（环境工程专业论文）建筑材料燃烧性能评价方法的研究.pdf

摘要 摘要 建筑材料燃烧性能评价( 分级) 体系是一个国家相关防火安全规范的基础和 重要组成部分。因此必须建立新的、为世界所公认的统一的防火分级体系，这项 研究工作需要综合总结各国的研究成果并积累数据，是一个世界性课题。 建筑材料的防火分级取决于所采用的试验方法。本文初步提出新的材料防火 分级方案是以量热学耗氧原理为基础的锥型量热计对建筑材料进行分级。以热释 放速度最大值( k w m 2 ) 平l ：1 9 0 0 s 时总放热量( m j m 2 ) 作为基本参数将建筑材料分 为a 、b 、c 、d 、e 血个等级，建立新的分级体系。将新的分级方案和我国现行分 级进行对比得出在a 级材料的判定上两种分级方案基本是一致的，而在其他材料 的判定上则出现了差异，这是由于现行分级中的测试方法是材料在实验室条件 下，而非模拟真实火灾条件下的测试结果。对于我国现行标准无法分级的复合型 材料，新的分级方案则显示出其优势。运用锥型量热计，在辐射能量蔓j 5 0 k w m 2 ， 试验周期为9 0 0 s 的试验条件下，以试验过程中材料未被点燃；热释放速度最大值 5 0k w m2 ：总放热量5m j m2 为判定指标，对复合材料进行不燃性判定。 新的分级体系力求能够比较精确的表征材料燃烧特性，反映材料在真实火灾 条件下的火灾行为；使评价方法与实际情况之间有较好的相关性，对材料的燃烧 性能进行客观、准确的评估；作为评定材料实际使用条件下火灾危险性的依据。 新的分级己不再是传统的概念，它是伴随社会的发展和进步而出现的。是今后的 必然趋势。 关键词：燃烧性能； 评价( 分级) 体系：锥型量热计 a b s t r a c t t h ee s t i m a t e ( c l a s s i f i c a t i o n ) s y s t e mo ft h ec o m b u s t i o np e r f o r m a n c eo ft h e b u i l d i n gm a t e r i a l si st h ef o u n d a t i o na n da ni m p o r t a n tp r o p o r t i o no ft h ef i r es a f e t y c o d e so fac o u n t r y i t sn e c e s s a r yt os e tu pan e wu n i f o r ms y s t e mo ff i r es a f e c l a s s i f i c a t i o nw h i c hw a sr e c o g n i z e da l lo v e rt h ew o r l d t h i ss t u d ys h o u l ds u m m a r i z e t h es t u d yp r o d u c t i o n so fd i f f e r e n tc o u n t r i e sa n da c c u m u l a t ed a t a i ti sat a s ko ft h e w o r l d t h ef i r es a f ec l a s s i f i c a t i o no ft h eb u i l d i n gm a t e r i a l sl i e so nt h ee x p e r i m e n t m e t h o d sa d o p t e d ，i nt h i sp a p e r , au e ws c h e m eo ft h ef i r es a f ec l a s s i f i c a t i o no ft h e b u i l d i n gm a t e r i a l sw a ss u g g e s t e dw h i c hc l a s s i f i e dt h em a t e r i a l sw i t hc o n ec a l o r i m e t e r b a s i n g o nt h eo x y g e nc o s tp r i n c i p l eo ft h e c a l o r i m e t r y b u i l d i n gm a t e r i a l sw e r e c l a s s i f i e di n t oa ，b ，c ，d ，ef i v ed e g r e ea c c o r d i n gt ot h eb a s i cc l a s s i f i c a t i o np a r a m e t e r s - t h em a xh e a tr e l e a s er a t e ( k m m 2 ) a n dt h eo v e ra l lh e a tr e l e a s eq u a n t i t y ( m j m 2 ) i nt h e t i m eo f9 0 0 s t h en e