相关防火设计规范所采用，国内的防火设计规范仍然采用g b 8 6 2 4 1 9 9 7 的分级形式，明显与标准化管理的原则相违背。按照标准化管理的规定新标 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 量量曼量量量皇舅量量量曼曼量喜量量量曼量量曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼量量量量量量鼍曼粤i 鼍曼量量曼曼量曼量曼置量量量曼量皇曼詈鲁皇曼曼量量曼曼 准发布后老标准自动作废，之所以防火设计规范采用旧分级标准而不采用现行有效的 标准是由于目前的防火设计规范与分级标准存在分歧。 本文的研究背景是在国内外建筑材料燃烧性能测试及分级方法不断发展，火灾科学 理论和测试方法不断完善提高的基础上，根据国内消防管理的实际情况，解决建筑材 料燃烧性能分级评价体系与相关建筑防火设计规范相协调的问题，同时结合目前国际 上先进地区或国家的建筑防火性能要求，分析建筑材料燃烧性能分级评价体系的发展 方向，最终为制修订建筑材料燃烧性能分级标准提供建议和技术支持。 1 2 国内外研究现状 我国于七十年代末、八十年代初开始系统地开展材料燃烧特性研究，包括建立试验 方法( 标准) 、开发试验装置和进行材料燃烧性能试验，并在研究的基础上着手建立自 己的材料燃烧性能分级体系。1 9 8 8 年颁布了第一个建筑材料燃烧性能分级国家标准一 砌8 6 2 4 建筑材料燃烧性能分级。1 9 9 7 年对该标准进行了首次修订。 很多国家的建筑材料燃烧性能分级标准所采用火灾特性评价参数是类似的，如材 料的火焰蔓延等特性，对这种特性的测试各国往往都沿用自己的一套测试方法，要做 到测试方法相互间的协调统一，常常牵涉到经济和技术上的一些问题以及各国的国情 和要求等，所以很难取得共识，达成一致，各个国家都有不同的测试和分级标准。 美国对材料燃烧性能分级主要采用a s t me8 4 试验方法，考察材料的火焰传播指 数，根据火焰传播指数将其分为a 级、b 级和c 级，且整个美国对材料的燃烧性能试验 方法标准较多，如a s t m 标准、u l 标准、n f p a 标准等，统一性不强。 日本没有单独制定材料燃烧性能分级标准，仅体现在建筑基准法中，且不含对 铺地材料的要求，有关铺地材料的规定又体现在日本消防法中。日本的法律将材料燃 烧性能划分为不燃、准不燃和阻燃( 难燃) 三个等级，三个等级均以锥形量热计为主 要的试验方法，不燃级也可用i s ol1 8 2 试验方法替代，准不燃级和阻燃 难燃 级也可 用i s oc d1 7 4 3 1 试验方法替代。在日本的分级中有附加毒性试验的要求。 欧洲各国在欧盟标准e n1 3 5 0 1 颁布之前都有自己的材料燃烧性能分级体系，如法 国分为m 0 、m 1 、m 2 、m 3 、m 4 和m 5 六个等级；英国分为不燃和可燃的0 、l 、2 、3 、 4 级；德国分为a 1 、a 2 、b 1 、b 2 和b 3 五个等级；荷兰和意大利虽然都是分为0 、1 、 2 、3 、4 五个等级，但所用的试验方法和判据完全不同。经过多年的努力，作为推进欧 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 洲一体化进程的一部分，欧洲标准化委员会2 0 0 2 年颁布了欧盟统一的材料燃烧性能分 级标准即e n1 3 5 0 1 1 ：2 0 0 2 建筑制品和构件的火灾分级第一部分：用对火反应试 验数据的分级，该标准颁布实施后欧盟成员国各自的材料燃烧性能分级标准在过渡期 后废止。 1 3 研究内容、方法及技术路线 g b8 6 2 4 作为基础的强制性国家标准，在生产建设、技术交流和国际贸易中发挥 了很大作用，目前现行的分级标准是g b8 6 2 4 2 0 0 6 ，消防监督管理部门及相关设计单 位在实际工作中主要依据高规、建规、内装修规范等防火设计规范，多年来这几本规 范并未采用最新的燃烧性能分级标准技术要求对规范进行修订，因新标准分级较细， 部分规范的修订工作量较大，相关领导部门决定更改标准以适应规范，尽量保持现有 规范要求不变，简化分级体系，方便消防监督一线人员理解和使用。