李浩瀚,馬 鑫，王經(jīng)緯，萬露露，李 旺，何 燦，劉天昊，夏云飛

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

0 引言

進入21世紀以來，社會經(jīng)濟高速發(fā)展，隨之而來的是能源消耗的與日俱增，其中建筑領(lǐng)域的能源消耗占總能源消耗的三分之一[1]，因此建筑節(jié)能改造工作亟需推行，有機保溫材料因其保溫隔熱效果好、導熱系數(shù)低、質(zhì)輕等諸多優(yōu)點而廣泛應用于建筑外墻保溫材料。目前市場上有機保溫材料主要有聚氨酯泡沫、聚苯乙烯等，此類保溫材料通常具有可燃性，燃燒過程會產(chǎn)生大量有毒煙氣，并伴隨熔融液滴落，引燃未燃區(qū)域，加大火災危險性。因建筑保溫材料而引發(fā)的火災屢見不鮮，圖1為2019年12月2日發(fā)生在沈陽市的一起因居民使用的插排電源線發(fā)生故障引燃保溫材料而引發(fā)的火災事故，造成了嚴重的經(jīng)濟損失。

圖1 沈陽市商住樓火災事件Fig.1 Fire incident in commercial and residential buildings in Shenyang

關(guān)于聚氨酯(Poly Urethane,PU)保溫板材火蔓延的特性，前人已經(jīng)進行過大量研究[2-6]。汪洋等[7]對不同氣壓下聚氨酯板材的寬度效應對于火蔓延特性的研究，指出了低壓環(huán)境下燃燒速率低于高壓環(huán)境，在相同的外界條件下，當保溫板材處于100 mm寬度時，保溫板材具有最小的燃燒速率等結(jié)論；宦祖飛等[8]基于熔融滴落現(xiàn)象，分別在水平情況下和豎直情況下進行了雙火源XPS火蔓延特性研究，得出關(guān)于雙火源條件下各項表征參數(shù)均大于單火源條件下的結(jié)論，揭示了雙火源之間對流傳熱的變化是影響實驗參數(shù)的重要原因；馬鑫等[9]對相鄰立面建筑結(jié)構(gòu)中聚氨酯的熱行為進行了探究，發(fā)現(xiàn)臨近角角度的大小會對平均火蔓延速率和火焰高度產(chǎn)生影響，得出了關(guān)于煙囪效應和限制效應耦合作用下燃燒情況迥異于自由燃燒的結(jié)論。前人對保溫板材沿豎直方向的火蔓延特性研究居多，對PU板材水平火蔓延特性缺乏相關(guān)探索。本文開創(chuàng)性地針對建筑外墻保溫材料與不同風速之間的效應進行研究，分別設(shè)置了風速vw為0，0.5，1.0,1.5,2.0,2.5 m/s的6種實驗，研究風速變化對于立面材料水平火蔓延行為的影響，表征重要的特征參數(shù)(如：火焰形貌、氣流組織分布、質(zhì)量損失速率、溫度場分布、輻射熱流變化等)，用這些參數(shù)的變化規(guī)律來體現(xiàn)建筑外墻保溫材料火災的風速效應。