ws c h e m eo ft h ef i r es a f ec l a s s i f i c a t i o nw a sc o m p a r e da n d d i s c u s s e dw i t ht h ee x i s t i n gc l a s s i f i c a t i o no fo u rc o u n t y , t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h e t w oc l a s s i f i c a t i o ns y s t e mw e r ea c c o r d a n ta tt h ee s t i m a t i o no fm a t e r i a l so fa d e g r e e b u tt h e r ea r es o m ed i f f e r e n c ei nt h ee s t i m a t i o no fo t h e rm a t e r i a l s ，b e c a u s et h et e s t m e t h o do ft h ee x i s t i n gc l a s s i f i c a t i o ns y s t e mt e s t e dm a t e r i a l su n d e rt h ee x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n so t h e rt h a nt h ea c t u a lc o n d i t i o n s t h en e ws y s t e mh a dt h ea d v a n t a g e si nt h e c l a s s i f i c a t i o no fc o m p o s i t em a t e r i a l sw h i c hc o u l dn o tb ec l a s s i f i e db yt h ee x i s t i n g c r i t e r i o n so f0 1 1 1 c o u n t r y u s i n gt h ec o n ec a l o r i m e t e r , a tt h ec o n d i t i o no ft h er a d i a n t e n e r g yb e i n g5 0 k w m2 ，e x p e r i m e n tp e r i o db e i n g9 0 0 s ，i ft h em a t e r i a lh a d n tb e e n i g n i t e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，a n dt h em a x h e a tr e l e a s er a t e 一 5 0k w m2 ，t h eo v e r a l lh e a tr e l e a s eq u a n t i t y 5m j m2 。t h ec o m p o s i t em a t e r i a l sc o u l db ed e t e r m i n e d a sn o n c o m b u s t i b i l i t y t h en e wc l a s s i f i c a t i o ns y s t e ms t r i v e do nt h ec o m p a r a t i v e l ya c c u r a t et o k e no ft h e c o m b u s t i o np e r f o r m a n c eo fb u i l d i n gm a t e r i a l s ，a n dt r i e dt or e f l e c tt h ef i r eb e h a v i o a r i i o f 血eb u i l d i n gm a t e r i a l si na c t u a lf i r ec o n d i t i o n s a n dm a d eap r e f e r a b l er e l a t i v i t y b e t w e e nt h ee s t i m a t em e t h o da n d l ea c t u a lf i r ec o n d i t i o n s ot h ep e r f 0 1 2 蚴n _ c e so ft h e m a t e r i a l sw e r ee s t i m a t e di m p e r s o n a l l ya n da c c u r a t e l y i tc o u l db eu s e da st h eb a s i so f t h ee s t i m a t eo ft h ef i r er i s ko fm a t e r i a