但为了不降低标 准的科学性，保持国内燃烧性能分级体系同国际发展方向的一致，减小修订后带来的 交流和贸易障碍，公安部消防局提出了对g b8 6 2 4 2 0 0 6 标准进行修订的要求。 本文根据建筑材料燃烧性能分级评价体系的发展，结合国内外分级标准的使用情 况，着重分析建筑材料燃烧性能分级标准的不同版本的优劣性及差异；结合建筑火灾 的发生、发展过程中建筑材料的对火反应特性，确立材料燃烧性能评价的火灾特性参 数，建立相应的试验方法和评价手段；根据国内建筑中的常用建筑材料，开展大量试 验研究，比较新旧标准的分级差异，为分级标准、防火设计规范提供可用的基础数据； 同时根据近年来建筑外墙保温引起的火灾事故，着重选用了相关建筑外墙保温材料进 行了系列实体火灾试验，最终为了建立科学合理、符合我国国情的建筑材料及制品燃 烧性能评价体系及相应的分级标准。 论文的技术路线图见下图： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 4 论文的创新点 1 - 1 论文技术路线图 由于6 b8 6 2 4 是我国建筑材料燃烧性能分级的强制性国家标准，被相关防火设计 规范如高层民用建筑防火设计规范、建筑设计防火规范、建筑内部装修设计防 火规范及其它产品标准、行业标准所引用，是一个基础性的标准，也是消防管理的 主要依据之一。本文的研究对于建立建筑材料的燃烧性能分级评价体系具有一定的技 术支持主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 通过比较g b8 6 2 4 1 9 9 7 和g b8 6 2 4 - 2 0 0 6 分级标准及测试方法的的优缺点， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 确立了燃烧性能分级评价的基础依据，通过对常用的建筑材料开展对比试验，为新旧 标准分级给出了等级对应关系。 ( 2 ) 根据我国建筑材料的种类，为方便消防部门的监督管理和促进相关材料行 i l 业的发展，本文在g b8 6 2 4 2 0 0 6 的基础上提出了增加了窗叠釜查、窒基笠i 岛楚丝盈终 l 物、电器用塑料制品、电器、塞具制品用泡沫、软磺塞具及组件等产品的种类，并根 i 据国内产品现状，给出了相应韵技术指标的建议。 ( 3 ) 根据近年来来建筑外保温制品引发的火灾危害，设定实体火灾试验方案，选 用部分建筑外保温制品进行火灾试验，得出了具有一定价值的结论，提出将外墙保温 材料应单独作为一类制品，并根据试验结果给出分级的判定条件。 ( 4 ) 为g b8 6 2 4 分级标准的制修定提出了标准的规定范围、分级形式、技术指标 等的修定建议，最终形成了标准的征求意见稿。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 鼍曼曼量曼量量量皇曼皇量舅舅鼍量暑曼量曼量璺量量鼍量鲁量曼曼鼍i 皇皇量暑曼曼曼皇量曼皇曼量量量曼曼量曼皇曼鼍皇曼曼曼量曼曼皇量量皇量置皇罾量舅量量曼量曼曼 第2 章建筑材料在火灾中的对火反应 2 1 建筑室内火灾的发展特点 火灾是一种特殊的燃烧现象，通常把可燃性物质在一定条件下起火并形成失去控 制的火焰称为火灾。建筑火灾是一个复杂的物理化学过程，其影响因素很多，如可燃 物质的化学成分和数量：受限空间的大小及几何结构；点火源的大小和位置；受限空 间的通风条件等。通常来说受限空间的火灾发展要经历两种燃烧控制模式，即燃料控 制模式和通风控制模式。 在火灾发展的初始阶段，可燃物质发生阴燃或者燃烧，当达到一定高的温度和遇 到适当的通风条件时，阴燃就转变为明火燃烧，其相邻物质表面便同时受到辐射热的 作用，如果辐射温度足够高，材料表面便受热分解挥发出可燃气体，当这些可燃气体 遇到火源或外部温度达到它的燃点，那么可燃气体就会被点燃，燃烧释放出的能量反 过来又将作用在材料的表面，促使燃烧速率迅速增加，并在火焰上方形成火焰羽流。 