1 實驗設(shè)計

本文中的所有實驗均是在自行搭建的右側(cè)給風情況下PU板水平逆流火蔓延實驗裝置中進行的，實驗裝置如圖2所示。

圖2 PU板燃燒火蔓延實驗平臺Fig.2 Experimental platform of PU board combustion fire spread

實驗裝置包括可調(diào)節(jié)穩(wěn)定送風系統(tǒng)、保溫材料火蔓延系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3個部分。變頻風機可提供實驗所需的穩(wěn)定側(cè)向風，風速儀用于檢測風速波動情況，檢驗環(huán)境風是否符合實驗要求。實驗裝置放置于高精度電子天平(型號：德國Sartorius，精度0.01 g)，用于監(jiān)測實驗過程中質(zhì)量的變化。實驗所采用的PU泡沫板樣品的厚度、長度、寬度分別為20 mm、800 mm、200 mm，其它各項物理參數(shù)見表1.實驗PU板材通過鐵釘固定在絕熱石膏板上，石膏板通過支撐鐵架固定于熔滴滴落臺，熔滴滴落臺(1 200 mm×300 mm×50 mm的石膏板)用于承接因燃燒過程中PU板熱解產(chǎn)生的熔滴物。實驗前使用馬克筆在實驗板材上標注刻度線，間距為100 mm，用以實時觀察記錄PU表面近域溫度場分布情況；PU實驗板材兩側(cè)呈陣列布置10 根K型熱電偶編號為T0-T9，距保溫板材表面2 mm，以防止對質(zhì)量測量的影響,用于記錄板材火蔓延過程中的表面場溫度；板材中間對立固定兩根水冷式輻射熱流計(型號：STT-25-50-R/WF, Tecfront Co., LTD.)，用于記錄PU板熱解前鋒輻射熱通量；在實驗裝置正前方放置一臺高清相機(型號：SONY，F(xiàn)DR-AX100E)，用于錄制保溫板材火焰變化形態(tài)以及熱熔滴落現(xiàn)象。以上實驗儀器共同組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并以1 Hz頻率進行數(shù)據(jù)采集與記錄。

上述實驗裝置模擬真實環(huán)境下建筑發(fā)生火災時立面保溫材料的燃燒行為，以分析火災防治方法。本實驗取vw分別為0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 m/s 6種風速條件進行實驗，所有的實驗均在恒定的初始環(huán)境溫度和濕度下進行((22.0±2.0) ℃，(55±4)%)，每組實驗重復不少于3次的情況下，選取最具代表性的實驗數(shù)據(jù)進行分析用以排除實驗誤差。

表1 實驗所選用PU板材的各項屬性Table 1 The properties of PU board used in the experiment

2 實驗結(jié)果分析

2.1 火焰前鋒形態(tài)分態(tài)

火焰前鋒形態(tài)可直觀反映火勢大小及其危害性，其主要受燃燒區(qū)周圍空氣湍流影響，在火場可依據(jù)火焰前鋒形態(tài)判斷火蔓延趨勢進行逃生及撲救工作。圖3為風速vw分別為0 m/s和2.5 m/s情況下火焰前鋒的形貌瞬時變化。

圖3 側(cè)向風速vw=0 m/s和vw=2.5 m/s時的火焰前鋒形態(tài)示意圖Fig.3 Schematic diagram of flame front shape with lateral wind speed vw=0 m/s and vw=2.5 m/s

火蔓延共分為三個階段。第一階段(t= 60 s)為燃燒初期階段，火焰前鋒呈現(xiàn)垂向分布，PU板各部分燃燒速率基本相同，這時的燃燒現(xiàn)象是火焰周圍氣流被輻射熱加熱，膨脹產(chǎn)生上升氣流，夾帶火焰豎直向上傳播，由于高熱空氣的膨脹上升，在壓差的作用下PU板的下側(cè)卷吸周圍冷空氣，再加上火焰下部覆蓋在PU板未燃區(qū)域，使得火蔓延前期下側(cè)快于上側(cè)。第二階段(t=160 s)火焰前鋒的形貌呈水平V型，這主要是由于空氣卷吸效應，使得側(cè)邊燃燒速率大于PU板中部，由于風力與上升氣流的耦合作用加強了PU板上側(cè)附近煙氣的活躍度，強化了試樣上側(cè)周邊冷空氣的卷吸效應，從而加劇氣流中的可燃氣體燃燒，此外施加的左向自然風力，使得火焰前鋒在上升氣流與風力的合力作用下偏離PU板，兩側(cè)邊火蔓延速率逐漸持平，此時的火苗形狀已經(jīng)呈現(xiàn)斜向左上的方向。第三階段(t= 260 s)風速較小的情況下(vw=0，0.5，1.0 m/s)呈現(xiàn)水平V型的火焰前鋒，在風速較大的情況下(vw=1.5，2.0，2.5 m/s)火焰前鋒與PU板下側(cè)呈銳角的傾斜直線。三個階段揭示了PU板火焰熱解前鋒形態(tài)以及預熱區(qū)的變化，以及側(cè)向風的存在導致試樣上側(cè)燃燒速率逐漸大于下側(cè)。