l si na c t u a lf i r ec o n d i t i o n s t h en e w c l a s s i f i c a t i o ns y s t e mw a sn ol o n g e rat r a d i t i o n a lc o n c e p t i ta p p e a r e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to f t h es o c i e t ya n dw o u l db e c o m et h ei n e v i t a b l et r e n di nt h ef u t u r e k e y w o r d s ： c o m b u s t i o n p e r f o r m a n c e ； e s t i m a t e ( c l a s s i f i c a t i o n )s y s t e m ； c o n e c a l o r i m e t e r i l l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲华腻邋：缈 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲辑聊虢镁吼趔 第1 章绪论 1 1 课题的意义及研究目的 随着社会经济的发展，全世界火灾发生的频率都在逐年升高，建筑火灾在世 界各国的火灾中居首位。在我国，1 9 9 4 年后，全国每年发生的火灾都在数万起， 损失均在1 0 亿元以上。建筑火灾的蔓延扩大，多数是由于不耐火的建筑结构和 可燃装修材料所致。建筑材料的燃烧性能和建筑构件的耐火极限是影响建筑火灾 的重要因素之一。建筑材料种类繁多，各类建筑材料在燃烧过程中有着复杂的性 能，而不像材料的物理或化学特性那样容易掌握。随着现代建筑科学技术的发展， 大量新型建筑材料越来越得到广泛的应用，使建筑材料的燃烧性能更趋复杂。纂 于对建筑物的经济性和居住者的生命安全考虑，我们必须对建筑材料的燃烧性能 进行准确地判断和评估。 建筑物内可燃材料的使用是构成建筑火灾威胁的重要因素之一。对可燃材料 进行阻燃处理，使其变成难燃材料是降低建筑火灾危险性的重要措施，适时可行、 有严格要求的防火分级及相应的规范和标准是保证其阻燃措施落实的重要手段。 针对国内建筑材料燃烧性能的分级方法及相关的标准、测试方法中存在的一些不 够完善、不够科学的问题，通过参阅大量国内外文献本课题在建筑材料燃烧性能 的分级、评价方法方面做一些工作，探讨有能够比较精确的表征材料燃烧特性的 评价方法，力求评价方法与实际情况之间有较好的相关性，反映材料在真实火灾 条件下的火灾行为，作为评定实际使用条件下火灾危险性的依据。对材料的燃烧 性能进行客观、准确的评估，关系到防火设计、消防审核、技术监督等消防安全 体系的合理性、科学性及规范性，是一项非常有意义的工作。结合建筑物消防安 全设计和建筑材料阻燃要求，制定更加科学、全面的建筑材料分级标准和与之相 应的测试方法，加强消防安全监督管理，可从根本上预防建筑物火灾威胁，保证 人民生命财产安全。 从文献显示各国对材料的防火分级各不相同。由于各国所采用的分级方法不 北京t 业人学1 j 程坝i + 学位论文 同，很难形成一个为各国所接受的统一标准，这就导致各国所得出的结果是不一 致的，甚至是相互矛盾的“。再有就是各国现行的标准对材料及试验方法的条件 限制很多，如i s o1 1 8 2 要求被测材料必须是均质的，不适用于具有包裹层或结构 叠加的复合体的材料燃烧性能的判定。“。随着材料科学的发展，特别是建筑材料 同趋多品种多样化，现行的试验方法及相应的分级体系已远不能满足人们的需 要，甚至己制约经济的发展。因此必须研究建立新型的试验方法与材料分级体系。 新的防火分级体系的建立需要考虑两点：一是所采用的试验方法与实际火灾情况 更为接近；二是所依据的性能参数比较全面确切地反映材料的本性。基于以上本 课题提出以锥型量热计试验为依据对材料的燃烧性能进行分级。新分级体系与传 统分级的概念不同，统一了各种装饰材料的测试分级方法。对现行分级方法中无 法确认的复合型材料，新的分级体系更显示出其优势。 材料的防火分级取决于所采用试验方法。而目前没有哪个国家的标准规范为 世界各国所普遍接受，也没有一个分级体系是以现行的、被承认的国家试验方法 为依据的。因此必须建立新的、为世界所公认的统一的防火分级体系，这项研究 工作需要综合总结各国的研究成果并积累数据，是一个世界性课题。国际上有关 材料对火反应科学的发展趋势和研究成果表明使用以量热学耗氧原理为基础的 锥型量热计对材料分级是最科学最现代的试验手段。我们初步提出的新的材料防 火分级方案和本课题所做的工作期望能为我国今后研究制定材料防火分级体系 提供基本的试验数据。 1 2 国内外研究现状及分析 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工程采用材料的性能 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评价 体系，这个体系应该包括被测材料性能的界定、测试采用的方法、对测试结果的 评价等内容。