当火源燃烧范围很小时，整个房间空间相对于火源来说比较大，供氧充足，所以燃烧 情况与开敞空间的燃烧基本相同，周围的墙体对火灾基本没有影响，这时候火焰主要 由燃烧物决定。这个阶段称为燃料控制阶段。i l j 随着火灾发展的进行，材料表面释放的烟气越来越多，周围的空气受到卷吸的作 用不断的与烟气发生参混，随着羽流高度的增加，烟气质量逐渐增加。当烟气受到房 间顶棚的阻挡后，便顺着顶棚向四周流动，形成顶棚射流层。随着燃烧范围的扩大， 热气体向上移动，卷入火焰羽流的冷空气越来越多，在吊顶下方形成的热烟层质量便 不断增加，热烟层的的体积变大从而烟层高度开始下降，同时伴随着热量传递的增加， 热烟层通过辐射和对流对周围的吊项和墙壁加热，房间的温度急剧上升，这时墙壁、 屋顶、热烟层以及通风口开始影响燃烧的发展。这时候房间内的火灾燃烧处于通风控 制阶段。1 2 j 随着室内温度的不断升高，在局部火焰高温和墙壁、热烟层辐射的共同作用下， 可燃物质的燃烧和热分解变得更加剧烈，火势进一步增强，最终使房间内所有可燃物 表面都开始燃烧，使火灾发展到轰然阶段。 按火灾的发展通常要经历以下几个阶段，即引燃、发展初期( 轰燃前) 、完全发展 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ! - - _ 一i , i 量蔓曼曼曼皇舅舅曼量葛量曼鲁量量曼皇皇量皇舅曼曼墨 阶段( 轰燃后) 和衰减期。当房间发生轰然后，火灾进入完全成长阶段，火势猛烈， 难于扑救。所以为了减少火灾危险，保证建筑内人们的生命财产安全，其防火的主要 措施就是抑制火灾的快速发展，抑制小火源发展成为大火焰，防止出现轰然。f 3 】【4 】 2 2 材料的燃烧方式 建筑材料燃烧性能分级体系主要根据建筑火灾的发展的特点，模拟建筑火灾发展 的不同阶段材料可能承受的热作用，用于评价建筑材料在试验条件下的燃烧性能，进 而反映建筑材料在实体火灾条件下的火灾危险性。为了正确的表征建筑材料的燃烧性 能，建立适当的评价方法，建筑材料对火反应试验要求必须选择适当的火灾场景，确 定材料恰当的受火条件，才能给予正确的评价。 在建筑火灾中，可燃物热量传递有三种基本方式，即导热、热对流和热辐射。 2 2 1 热传导 温度是衡量物质微观粒子如分子、原子等热运动强烈程度的指标，温度越高，微 观粒子运动就越剧烈，其热运动的能量也就越大。当物体内部存在温度差异时，由于 各部分分子热运动程度不一，分子、原子或电子之间会发生相互碰撞产生能量的传递， 从而可以让热在固体中发生扩散。导热是材料内部的一种传热现象。对于材料的导热 来讲，最重要的是材料自身的物理性质，这主要与材料自身的热学性能有关，包括材 料的热传导率k ，密度p 和热容量c ，即材料的热惯量k pc 。 、2 2 2 热对流 热对流是伴随着气体流动而发生的传热过程。它通过流体内的导热和流体的混合 运动进行热量传递。在起火的房间中，由于材料燃烧释放出热量，造成了气体内部温 度分布不均匀，形成了气体密度的差异，因此在浮力的作用下，密度小的热气体便往 上升，密度大的气体则向下降。 2 2 3 热辐射 热辐射是一种通过电磁波传递能量的传热方式，物体把热能以电磁波的形式传出 去，被另一物体吸收后，这种电磁波便转变称为热能。任何物体都在不断地向外辐射 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 热量，同时也不断地接受外界物体的热辐射。热辐射是一种非接触式传热，反映了分 子热运动的强弱程度。热辐射与导热和对流传热不同，在传递能量时，物体间不需要 相互接触。一个物体向外辐射的能量与其表面绝对温度的四次方成正比，随着物体表 面温度的升高，它对外的热辐射作用将变得更强。在高温时，辐射传热往往起主要作 用。 在建筑火灾发展过程中，房间内的热量传递并不是以导热、对流和辐射传热中的 某种单一方式存在的，而是同时包含了这三种传热形式，但是，由于火灾在发展过程 中，房间内的温度变得很高，因此材料受到的热作用是以热辐射为主导的。在建筑火 灾中通常将对流传热和辐射传热都统称为辐射作用。