PS建筑外墙保温材料燃烧及火蔓延行为研究

摘要

进入21世纪以来，能源问题已经成为制约社会可持续发展的主要因素之一，而建筑能耗逐年攀升，因此建筑节能势在必行，应用保温材料是建筑节能的有效方法。聚苯乙烯(PS)保温材料具有优良的隔热性能，已被广泛应用于建筑外墙保温。实际表明，未经阻燃处理的PS保温材料具有很高的火灾危险性，然而，迄今人们对PS保温材料的燃烧和火灾特性的研究还不够深入全面，特别是该类材料的火灾特性基础数据缺乏，材料自身及外界因素对其火蔓延影响规律不明，缺乏合适的耦合多因素影响的火蔓延理论模型。因此，十分有必要研究多参数影响下PS保温材料的燃烧和火蔓延行为，并建立相关火蔓延理论模型。
　　本文通过实验研究和理论分析相结合的方法，研究了PS保温材料的燃烧和火蔓延特性规律，并深入分析了倾斜角度、试样宽度、试样厚度、环境压力、辐射热流强度、边墙、外墙凹型结构和防火隔离带对燃烧和火蔓延的影响。通过开展实验，得到PS保温材料燃烧和火蔓延特性参数值，并得到该特性参数值随多影响因素的变化规律。通过理论分析，建立多参数耦合作用的PS保温材料火蔓延模型，得到模型预测值或者预测趋势。最后，将预测结果和实验结果相比较，验证模型的可靠性。
　　通过开展锥形量热仪测试，得到PS保温材料的燃烧特性数据，在此基础上建立了该材料的辐射点燃模型，该模型可用以修正因PS保温材料受热收缩引起的点燃时间的变化;另外，通过理论分析和实验数据拟合得到PS保温材料点燃时间平方根的倒数与辐射热流强度的线性公式，进一步得到PS保温材料的临界点燃热流。发现了点燃时间、热穿透厚度、热释放速率、有效燃烧热、火势增长指数、总释放热和烟气生成速率随辐射热流强度和试样厚度的变化规律，并分析了其中机理。
　　实验研究了材料宽度、倾斜角度以及熔融流动对PS保温材料顺流火蔓延的影响规律，并建立了耦合这些影响因素的PS保温材料顺流火蔓延模型。实验发现，当倾斜角度较小时，随着试样宽度增加，火蔓延速度先减后增;然而，当倾斜角度增大到一定值后，火蔓延速度随宽度增加先增后减，该现象可用所建的顺流火蔓延模型进行合理解释。通过实验还得到表面火焰高度、池火特性及预热区长度随材料宽度和倾斜角度的变化规律。
　　本文研究了防火隔离带对PS保温材料竖直顺流火蔓延的影响，分析了防火隔离带切断火蔓延的机制，建立了数学模型，对一定材料特征长度和隔离带高度工况下，火焰能否越过隔离带蔓延至上方进行了预测。对于大部分工况，预测结果和实验结果相符，通过实验还得到防火隔离带影响下PS保温材料火蔓延温度场。研究了凹型外墙结构下PS保温材料竖直顺流火蔓延特性，并建立了火蔓延预测模型，预测得到随结构因子（边墙宽度和保温材料宽度的比值）增大，无量纲火蔓延速度（凹型结构存在和不存在时蔓延速度的比值）随之增大，但增率呈减小趋势，这与实验结果一致，但预测值略大于实验值。
　　实验研究了XPS保温材料竖直逆流火蔓延规律及其影响因素。通过改变试样宽度、厚度、边墙结构和环境压力，研究了这些参数对逆流火蔓延的影响规律，得到火焰高度、质量损失速率、材料表面和气-固相温度、熔融物生成速率、火蔓延速度随各影响因素的变化规律。研究发现，逆流火蔓延速度随保温材料厚度增加而增大;无边墙时逆流火蔓延速度随宽度增加先减后增，有边墙时逆流火蔓延速度随宽度持续增大，且有边墙时的逆流火蔓延速度低于无边墙时的;常压地区的蔓延速度大于低压地区。综合实验研究和理论分析，建立了耦合上述影响因素的XPS保温材料竖直逆流火蔓延模型，模型预测得到的火蔓延速度变化趋势和实验结果基本相符。
　　本文研究成果有助于预测PS外墙保温材料火灾的发展，为评价该材料的火灾风险提供了指导，进一步为PS外墙保温系统的火灾安全设计奠定了理论基础。同时，本研究还在一定程度上发展了火灾科学。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 保温材料分类

1．1．2 PS保温材料的特性

1．1．3 PS保温材料的火灾危险性

1．2 研究现状及不足

1．2．1 研究现状

1．2．2 研究不足及存在的问题

1．3 研究目标及思路

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究思路

1．4 本文章节安排

第2章 固体着火及火蔓延理论模型

2．1 引言

2．2 模型介绍

2．2．1 加热模型

2．2．2 点燃模型

2．2．3 火蔓延模型

第3章 实验仪器和方法

3．1 实验仪器

3．2 实验方法

第4章 PS外墙保温材料燃烧行为研究

4．1 引言

4．2 实验材料、系统和方法

4．3 结果和讨论

4．3．1 点燃时间

4．3．2 热穿透厚度

4．3．3 热释放速率

4．3．4 火势增长指数

4．3．5 有效燃烧热

4．3．6 总释放热

4．3．7 烟生成速率

4．4 本章小结

第5章 PS外墙保温材料顺流火蔓延行为研究

5．1 引言

5．2 高原和平原不同环境下试样宽度和倾斜角度对PS保温材料顺流火蔓延的影响研究

5．2．1 概述

5．2．2 实验系统和方法

5．2．3 结果和讨论

5．3 防火隔离带对PS保温材料竖直顺流火蔓延的影响研究

5．3．1 概述

5．3．2 防火隔离带影响下PS保温材料竖直顺流火蔓延模型

5．3．3 防火隔离带影响下PS保温材料竖直顺流火蔓延实验

5．4 凹型外墙结构对PS保温材料竖直顺流火蔓延的影响研究

5．4．1 概述

5．4．2 凹型结构影响下PS保温材料竖直顺流火蔓延模型

5．4．3 凹型结构影响下PS保温材料竖直顺流火蔓延实验

5．5 本章小结

第6章 XPS外墙保温材料竖直逆流火蔓延行为研究

6．1 引言

6．2 平原地区试样宽度和边墙结构对XPS竖直逆流火蔓延的影响研究

6．2．1 概述

6．2．2 实验系统和方法

6．2．3 结果和讨论

6．3 高原地区试样宽度和边墙结构对XPS竖直逆流火蔓延的影响研究

6．3．1 概述

6．3．2 结果和讨论

6．4 试样厚度、边墙结构和环境压力对XPS竖直逆流火蔓延的影响研究

6．4．1 概述

6．4．2 实验系统和方法

6．4．3 结果和讨论

6．5 耦合试样尺寸、边墙结构和环境压力的XPS竖直逆流火蔓延模型

6．5．1 物理模型

6．5．2 数学模型

6．5．3 模型验证

6．6 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 本文主要结论

7．2 本文创新点

7．3 进一步工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果