有了体系后需要将材料按照特定的标准所规定的方法进行测试，再 根据测试结果对其进行评判( 分级) 。一种材料要以对其进行的测试和评判结果作 弟1 章文献综述及研咒内眷 为是否可以使用或在什么样的场合、什么样的部位和什么样的条件下可以使用的 依据。也就是说材料评价( 分级) 体系是一个国家相关安全规范的基础和重要组成 部分。材料的防火分级取决于所采用的试验方法。而目前没有哪个国家的标准规 范为世界各国所普遍接受，也没有一个分级体系是以现行的、被承认的国家试验 方法为依据的。因此必须建立各种建筑产品分级准则的新的火灾试验方法。 材料的燃烧性能是指材料对火反应的能力，防火等级是指材料具有的对火反 应能力的大小，防火分级是根据材料对火反应能力的大小确定的。产品的防火分 级传统上表达为等级或指数，即将产品的全部性能综合为一个或多个特征参数。 这些参数描述产品在试验中的燃烧特征，材料对火反应的描述取决于材料的燃烧 特征及试验方法。材料的燃烧特征包括点火性、热释性、烟及毒性气体的产生等。 就一般概念而言，建筑室内装饰材料的防火分级为：不燃性材料、难燃性材 料、可燃性材料及易燃材料“1 。这几个等级的划分主要依据的是材料在火的作用 下的燃烧程度，即材料对火反应的能力。从本质上讲，对火反应的能力主要体现 在材料自身在火作用下燃烧所放出的热量及放热的速度。 对材料这种本质性能的测试手段所采用的原理就是耗氧原理，即材料在对火 反应过程中每消耗i k g 的氧所放出的热量约为1 3 1 村。基于这个原理各国已设计 出了各种各样的试验方法并制定了相应的标准规范。如用于点火性测试的试验标 准i s 0 4 5 8 9 塑料一氧指数法确定其燃烧性能、n tf i r e0 0 2 建筑产品：点火 性能；用于材料不燃性判定的i s o1 1 8 2 建筑材料不燃性试验；用于材料难燃 性判定的6 8 8 6 2 5 - - 8 8 建筑材料难燃性试验方法等。通过这些试验方法所规定 的程序对材料的燃烧性能进行试验，从而根据各国的防火分级标准对材料的防火 分级，进行划分。表卜1 给出了各国现行的材料分级情况“r 删。 对于材料的燃烧性能常规的评价方法主要分为两个方面”3 ：一是属于预试性 评定，即目前国际、国内现有的各种材料分级和试验方法，其实验方法简单、易 于实现：二是针对实际火灾条件环境下的模拟实验。通过试验测定在火灾条件下 材料的燃烧行为和性能。 北京工业大学工程硕士学位论文 表1 - 1 ：各国对材料的防火分级 国家 材料的防火等级划分 中国a ，b 1 ，b 2 ，b 3 比利时a 0 ，a 1 ，a 2 ，a 3 ，a 4 丹麦不燃，可燃( a ，b ) 德国 a 级( a 1 ，a 2 ) ，b 级( b 1 ，b 2 ，b 3 ) 希腊不燃，可燃( 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ) 法国m 0 ，m 1 ，m 2 ，m 3 ，m 4 意大利0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 荷兰 不燃，可燃( 1 ，2 ，3 ，4 。5 ) 英国不燃，可燃( o ，1 ，2 ，3 ，4 ) 美国 不燃，可燃( a ，b ，c ) 希腊不燃，可燃( 0 ，l ，2 ，3 ，4 ) 法国m 0 ，m l ，m 2 ，m 3 ，m 4 意大刹 0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 荷兰不燃。可燃( 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) 英国 不燃，可燃( o ，l ，2 t3 ，4 ) 美国 不燃，可燃( a ，b ，c ) 堕墅垒! ：垒! ：呈：曼：2 ：兰：! 选定材料的燃烧性能测试方法和建立材料燃烧性能分级标准是编制有关设 计防火规范性能指数的依据和基础“。建筑内部装饰材料种类繁多，各类材料的 测试方法和分级的标准也不尽相同，而不同的测试方法获得的燃烧性能等级之间 不存在完全对应的关系。因此从整体上看，前者即现行的防火性能测试与分级标 准存在着不完善、不系统的问题；并且其测试结果也不能反映真实火灾条件下材 料的火灾行为，因而作为评定实际使用条件下火灾危险性的依据也有科学性不够 的问题。随着材料科学的发展，建筑材料日趋多品种多样化，新型复合材料日益 增多，防火性能已成为建材应具有的一项重要性能。如何科学地确定材料的燃烧 等级，已越来越引起人们的关注。世界各国在后一种评价方法方面做了很多工作。 半个世纪以来，s t e i n e r 管道试验曾一直是测试室内墙面装饰材料耐火性能 的标准方法洲。二十世纪四十年代初期u n d e r h r i t e r s 实验室提出的s t e i n e r 管道 试验自1 9 9 5 年作为n f p a 2 5 5 一建筑材料表面燃烧特性测试方法一被正式采用以 来，在2 5 英尺( 8 米) 1 英尺( 0 3 米) 管道中进行的这种试验直唯一地用来 确定室内装饰材料的耐火级别。