【5 】【6 】 2 3 材料的对火反应 燃烧是可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，燃烧是一个极其复杂的现象，它通 常伴随着发光、发热，并产生火焰和烟气等现象。按照燃烧的形式或剧烈程度，可以 将燃烧分为持续燃烧、阴燃、闪燃、爆燃等。 a 、持续燃烧：通常将有焰燃烧时间超过5 s 的燃烧称为持续燃烧。 b 、阴燃：没有火焰的缓慢燃烧称为阴燃。 c 、闪燃：在物质表面产生足够的可燃蒸汽，遇火产生一闪即灭的火焰的燃烧现象 通常称为闪燃。在建筑材料燃烧性能测试中也将火焰持续时间小于5 s 的燃烧称为闪燃。 d 、爆燃：以亚音速传播的爆炸称为爆燃。 e 、爆炸：由于物质发生急剧氧化或分解反应，使温度、压力在瞬间急剧增加并发 生强烈的方热作用的现象。爆炸可以分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸。 材料燃烧必须具备三个基本条件，即可燃物、氧化剂和温度( 点火源) 。可燃物的 存在是发生燃烧的基本条件，可燃物具有气相、液相和固相三种物态，可燃物状态不 同，它与氧化剂相互混合的难易程度也不相同，因此燃烧状况也存在较大差异。建筑 火灾中，可能会同时存在三种不同状态的可燃物。但是最常见的最直接的燃烧物还是 可燃气体。 可燃气体除了煤气、石油气及烃化合物外，建筑火灾中的可燃气体主要是材料受 热分解释放出来的气体。当房间发生火灾时，建筑材料首先受到热辐射的作用，其表 面发生高温分解，。生成可燃性挥发气体，这些气体遇到火源就会被点燃，而点燃的明 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 火又向材料反馈更多的热量，使材料热解增强，当温度达到一定程度时，即使没有外 部火源，产生的火焰仍然能持续燃烧。建筑材料的燃烧通常都是按照这个方式进行的。 所以在标准i s o5 6 5 8 和i m o a 6 5 3 的试验方法中，其中的一种点火方式的就是采用点 火火焰与材料非接触式的点火，首先引燃的就是材料在辐射热源作用下分解产生的可 燃气体。【8 】 2 4 材料的阻燃 2 4 1 阻燃原理 材料的阻燃性能是材料热稳定性能的一个体现，而材料的热稳定性能主要取决于 材料自身的物理化学性能，即微观的化学结构和凝聚态结构。微观化学结构主要指有 机材料的化学组成及其共价键的键级和键能；凝聚态结构主要指材料的结晶态和由化 学交联导致的凝胶结构。建筑内的可燃物通常为有机聚合物，化学键主要为c c 和c h 键。对于材料中含有稠环芳香烃的聚合物一般具有良好的热稳定性，因为它们的 化学结构中含有碳碳双键，在发生热降解时，具有双键或三键的共价键不易发生断裂， 相比于其它的共价键具有更好的热稳定性。结晶态的物质由于在熔融过程中会发生吸 热反应，因此，结晶材料受热分解时相较于其它非晶材料具有更好的热稳定性。 2 4 2 有机材料热降解特性 材料受到高温作用，材料表面产生气化产物，这些气化产物再与空气中的氧气反 应生成低分子量的产物。材料发生热降解时，单位质量的燃料完成分解所需的热量称 为热解热。从微观的角度对于一种单纯的聚合物，其分子链中最弱的共价键决定着它 的热降解能力，即热降解作用主要取决于最弱键的离键能。半降解温度( t v 2 ) 是表征 聚合物热稳定性的一个特征温度，它是聚合物在真空中受热3 0 m i n ，质量失去5 0 时 所对应的温度。统计分析表明半降解温度与离键能有如下关系： 。 正，2 = 1 4 6 d 让+ 1 8 0 式中：d a b 为离键能。有机材料中碳卤键c x 比c c 键的键能低，因此这些材料在 受热作用下燃烧或分解时，分子中的碳卤键将作为弱键首先发生均解断裂，如聚氯乙 烯中的c c l 键。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 4 3 建筑材料的阻燃性 阻燃是使可燃物具有防止、减慢或终止有焰燃烧的性能。从阻燃机理来说主要分 为气相阻燃机理和凝聚相阻燃机理。气相阻燃机理就是通常所说的卤素阻燃，即向有 机材料中添加含卤化合物。由于这些卤素化合物的分解温度较低，在高温作用下分解 反应的结果释放出大量的卤素自由基。