2.2 質(zhì)量損失及熔滴率分析

圖4為不同風速條件下PU板水平火蔓延過程中質(zhì)量變化情況，可以看出風速對材料熱解起主導作用。圖5為選取燃燒穩(wěn)定階段進行線性擬合得到的質(zhì)量損失速率折線圖，結(jié)果表明:當風速較小時可促進燃燒區(qū)周圍氣流組織的活躍，使得PU板熱解前端得到充足的氧氣，質(zhì)量損失加快；隨著風速的加大，風力對火焰蔓延的阻礙作用大于對周邊氣流組織的促進作用，使得燃燒減慢，質(zhì)量損失速率降低，同時由于過大的風速會帶走大量的熱量，從而使得熱解速率下降。

圖4 不同風速下PU板的燃燒質(zhì)量變化Fig.4 Combustion quality change of PU plate at different wind speeds

圖5 不同風速下PU板質(zhì)量損失速率折線圖Fig.5 Line chart of mass loss rate of PU plate at different wind speeds

PU板屬于高分子聚合物，在高溫條件下會發(fā)生受熱熔融收縮現(xiàn)象，而熔融滴落是實際火災發(fā)生時嚴重

圖6 風速為2.0 m/s時的PU板燃燒熔融滴落現(xiàn)象Fig.6 Melting and dripping phenomenon of PU plate during combustion when wind speed is 2.0 m/s

的災害隱患，因此研究燃燒熔融滴落現(xiàn)象具有重要意義，圖6為風速vw=2.0 m/s時的PU板燃燒熔融滴落現(xiàn)象。水平火蔓延過程中火焰前鋒呈水平V型，因而下側(cè)的熔滴液直接滴落至滴落臺上，而上側(cè)熔滴液生成速率大于其燃燒消耗速率，因此熔滴液逐漸積累直至溢出，從而引燃PU板上側(cè)的未燃區(qū)域，加大了火蔓延速率。表2為不同風速下板材的熔滴率，此處將熔滴率定義為熔融液滴落質(zhì)量和試樣初始質(zhì)量的比值，可見隨著風速的加大，PU板的熔滴率也在不斷增大，直到風速大于2.0 m/s之后逐漸趨于穩(wěn)定。這歸結(jié)于隨著風速加大，PU板的熱解前鋒加劇熱解，自身重力和風力的作用使得熔滴產(chǎn)生水平方向的動量，加速了熔滴的產(chǎn)生和滴落。達到一定風速后熔滴率趨于穩(wěn)定導致質(zhì)量損失速率不再增大；風速的阻礙作用占據(jù)主導，也是導致風速過大時質(zhì)量損失速率降低的原因。

表2 不同風速下板材的熔滴率Table 2 Droplet rate of sheet metal at different wind speeds

2.3 溫度場及輻射熱流分析

溫度直接影響PU板燃燒過程中的質(zhì)量損失速率、熱解狀況等多種參數(shù)，研究PU板表面溫度變化可以直觀解析燃燒狀況。圖7為PU板水平逆流火蔓延過程中近域場溫度場梯度分布，T0—T9對應的溫度用θ0—θ9表示，(a)、(b)圖分別表示風速vw為0.5 m/s和2.0 m/s的情況。

(a)vw=0.5 m/s

(b)vw=2.0 m/s

從圖中可以看出，當火焰前鋒到達第一列熱電偶(T0，T5)時，下側(cè)的燃燒溫度高于上側(cè)，vw=0.5 m/s時θ5記錄為819.2 ℃，θ0記錄為559.2 ℃；vw=2.0m/s時θ5記錄為657.9 ℃，θ0記錄為533.8 ℃。這是由于燃燒產(chǎn)生的熱空氣膨脹上升，并且隨著風速的增加，上側(cè)的高熱空氣偏斜于豎直方向的角度越大，高熱空氣的逸散促進了周邊冷空氣的灌流，使得PU板上側(cè)的空氣流動頻率大于下側(cè)，并且側(cè)向風帶來了充足的空氣，燃燒產(chǎn)生的可燃氣體與空氣進一步混合，加大了PU板火焰前鋒上部的熱解；由于上側(cè)冷空氣灌流較下側(cè)更強，產(chǎn)生的冷卻效應也更強，上側(cè)燃燒溫度峰值低于下側(cè)。這也就闡述了上側(cè)溫度低于下側(cè)，燃燒速率大于下側(cè)。隨著火蔓延的進行，PU試樣下側(cè)溫度始終高于上側(cè)。但是在不斷變換風速的情況下，上下側(cè)溫度發(fā)生顯著的差異，表現(xiàn)在風速逐漸加大，溫度差異逐漸縮小，這是由于隨著上側(cè)的燃燒速率的不斷增高，熱解速率不斷增大，在火蔓延過程中產(chǎn)生的輻射熱量越來越多，從而在不斷縮小上下兩側(cè)的溫度差。