然而，几十年来室内装饰材料已有了很大变化。 显然也应采用更好的测试方法。 第1 章文献综述及研究内替 二f 世纪七十年代末期，加州大学伯克利分校的消防研究实验室，研究并提 出了屋角试验。屋角试验比较客观真实地反映了材料在火焰中的各种性能“。是 目前国际上公认的对材料分级最科学最现代的试验手段。屋角试验属于大比例火 灾试验。对此欧美各国对火反应科学的发展趋势和研究成果对此欧美各国以及澳 大利亚和日本均已进行了大量的试验研究工作，并由北欧产生提出了以屋角试验 结果为依据的材料防火分级方案。这一分级方案f 在逐步完善并已在欧洲的一些 国家得到应用。屋角试验对确定材料在实际火灾中的防火等级无疑是种好方 法。但该类实验属大规模实验，尽管其与实际火情非常接近，但耗资巨大，因而 使它的应用普及性受到限制，只在科技发达国家得到应用，不可能大范匿推广。 1 9 8 2 年美国国家标准和技术研究院( n z s t ，后更名为n b s ) 研制出第台锥型 量热计，从那时开始人们将锥型量热计应用于火灾科学中来研究材料的燃烧特性 ! 。1 9 9 3 年，国际标准化组织( s o ) 正式出版了一个利用锥型量热计来测试材料 火灾特性的标准一一i s o5 6 6 0 。如今锥型量热计已成为火灾科学研究领域最为重 要的大型试验仪器，它不仅用于建筑材料、建筑构配件、电线电缆和聚合物的燃 烧特性研究“”“”，而且由锥型量热计所测得的数据还是性能化火灾设计和火灾 模化最为重要的数据输入。“h 2 “。 锥型量热计试验是在屋角试验的基础上设计的。其试验结果与屋角试验和实 际火灾及相互间的数学模型有着相同的对应关系。是一种小比例的科学合理的火 灾模拟试验。从实用和普及的角度来讲，可作为产品的常规试验方法，易于推广 应用。是研究划分材料防火等级的主要方法。 从国际上有关材料对火反应科学的发展趋势和研究成果来看，对材料分级最 科学最现代的试验手段，就是以量热学耗氧原理为基础而设计的屋角试验和锥型 量热计试验“。2 ”。这种试验方法把以往传统的多种独立的试验方法归于一体， 能够同时测定材料的点火性能、热释放率、烟及毒性气体等，整个试验是一个连 续过程。这种试验方法已为世界上人多数国家所承认，并已在科技发达国家应用。 国际标准化组织也己协调各国制定了相应的试验方法标准i s o9 7 0 5 和1 s o5 6 6 0 ， 这是研究材料对火反应科学的主要手段和今后的发展方向。它也应成为我国建立 材料燃烧性试验新体系的一个最主要的手段。 北京下业大学1 = 程硕上学位论义 随着科学技术的飞速发展，特别是近十几年来计算机技术的发展，己使得原 来理论上可行但技术上难于实现的方法变成了现实。屋角试验是国际上承认的比 较客观真实地反映材料在火灾中的实际状况燃烧性能“。但采用屋角试验是非常 昂贵的，也不可能作为材料的常规试验方法。因此开发一种替代方法对产品进行 分级。锥型量热计试验是一种小比例试验，但其结果确能表达大比例屋角试验的 实际火灾特性“。本课题拟进一步以锥型量热计试验为依据对材料的燃烧性能进 行分级，为人们研究材料对火反应提出了一个全新的概念。新的分级已不再是传 统的概念，它是伴随社会的发展和进步而出现的，是今后的必然趋势。 1 3 课题研究方案及技术路线 本课题的研究目的是探讨有能够比较精确的表征材料燃烧特性的评价方法， 力求评价方法与实际情况之间有较好的相关性，反映材料在真实火灾条件下的火 灾行为，作为评定实际使用条件下火灾危险性的依据。对材料的燃烧性或对火反 应的描述最确切最科学的方法必须由完整的火灾模拟或实际火灾中获得，这一点 是显而易见，但却不容易实现。完整火灾模拟的函义是什幺? 这需要考虑到各种 火灾的情形，从而确切地定义完整火灾模型的概念，以使对材芈季的燃烧性能进行 尽可能的评估。但由于费用和实际应用中存在一定的困难，实际上是难于实现的。 对大多数材料而言，一般采用小比例试验来进行评估，进而对建筑装饰材料的防 火等级进行划分。图1 1 所示为这一技术路线的过程框图。 从理论上讲，通过锥型量热计试验对材料的燃烧性能进行防火分级是可行 的。这要通过两个阶段进行。第一阶段是由锥型量热计试验结果预测屋角试验结 果；第二阶段是建立直接由锥型量热计试验结果对材料进行燃烧性能防火分级模 型。 对于第一阶段的工作，我国不具备屋角试验条件。目前，国外已在这方面作 了大量工作，国内也有科研单位进行研究，其积累的试验数据和研究成果基本表 明可以由锥型量热计试验结果预测屋角试验结果1 1 ”1 。第二阶段建立直接由锥 型量热计试验结果对材料进行燃烧性能的防火分级模型是课题的主要工作内容。 锥型量热计的发展主要是为了研究材料，特别是聚合物材料的燃烧特性。”3 、。1 ”， 因为锥型量热计的试验环境被认为是晟能代表实际火灾的燃烧环境。根据大量村 宴盼、火灾 性分析 的要求 数据 图1 1 材料防火分级技术路线框图 料的锥型量热计测试结果，从多个参数中选定可以作为描述材料在规定时间内对 火反应特征的基本参数，并据此提出新的分级方案和测试方法。