这些自由基与有机材料分子间发生自由基转移 反应，生成氧指数较大的卤素聚合物，如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯等。 凝聚相阻燃又分为凝聚相反应型和玻璃化型。凝聚相反应型主要指哪些含有多取代芳 香烃、稠环芳香烃和杂环化合物的聚合物，这些材料在高温或火灾条件下极易发生碳 化，生成碳化残渣，从而阻止外部热条件对其进一步的热作用，表现出很好的阻燃性 能，如热圃性酚醛树脂、芳香尼龙等，试验证明阻燃性能与碳化残渣成正比。对于这 些材料，发生热降解时，一部分首先降解成为大小接近单体分子的产物，这些小分子 化合物在凝聚相中迅速裂解脱除更小的气体分子，释放出氨气、一氧化碳、二氧化碳 等小分子气体，残存的芳香环部分迸一步发生石墨化和碳化反应。凝聚相玻璃化型则 是指含磷、硼、硅等元素的有机聚合物，这些材料在高温或着火条件下会形成玻璃层， 这些玻璃层覆盖在材料表面，从而隔绝氧气和外部热源与材料的接触，避免进一步反 应，故也表现出良好的阻燃性能。 为了该善建筑材料的阻燃性能，常用的阻燃方法有：在材料表面涂刷阻燃剂或防 火涂料；在产品的生产过程中添加阻燃剂。阻燃剂是一种可以提高可燃物阻燃性的一 类助剂，它的存在可以改变材料的热值或分解热，从而可以改变材料的燃烧过程。 阻燃剂主要通过以下效应来发挥作用： a 、覆盖效应：阻燃剂在燃烧产生的高温作用下，生成难燃的保护层或蜂窝状、泡 状物质，覆盖在可燃材料的表面，起到隔氧和隔热的作用，从而阻止材料的热分解及 可燃挥发组分与空气的混合。 b 、吸热效应：阻燃剂可吸收燃烧释放出的大量热量，使材料温度降低，从而使热 分解和燃烧减慢。 c 、抑制效应：阻燃剂分解生成的某些生成物可捕捉火焰中的活性基团，从而使其 热分解链式燃烧反应中断。 d 、稀释效应：阻燃剂分解产生大量不燃气体，大大稀释材料表面附近的可燃气体 浓度和氧气浓度，从而使燃烧不能维持。忉【8 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 5 火灾场景 建筑火灾的发展影响因素很多，但是其中最主要的还是材料自身的性能。如何评 定建筑材料的燃烧性能，如何确定建筑材料在真实火灾条件下的表现行为，如何建立 评价材料燃烧性能的火灾场景，这些都是建筑材料燃烧性能测试中需要考虑的。为了 更好的比较各种建筑材料的燃烧性能，必须确立一个能反应材料在真实火灾条件下的 火灾危险性的参考场景，从而需要建立适当的试验条件，考虑材料的哪些性能参数最 能反应其在火灾条件下的危险程度。建筑材料燃烧性能测试标准的制订是一项非常复 杂和严肃的工作，其测试结果和评价指标是建筑设计和消防监督部门进行建筑设计和 工程监督的重要依据。 对于每个对火反应试验的建立，都会首先考虑试验所模拟的火灾场景。建筑材料 燃烧性能分级体系中所有的试验方法所考虑的火灾场景都是起火于房间，建筑制品在 小火焰的作用下被点燃，火源逐渐蔓延传播，从小火焰增长成为大火焰，并最终引起 整个房间的轰然的过程。这一火灾增长过程包括了三个阶段的火灾场景。 第一个阶段是指建筑制品被引燃的着火阶段，即用小火焰施加于制品的局部区域。 它模拟的是由于人员不慎将烟头、火柴等小火源作用于建筑材料上引起的小范围内燃 烧。 第二个阶段是指火灾从小火源开始逐渐发展阶段。这个阶段火源不断增大，房间 温度也逐渐增高，发展起来的火源开始对临近材料具有热辐射作用。在燃烧性能分级 体系中，用房间角落处一个单个火源来模拟火灾发展过程中角落火源对相邻制品表面 产生热辐射的作用过程。在这个阶段，火灾增长有可能非常迅速，这主要取决于建筑 制品或房间中的可燃物的燃烧性能。 第三个阶段是指火灾已经发展起来，火焰甚至已经蔓延到了房间的吊项，吊项下 方形成了热烟层，通过门洞，火焰和热烟层开始对相邻的房间或走廊上的地面材料产 生辐射作用。这个阶段是整个火灾增长过程中最快的阶段，如果有足够的可燃物并有 良好的通风条件，火灾能够迅速增长并导致整个房间的轰然。房间轰然后，所有可燃 制品均发生燃烧，所有可燃物均成为火灾荷载。 在火灾发生、发展并达到轰然的整个过程中，建筑材料的燃烧性能对火灾的发展 起着至关重要的作用，作好对建材制品火灾安全性的测试和评价工作关乎着人身财产 的安全。