竖直壁面条件下常用有机外墙保温材料的火灾行为研究

摘要

国家节能减排措施政策的实施促使了各种有机外墙保温材料在外墙的大范围应用。曰前国内市场上常用的有机外墙保温材料主要有聚氨酯硬泡(RPU)、膨胀聚苯乙烯泡沫(EPS)和挤塑聚苯乙烯泡沫(XPS)，它们有保温隔热性能好、质轻、施工方便、价格便宜等众多优点，然而有机高分子材料本身易燃，未经阻燃或阻燃不合要求的高分子保温材料一旦发生燃烧，过火很快，同时产生大量有毒有害烟气，是一个重大的安全隐患。近年来火灾事故时有发生，严重威胁了人民生命和财产安全，造成了负面的社会影响。
　　 外墙火灾涉及到两个火灾场景：一是由建筑内部火引起的“窗口溢流火”，二是由临近建筑的火灾引起的“临近壁面火”。国内外已经有一些关于EPS、XPS和RPU火灾性能方面的研究，但到日前为止还缺少这些材料在窗口溢流火和临近壁面火条件下的融化、炭化、点燃、燃烧等火灾行为研究。因此，本文从建筑外墙涉及的两个主要火灾场景入手，设计搭建了外墙保温材料火灾行为测试平台，研究了窗口溢流火和临近壁面火对外墙的加热作用，进而研究了常用有机高分子外墙保温材料的火灾行为。
　　 在溢流火条件下对外墙的加热行为研究方面，通过一系列实验，侧重研究了不同开口工况下溢流火焰对外墙的加热行为。建立了热流强度与溢流火焰热释放速率、火焰高度以及开口比率的关系式。在临近壁面火条件下对外墙的加热行为研究方面，研究了油盘尺寸、形状和距外墙距离等参数对外墙热流强度分布的影响，并得到了热流强度分布与热释放速率和火焰高度之间的关系式。
　　 基于外墙保温材料火灾行为测试平台对RPU、EPS和XPS在大尺寸溢流火和临近壁面火工况下的火灾行为进行了研究。对于未阻燃的RPU外墙保温材料，最主要的火灾危害是易点燃性和火焰在材料表面的快速蔓延特性。为此，对RPU火蔓延速度进行了实验研究和理论分析，确定了溢流火和临近壁面火工况下影响火蔓延速度的重要参数以及对火蔓延速度的影响机理。建立了RPU竖向火蔓延数值模型，耦合了窗口溢流火和临近壁面火热流强度关系式，对溢流火和临近壁面火工况下未阻燃和阻燃RPU的火焰高度和热解前锋高度进行了预测。与实验结果的对比显示，数值模型能够较好地预测火蔓延的趋势。
　　 对于聚苯乙烯泡沫类外墙保温材料，融化、收缩、热解、点燃和燃烧是其主要的火灾行为。锥形量热计和热重分析实验结果可以发现，聚苯乙烯泡沫热解和燃烧表现为单一过程。由溢流火和临近壁面火实验可以得出，聚苯乙烯泡沫的融化、点燃和油池火的形成及发展受到材料密度和外部火焰的壁面贴附情况等因素影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 常用有机外墙保温材料分类

1.1.2 常用有机外墙保温材料火灾危害

1.1.3 常用有机外墙保温材料火灾特性

1.2 相关研究现状

1.2.1 材料自身燃烧特性研究

1.2.2 溢流火与临近壁面火研究

1.2.3 火蔓延行为研究

1.2.4 相关测试标准与实验台设计

1.3 研究目标和思路

1.4 本文章节安排

本章参考文献

第2章 实验装置介绍

2.1 引言

2.2 标准测试装置和平台

2.2.1 热重分析仪

2.2.2 锥形量热计

2.2.3 全尺寸热释放速率实验台

2.2.4 耗氧法测量热释放速率原理

2.3 外墙保温材料火灾行为测试平台

2.4 测量仪器及系统介绍

2.4.1 水冷热流计及冷却水系统

2.4.2 热电偶测温系统

2.4.3 数据采集系统

2.4.4 红外热像仪

2.4.5 摄像机

2.4.6 电子天平

2.4.7 风速仪

2.5 本章小结

本章符号

本章参考文献

第3章 溢流火对外墙的加热行为

3.1 引言

3.2 实验工况

3.3 实验结果与分析

3.3.1 燃烧状态

3.3.2 火焰高度和温度分布

3.3.3 溢流火焰对外墙热流强度

3.4 本章小结

本章符号

本章参考文献

第4章 临近壁面火对外墙的加热行为

4.1 引言

4.2 实验工况

4.3 实验结果与分析

4.3.1 实验可重复性分析

4.3.2 热释放速率和质量损失速率

4.3.3 火焰高度

4.3.4 对外墙的热流强度分布

4.4 本章小结

本章符号

本章参考文献

第5章 聚氨酯硬泡保温材料火灾行为

5.1 引言

5.2 实验工况

5.2.1 锥形量热计实验工况

5.2.2 大尺寸实验工况

5.3 锥形量热计实验结果和分析

5.3.1 热释放速率

5.3.2 点燃特性参数

5.4 大尺寸实验研究

5.4.1 聚氨酯硬泡受热燃烧特性

5.4.2 聚氨酯硬泡竖向火蔓延速度

5.5 聚氨酯硬泡竖向火蔓延的数值研究

5.5.1 数值模型描述

5.5.2 编程与求解

5.5.3 数值模型结果分析

5.6 本章小结

本章符号

本章参考文献

第6章 聚苯乙烯泡沫保温材料火灾行为

6.1 引言

6.2 锥形量热计实验

6.3 热分析研究和失重速率预测

6.3.1 热分析动力学

6.3.2 失重速率预测

6.4 大尺寸实验研究

6.5 本章小结

本章符号

本章参考文献

第7章 结论与展望

7.1 本文主要结论

7.2 主要成果和创新点

7.3 研究展望

致谢

在读期间完成的学术论文与取得的其他研究成果