新方案需要充实 补充大量的实验数据进行研究、验证及和现行分级方法、测试手段做对比。具体 实施的技术条件和实验条件有我国现行建筑材料燃烧性能分级方法的标准、规范 及测试仪器、设备及锥型量热计。 1 4 研究思路及主要内容 l 、用锥型量热计测试材料的燃烧性能，获得最大热释放速率、总热释放、有效 燃烧热、最大烟产生速率、总烟释放量及质量损失速率等参数。 2 、从上述参数中确定表明材料基本燃烧特征的参数。以热释放速度最大值和总 放热量作为描述材料在规定时间内对火反应特征的基本参数。 3 、用选定的基本参数对材料进行分级，建立新的分级体系。 4 、新的分级方案和我国现行分级进行对比、讨论。 北京工业人学工程碗上学位论文 5 、 以不燃性判定为例，采用锥型量热计对复合材料的不燃性进行检验。 1 5 研究的性质及作用 以锥型量热计试验为依据对材料的燃烧性能进行分级，为人们研究材料对火 反应提出了一个全新的概念。新分级规定的试验方法、判据和等级要求综合考 虑了材料燃烧火焰传播速率、材料燃烧热释放速率、材料燃烧热释放量、材料燃 烧烟气浓度、材料燃烧烟气毒性等材料燃烧特性参数，更加科学合理；新分级方 法对进一步促进新材料的开发，科学指导材料的合理应用，降低火灾危险，减少 火灾损失也其有重要的意义。新的分级体系与传统分级的概念不同，统一了各种 装饰材料的测试分级方法。 现行标准规范不适于对结构复合型材料的不燃性进行判定。锥型量热计试验 考虑材料对火反应的过程变化，适于对各种材料的燃烧性能进行检验。采用锥型 量热计试验对结构复合型材料的不燃性进行检验，方法科学严谨，可操作性强。 与现行的标准规范相比，锥型量热计试验对材料的不燃性判定条件更为严格。 新的防火分级能更好地反映材料性能的差异。有利于对材料燃烧性能作出更 准确的评价，也能更好地适应不断出现的新材料。同时也为相关规范能根据不同 的情况提出材料燃烧性能要求提供了更广泛的技术参数和更有力的技术支撑，为 材料的最终使用者提供了更大的选择空间。 1 6 本章小结 本章综述了研究建筑材料燃烧性能分级方法的意义、目的及国内外研究现 状：提出了本课题的研究方案、技术路线和主要内容。总结了课题研究的性质、 作用及创新。 材料燃烧性能评价( 分级) 体系是个国家相关防火安全规范的基础和重 要组成部分，并且为了避免使用中的混乱，这种体系应该是唯一的。因此必须建 立新的、为世界所公认的统一的防火分级体系，这项研究工作需要综合总结各国 的研究成果并积累数据，是一个世界性课题。国际上有关材料对火反应科学的发 展趋势和研究成果表明使用以量热学耗氧原理为基础的锥型量热计对材料分缴 是最科学最现代的试验手段。本文初步提出的新的材料防火分级方案和本课题所 做的工作期望能为我国今后研究制定材料防火分级体系提供基本的试验数据。 北京工业大学工程硕上学位论文 ! g | ! ! ! 一| 1 1 i ! 第2 章实验部分 2 1 实验所用主要设备 2 1 1 锥型量热计( c o n e ) ：生产厂家：英国p l 公司见图2 - 1 锥型量热计是由美国n i s t 于1 9 8 2 年推出的新一代燃烧测试仪器。1 9 8 5 年 第一台商品化仪器在美国问世。 图2 - 1 锥型量热计( c o n e ) 示意图 基本原理：氧消耗原理。 测试参数：热释放速率h r r ( k w m 2 ) ；有效燃烧e h c ( m j k g ) ；烟密度( 以 比消光面积计) s e a ( m 2 k g ) ；c o 生成量( k g k g ) ；c 0 2 生成量( k g k g ) ； 失重速率m l r ( g s ) ；点燃时间t t l ( s ) ；烟灰质量取样( k g k g ) 特点： 与传统的燃烧测试仪器相比，锥型量热计具有准确度高，重复性好，测试参 数可咀定量化及多功能测试。 由锥型量热计测出的结果与大型燃烧实验的结果有很好的相关性。因此，它 可以用于预测材料在真实火情中的燃烧特性。 2 1 2 建材不燃性试验炉：规格型号：j c b 1 生产厂家：江宁县分析仪器厂 第2 章实验部分 2 2 用锥型量热计测试材料的燃烧性能 2 2 1 锥型量热计试验原理 耗氧原理： 耗氧原理即材料燃烧时消耗氧的质量与所放出热量之间的比例关系。 通常材料的净燃烧热与燃烧所需要的氧是成比例的，这种关系可表示为每消 耗i k g 的氧大约释放1 3 i 1 0 3 k j 的热量。对大多数可燃物来说，这个数量的变 化大约在5 的范围。根据这个原理，试验时试样处于空气环境中燃烧，并处于 事先设定的外部辐射条件之下，测量燃烧产物中的氧浓度和排气流量，以此为依 据确定材料燃烧过程的放热量或放热速度。 目前为国际上普遍认同的试验方法为小比例锥型量热计试验及大比例屋角 试验。其试验计算过程如下： 1 耗氧分析的标定常数 c ：坐 ( 1 2 。5 4 x 1 0 3 ) i 1 0 式中： c 耗氧分析的标定常数，m “2 置g “2 k “2 ； 霸孔板流量计处气体的绝对温度，k ； p 孔板流量计的压差，p a ： 拘2 氧浓度； x 0 0 2 初始氧浓度。 