g b8 6 2 4 是我国建筑材料燃烧性能分级方法的强制性国家标准，作为一个基 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 础性的标准，它的制订对于建筑材料燃烧性能评价、消防部门的管理监督、建筑防火 安全设计等具有举足轻重的作用。【9 】【1 0 j 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章建筑材料燃烧性能分级体系的发展 3 1g b8 6 2 4 - 19 9 7 简介 3 1 1 分级方式 6 b8 6 2 4 于1 9 8 8 年首次发布，其后参照西德标准d i n4 1 0 2 - 1 ：1 9 8 1 建筑材料和 构件的火灾特性第一部分：建筑材料分级的要求和试验，对其进行修订，发布了修 订版6 b8 6 2 4 - - 1 9 9 7 。该标准在实施的十多年中，作为我国建筑材料及建筑物内部使 用的部分特定用途材料燃烧性能分级的准则，对进行材料防火性能评价、指导防火安 全设计、实施消防安全监督、执行防火设计规范发挥了重要作用，产生了显著的社会 经济效益。 g b8 6 2 4 1 9 9 7 主要将建筑材料分为普通建筑材料和特定用途的建筑材料。按照燃 烧性能将材料分为4 个等级，即不燃类材料( a ) 、难燃类材料( b 1 ) 、可燃类材料( b 2 ) 和易燃类材料( b 3 ) ，对应的分级判据和试验方法如表3 1 和表3 2 。【9 】 表3 - 1建筑材料( 特定用途材料除外) 的燃烧性畿及判据 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 表3 2 特定用途材料燃烧性能分级及判据 3 1 2 试验方法 g b8 6 2 4 1 9 9 7 所引用的试验方法主要测试材料的着火性和火焰传播特性，按照热 作用条件主要分为三类： 1 ) 小火焰试验，测试材料在小火焰如火柴、烟头的作用下是否容易被点燃； 2 ) 中型尺寸的火灾试验，测试材料在更大火焰或辐射条件下的火焰传播特性； 3 ) 极限状态的火灾试验，主要包括燃烧热值测试材料完全分解的放热量；烟毒性 测试材料在最大产烟浓度下的毒性危害；不燃性试验测试材料在高温状态下的可燃性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 下面简要介绍几种较为主要的测试方法： 3 1 2 1g b t5 4 6 4 不燃性试验方法1 1 0 j g b t5 4 6 4 等同采用i s o1 1 8 2 ，该不燃性试验装置主要由垂直加热炉、空气稳流 器和气流罩三部分组成，如图3 - 1 所示。加热炉的作用是为试样提供( 7 5 0 5 ) 的 受热环境。在加热炉内壁附近固定有一根炉内热电偶，用以测量试样在试验期间引起 的炉内温升。加热炉体外表面固定有装承试样的试样架。试样架的圆形钢管内安装有 试样表面热电偶和试样中心热电偶，分别用以测量试样在加热炉内受热期间的试样表 面温升和试样中心温升。其试样为圆柱形，直径4 50 - 2 m i l l ，高( 5 0 3 ) d i m 。 该试验方法主要测试材料在高温条件下是否燃烧，在g b8 6 2 4 1 9 9 7 中主要用作对 不燃匀质材料a 级的判定，判定的技术指标为： 炉内温升乃5 0 ； 试样平均持续燃烧时间不超过2 0s ； 试样平均质量损失率不超过5 0 。 s p e c j l n e n i n s e r t i o nd e v i c e s p e c 妇 i n s u l a t e dc y l i n d r i c a l f u z n a c ek e p ta t7 5 0 0 c 图3 - 1 不燃性试验 3 1 2 2g b t8 6 2 5 难燃性试验方法3 g b t8 6 2 5 - 2 0 0 5 方法适用于建筑材料难燃性的测定，包括室内墙面和吊顶材料， 涂料、油漆和墙纸等装饰材料应连同基材一起试验。