圖8為不同側(cè)向風速下PU板上下側(cè)輻射熱通量變化曲線。從圖中可以看出，無論環(huán)境風存在與否，下側(cè)輻射熱通量的峰值始終高于上側(cè)，且隨著風速的加大，輻射熱通量峰值的差值呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。這主要是由于燃燒初始階段時產(chǎn)生的上升煙氣阻礙了上側(cè)火焰輻射的擴散，當風速較小時，風力的增強還不足以吹散積聚的氣固混合物，下側(cè)的劇烈燃燒增強了火焰輻射，上下側(cè)輻射熱通量的峰值差開始增大；隨著風速的增加，由于浮力作用的上升煙氣被吹散以及較強風力具有冷卻作用占主導地位，使得上下兩側(cè)的溫度峰值差逐漸減小，火焰的熱釋放速率隨之減少，此外火焰形狀的變化使得高溫核心區(qū)轉(zhuǎn)移到PU板外，也會使得輻射熱通量的峰值差開始逐漸減少。

(a)vw=0 m/s，vw=0.5 m/s，vw=1.0 m/s

(b)vw=1.5 m/s，vw=2.0 m/s，vw=2.5 m/s

3 結(jié)論

本文探究了不同風速對PU板水平逆流火蔓延特性的影響，開展了一系列小尺度實驗，討論和分析實驗數(shù)據(jù)所獲結(jié)論如下：

1)環(huán)境風會改變保溫材料上下側(cè)的溫度升高速率，風速越大，PU板上下兩側(cè)溫度峰值差越小，風力通過促進上側(cè)卷吸效應加快了PU板上側(cè)的熱解速率。

2)環(huán)境風會改變保溫材料上下側(cè)的輻射熱通量差值，風速越大，PU板上下兩側(cè)輻射熱通量峰值差先增大后減小，風力逐漸加大了上側(cè)的熱輻射行為。

3)環(huán)境風會導致室外保溫材料燃燒質(zhì)量損失速率異于無風狀態(tài)，隨著逆向風風速的加大，質(zhì)量損失速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，滴落材料質(zhì)量百分比隨風速增大而增大。主要歸結(jié)于風速小的時候促進卷吸效應占據(jù)主導，風速過大的時候阻礙燃燒速率占據(jù)主導。

4)根據(jù)實驗獲得的關(guān)于火焰前鋒形貌變化、質(zhì)量損失速率、溫度場梯度分布、輻射熱通量等重要特征參數(shù)，分析風速大小對這些火蔓延特性的影響，探討存在自然風情況下的高層建筑水平火蔓延防治措施，有助于其火災危險性評估和建筑立面的安全設(shè)計。

通過分析側(cè)向風速影響下聚氨酯泡沫水平逆流火蔓延相關(guān)特性參數(shù)所得實驗數(shù)據(jù)，對高層建筑外墻保溫材料火蔓延的防治提出以下兩點建議：

1)針對PU板燃燒過程滴落材料質(zhì)量隨風速增大而增大的情況，建議設(shè)計建筑時在每層樓房外墻向外延伸100～150 mm,使用耐高溫材料修建熔池，用以承接建筑外層保溫材料發(fā)生火災時的熔融滴落物。

2)針對PU板風速小于3.0 m/s的火蔓延過程中，下側(cè)溫度及輻射熱通量高于上側(cè)的情況，下側(cè)溫度過高極有可能破壞建筑外墻的完整性和穩(wěn)定性，造成墻體出現(xiàn)裂隙甚至坍塌，建議在常年主導風向的上風側(cè)設(shè)置噴淋系統(tǒng)，一方面由于重力的因素，射流會以拋物線的形狀向下傾斜，另一方面設(shè)置于上風側(cè)水流受風力的影響可以實現(xiàn)更大的射流面積，從而有效降低建筑室外保溫材料的輻射熱通量和溫度。