式中1 0 - 0 对应于所提供的相当于1 0k w 的甲烷，1 2 5 4 1 0 3 是甲烷的吃值 ( 忽为甲烷的净燃烧热k j k g ，r o 是氧与燃料质量的化学当量比) ，1 1 0 是氧的 分子量与空气的之比。 2 热释放速度 首先应对氧浓度进行时间滞后修正： ) c 0 2 ( t ) = 工0 2 0 + t a ) 式中：x 0 2 ( t ) 延迟时间修正后的氧浓度； 北京工业大学工程硕士学位论文 i i x 0 ：延迟时间修正前的氧浓度 t 时间，s t 。氧分析仪的延迟时间，s 。 热释放速度q ( t ) 由下式计算： 砸h 钞u o 瞻慧羔1 ) x 0 2vl d l l u ) 一 式中：q ( t ) 热释放速度，k w ； 玩材料的净燃烧热，k j k g 氧与材料质量的化学当量比。 式中也t o 的值，对于一般样品可按1 3 1 0 x 1 0 3 来取，如知道该种材料的红值 则按确切值计算。 单位面积的热释放速度可由下式计算： 式中：q ”( t ) 单位面积的热释放速度，k w m 2 3 平均有效燃烧热 a s 试样暴露表面面积，肌2 。 幄彬= 娑 式中： 吃硝平均有效燃烧热，k j k g 巩样品的初始质量，虹； 豫样品的剩余质量，k g 。 2 2 2 原材料 阻燃聚对苯二甲酸丁二醇酯( p b t ) ： 阻燃高抗冲聚苯乙烯( h i p s ) 北京理 工大学阻燃实验室提供。 第2 章实验部分 2 2 3 锥型量热计实验 使用英国p l 公司的s t a n t o nr e d c r o f t 锥型量热计，按照a s t m e l 3 5 4 标准进 行实验。将水平放置的样品用不锈钢丝网保护，以避免样品的翘曲和膨胀。在 5 0 k w m 2 热辐射功率下对样品进行数据的测试。每个样品进行2 3 次平行实验。 2 3 用锥型量热计研究材料对火反应 2 3 1 原理 对材料的燃烧性或对火反应的描述最确切最科学的方法必须由完整的火灾 模拟或实际火灾中获得，这点是显而易见的，但却是不现实的。 新的材料防火分级体系的建立需要考虑两点：一是所采用的试验方法与实际 火灾情况更为接近；二是所依据的性能参数比较全面确切地反映材料的本性。从 国际上有关材料对火反应科学的发展趋势和研究成果来看，对材料分级最科学最 现代的试验手段，就是以量热学耗氧原理为基础而设计的屋角试验和锥型量热计 试验7 。 2 32 材料 水泥砂浆1 掉：水泥砂浆2 # ；聚氯乙烯；树脂防火板：纸面石膏板；棉布；阻 燃树脂板；羊毛地毯；木材；涂层钢板；胶合板；中密度纤维板：竹屑板送 检厂家提供。 聚甲基丙烯酸酯( p m m a ) ； 水泥聚苯复合板( 5 m m 水泥砂浆；l o m m 水泥砂 浆；1 5 m m 水泥砂浆) 中国建筑科学院防火所提供。 2 3 3 锥型量热计实验 使用英国p l 公司的s t a n t o nr e d c r o f t 锥型量热计。按照a s t m e l 3 5 4 标准迸 行实验。将水平放置的样品用不锈钢丝网保护，以避免样品的翘曲和膨胀。在 5 0 k w m 2 热辐射功率下对样品进行数据的测试，测试材料的热释放过程。 2 4 依据我国现行分级方法测试材料的燃烧性能 1 3 北京t 业大学丁程颂j ：学位论文 2 4 1 材料 水泥砂浆1 # ；水泥砂浆2 # ：聚氯乙烯；树脂防火板；纸面石膏板：棉布： 阻燃树脂板；羊毛地毯；木材；涂层钢板；胶合板；中密度纤维板；竹屑板送 检厂家提供。 聚甲级丙烯酸酯( p v n a ) ；水泥聚苯复合板( 5 栅水泥砂浆；i o f n f l 水泥砂浆： 1 5 m m 水泥砂浆) 中国建筑科学院防火所提供。 2 4 2 主要仪器设备 l 、氧指数测定仪：规格型号j f 一3 生产厂家江宁分析仪器厂 2 建材烟密度测试仪：规格型号j c y 一1生产厂家江宁分析仪器厂 3 建材不燃性试验炉：规格型号j c b 1生产厂家江宁分析仪器厂 4 水平垂直燃烧测试仪：规格型号c z f 一3 生产厂家江宁分析仪器厂 5 、建材可燃性试验炉：规格型号j c k - i生产厂家江宁分析仪器厂 6 建材难燃试性验炉：规格型号j c n 一1生产厂家江宁分析仪器厂 2 4 3 实验 按照国标建筑材料燃烧性能分级方法( g b 8 6 2 4 1 9 9 7 ) 及其引用标准对材 料进行燃烧性能试验，并判定级别。 2 5 材料的不燃性试验 2 5 1 材料 矿棉吸声板；菱镁装饰板送检厂家提供。 2 5 2 仪器设备 锥型量热计：生产厂家英国p l 公司： 建材不燃性试验炉：生产厂家江 宁分析仪器厂 笫2 苹实验部分 2 5 3 实验 l 、按照我国现行标准g b t 5 4 6 4 - 1 9 9 9 建筑材料不燃性试验方法对两种 材料进行测试，记录炉内平均温升、试样表面平均温升、试样中心平均温升、试 样平均持续燃烧时间、试样平均失重率。 2 、采用锥型量热计对两种材料进行试验；试验条件：辐射能量为5 0 k w m2 、 试验周期为9 0 0 s ，记录点火时间、热释放速度最大值、9 0 0 s 总放热量。 