该方法是用于评价建筑材料燃烧 性能等级是否达到b l 级和a 级( 复合夹芯材料) 最主要的试验方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 试验装置由燃烧竖炉和测试仪表设备两部分组成。燃烧竖炉见图3 2 ，它包括了燃 烧室、燃烧器、试样支架、空气稳流层和烟道等部分。测试设备包括流量计、热电偶 和温度记录仪及显示仪表等。共有5 只热电偶安装在竖炉上方的烟道侧壁内。 图3 - 2 难燃竖炉 每次试验以4 个试样作为一组试件，每个试样以材料实际厚度制作。尺寸为 ( 1 0 0 0 1 ) m m ( 1 9 0 竺) m m ，试样最大厚度取8 0 r a m 。试验时，将试样安装于试样架上， 试样垂直放置，形成一个井字形烟道。在每个试样底部分布着由多喷嘴构成的线性燃 烧器，在喷嘴处有甲烷火焰对试样底部表面进行喷射，试验时间为l o m i n 。试验装置见 下图。 g b8 6 2 4 1 9 9 7 对难燃材料b 1 级的判定为： 试件燃烧剩余长度平均值1 5 0 m m ，其中没有一个试样的燃烧剩余长度为零。 平均烟气温度不超过2 0 0 。 对a 级( 复合夹芯) 材料而言，难燃性塑炉试验的判据为： 试件燃烧剩余长度平均值3 5 0 m m ，其中任意一个试样的燃烧剩余长度 2 0 r a m 。 平均烟气温度不超过1 2 5 。 试样背面无任何燃烧现象。 3 1 2 3g b t8 6 2 6 建筑材料可燃性试验方法纠 g b t8 6 2 6 可燃性试验方法用于测试建筑材料在小火焰作用下是否可燃。实验装置 由燃烧试验箱，燃烧器和试样支架组成，见图3 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 i i i i 圈3 - 3 可燃性试验装置 可燃性试验包括两种点火方式，即边缘点火和表面点火。对于边缘未加保护的材 料，应采用表面点火方式：对于边缘加以保护的材料，则要采用表面点火和边缘点火 两种点火方式。试样尺寸为9 0 r m n x1 9 0 衄或9 0 n 皿n x2 3 0 锄。 该方法用于评价建筑材料是否达到b 1 和b 2 级，达到可燃性b 2 级必须满足火焰的 焰尖未到达1 5 0 r a m 高度。 3 1 2 4g b t8 6 2 7 建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法n 3 1 该方法用于建筑材料燃烧静态产烟量测定。试验装置主要由烟箱、燃烧器系统、光 电系统和计时系统等部分组成。当材料在特定烟箱中燃烧释放出烟气，通过测试光通 量的变化来表征材料的产烟特性，试验装置见图3 4 。 图3 - 4 烟密度试验装置 样品尺寸2 5 4 m m x2 5 4 r r n ，试验时间4 m i n ，试验结果以最大烟密度值( m s d ) 和 烟密度等级( s p r ) 表示，要满足a 级复合夹芯材料的要求，必须烟密度等级s d r 1 5 ； 要满足b l 级材料要求，烟密度等级s d r 7 5 。 。 3 1 2 5 g b t14 4 0 2 建筑材料燃烧热值试验方法n 町 g b t1 4 4 0 2 试验采用氧弹法，主要测试材料完全燃烧分解后所释放的热量。试验 装置由高压氧弹和氧弹式量热仪组成。其工作原理是通过测试材料在氧弹中完全燃烧， 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 氧弹周围的水温升高，结合水的热容量，可以得出材料燃烧的放热量，装置简图见图 3 - 5 。 图3 - 5 燃烧热值试验 3 1 2 6g b t1 17 8 5 铺地材料的燃烧性能测定辐射热源法n 鄹 g b t1 1 7 8 5 方法用于评价铺地材料在辐射热作用下的火焰传播特性，该方法主要 模拟发生火灾时，房间或走廊地面材料在房间顶部热烟层的辐射作用下，是否被点燃 和出现快速火焰传播。试验装置主要由烟箱、辐射加热板、点火系统和测烟系统等构 成。辐射板作为试验加热条件，用于提供稳定的辐射通量分布场，通过测试试验过程 中材料表面火焰传播的最远距离，来测定维持材料表面火焰燃烧所需要的最小辐射热。 测试指标主要有发烟量、火焰传播距离及由此得到的熄灭时的临界辐射通量，装置简 图见图3 - 6 。 图3 6 铺地材料辐射热源法试验装置 3 1 2 7g b t2 4 0 6 塑料燃烧性能试验方法氧指数法n 明n 7 1 g b t2 4 0 6 试验方法主要测试维持材料燃烧所需要的最低氧气浓度。它适合用于评 定匀质固体材料、层压材料、泡沫材料、软片薄膜等材料的燃烧性能。测量氧指数的 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 氧指数仪主要由燃烧筒、试样夹、氧气和氮气测量控制系统、点火器以及排烟装置等 组成。该方法规模很小，样品尺寸为1 0 m m xl o o m m ，样品数量约1 0 只。在试验过程中， 长条片状样品直立放置在充盈着氧气氮气混合气的玻璃罩内，试验时按照标准计算出 的氧指数和氧气氮气混合比例表调节不同的氧指数浓度，可以采用双流量计控制，也 可采用顺磁法测试氧浓度值直接由仪表显示。氧浓度调整步长至少为0 2 ，用点火器 在玻璃罩内充分点着样品顶部，观察样品的点着和向下蔓延情况，通过上下调节氧气 氮气混合比来测试出极限氧指数值。试验装置见图3 - 7 ： 图3 - 7 氧指数试验仪 3 1 2 8g b t8 3 3 3 - 8 7 硬泡沫塑料燃烧性能试验方法一垂直燃烧法n 8 1 试验装置由试验烟筒、本生灯、试样支架等组成，试样尺寸为2 5 0 m m x 2 0 m m 2 0 m m 。试验时将本生灯火焰内核顶端与试样接触，点火l o s ，记录材料燃烧时间、火 焰熄灭时间、是否有燃烧滴落物等现象。该试验装置小巧轻便、操作简单，可以快速 测试聚氨酯等泡沫塑料的垂直燃烧性能。 3 1 。2 9 g b t8 3 3 2 8 7 泡沫塑料燃烧性能试验方法一水平燃烧法叩妲伽 试验设备由试验箱、本生灯点火器、水平试样支撑架、排风装置等组成。试样尺寸 为1 5 0 m m 5 0 m m ，试验前在试样长度方向距一端2 5 m m 处画一条标线，试验时将试 样水平放置于试样拖网上，将火焰调节至高度为3 8 m m ，移动本生灯与试样底部接触 6 0 s ，期间观察试样的燃烧情况，如卷曲、烧焦、熔融、滴落等，记录试样的燃烧时间， 试验后测试试样的燃烧范围。 此试验装置还可以测试火焰的传播速率： 1 ， a 如果火焰传播超过标线，燃烧速率可以表示为：，= 竺 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 ， b 如果火焰传播未到标线就熄灭，燃烧速率则可以表示为：v = 竺 t p 其中，t b 一火焰燃烧至标线的时间，s l 。一燃烧范围，m m t e 一火焰熄灭时的时间，s 上述试验方法中，氧指数试验一直受到人们的争议，因为试验时长条状的试样树 立在氧氮气流中，点火方式是从试样顶端点火，火焰向下蔓延，这与实际火灾中火焰 传播方式不同，并且实际火灾中氧浓度通常会降低，因此它不能反映材料在火灾中的 燃烧特性。按照g b t2 4 0 6 9 3 试验时聚氨酯材料的氧指数通常很低，多数产品小于2 6 ，不能满足b 2 级的要求，但是在做难燃竖炉试验时，有时结果却又比较好。对于某 些受热收缩的材料，也不适合用氧指数对其燃烧性能进行评价。 3 1 2 1 0g b t2 0 2 8 5 材料产烟毒性试验 g b t2 0 2 8 5 标准是根据我国在实验室定量制取材料烟气方法学和实验小鼠急性吸 入烟气染毒试验方法学研究所得的成果和材料产烟毒性评价的实践经验制定的。 烟气毒性试验装置由环形炉、石英管、石英舟、烟气采集配给组件、小鼠转笼、染 毒箱、温度控制系统、炉位移系统、空气流供给系统和小鼠运动记录系统组成，如图 3 - 8 所示。 试验时，在小鼠染毒箱中通入材料完全分解、无明火燃烧条件下制取的烟气( 最大 产烟浓度) ，观察小鼠的中毒情况，以此定性的评价材料在火灾条件下的烟毒性。 图3 - 8 材料产烟毒性试验装置 3 1 。3 分级体系存在的问题 g b8 6