2 6 本章小结 本章主要介绍了以下方面的内容： 1 介绍了课题中所用的主要设备的名称、性能、规格和生产厂家。 2 介绍用锥型量热计测试材料的燃烧性能和对火反应试验的原理。 3 介绍用锥型量热计测试材料的燃烧性能，记录对火反应试验过程。 4 介绍依据我国现行分级方法测试材料的燃烧性能并判定级别。 5 介绍了对两种材料进行不燃性试验的方法、试验条件和试验结果记录。 北京工业大学工程硕士学位论义 第3 章结果与讨论 3 1 锥型量热计测试材料燃烧性能的讨论 3 1 1 确定新分级方法的基本参数及提出新分级方案 用锥型量热计测试材料的燃烧性能，试验结果见表3 一l 、表3 2 。 表3 1 阻燃增强p b t 的锥型量热计测试结果 阻燃增强p b t 点燃时间( t t i ) s 总释放热( t h r ) m j m 2 总释放烟量( t s r ) m s m 2 热释放速率( h r r ) 平均值k w m 1 热释放速率( h r r ) 峰值k w m “ 热释放速率( h r r ) 峰值出现时间s 有效燃烧( e h c ) 平均值m j k g 1 有效燃烧( e h c ) 峰使出现时间s 质量损失速率( m l r ) 平均值g s 质量损失速率( m l r ) 峰值g s 1 质鼙损失速率( 扎r ) 峰值出现时间s 表3 - 2 阻燃p s 的锥型量热计测试结果 阻燃h i p s 点燃时间( t t i ) s 总释放热( t h r ) m j m 。 总释放烟量( t s r ) 一m 1 热释放速率( h r r ) 平均值k w m 2 热释放速率( h r r ) 峰值k w m 。 热释放速率( h r r ) 峰值出现时间s 有效燃烧( e h c ) 平均值m j k g “ 有效燃烧( e h c ) 峰值出现时间s 质量损失速率( m l r ) 平均值g s 质量损失速率( m l r ) 峰值g s 质鼍损失速率( m l r ) 峰值出现时间s 从表3 一l 、表3 2 的锥型量热计实验数据中获得了点燃时间、最大热释放 速率、总热释放、有效燃烧热、最大烟产生速率、总烟释放量及质量损失速率等 搿蒜焉怎一 热搿警=篇俩 第3 章结果与讨论 反应材料燃烧性能的参数。如何从上述参数中确定表明材料基本燃烧特征的参数 呢? 通常材料的净燃烧热与燃烧所需要的氧是成比例的，这种关系可表示为每消 耗i k g 的氧大约释放1 3 1 x 1 0 3k j 的热量。对大多数可燃物来说，这个数量的 变化大约在5 的范围。根据这个原理，试验时试样处于空气环境中燃烧，并 处于事先设定的外部辐射条件下，测量燃烧产物中的氧浓度和排气流量，以此为 依据确定材料燃烧过程的放热量或放热速度。 3 0 0 2 5 。 二、 l 2 0 0 一 型1 5 0 剥 藿l o o 蒜； 图3 1p i 曲i a 热释放速度过程曲线 51 0 52 0 53 0 5 4 0 55 0 56 0 57 0 58 0 59 0 5 时间( s ) 图3 - 2 棉布热释放速度过程曲线 一 蜊 删 摧 鞋 图3 - 3 羊毛地毯热释放速度过程曲线 1 1 t 3 - - 4 阻燃树脂板热释放速度过程曲线 图3 1 至图3 4 所示为几种材料的热释放速度过程曲线，图示表明材料被 点燃后的热释放速度为时间的连续函数。目前国内外研究材料对火反应的结果也 表明，锥型量热计试验数据中，表明材料基本燃烧特征的参数是材料燃烧时的放 热速度。从上组图中以聚甲基丙烯酸酯( p 姗a ) 为标准样，如图3 1 所示，材料 在受到5 0 k w m 2 的外辐射作用下被点燃后的热释放速度为时间的连续函数。 第3 章结果与讨论 鼍i i 皇鼍鼍置舅喜舅罾酋皇一 根据统计学理论，表征统计量的基本参数是热释放速度的最大值和平均值。 而热释放速度与时间的积分就是材料在划定时间内的总放热量。因此，热释放速 度最大值和总放热量可以作为描述材料在规定时侧内对火反应特征的基本参数。 对于材料而言，锥型量热计试验测定的是点火时间、热释放率、烟及毒性气 体的产生。锥型量热计提供的能源来自锥型炉的辐射。作为一个参照点，黑色的 不燃材料在7 5 0 。c 时所受到的辐射能量为6 2 k w m 2 ，而实际火灾中材料所受到的 热辐射一般为2 0 1 5 0 k w m 2 。锥型量热计所提供的辐射能量为2 5 、5 0 、7 5 k w m 2 。 这与材料在实际火灾中的情况基本一致。因此，我们在试验时所选定的辐射能量 为5 0 k w m 2 ，这与国际上的通用方法是一致的。 表3 3 所示为各种材料的试验结果。从中可以看出，不同种类的材料在燃烧 过程中的热释放速度的最大值和总放热量存在较大差异。这表明在相同外部条件 下，热释放速度与时间之间的函数关系不同，主要体现在是否出现峰值和峰值大 小，从而对热释放速度的平均值即总放热量产生影响。这也充分说明不同材料对 火反应的程度不同。 表3 - 3 材料的锥型量热计试验结果 t 5 0 k 0 5 一i3 6 0 6 1 5 6 90 9 43 6 0 6i 9 2 7 l7 35 2 1 82