2020, Vol. 41
2. 中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室, 安徽 合肥 230026
2. State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
建筑外墙保温系统是有效实现建筑节能的主要手段[1].有机高分子保温材料挤塑聚苯乙烯(XPS)导热系数小，保温性能优良，被广泛应用于国内外不同建筑建设及改造工程中, 但XPS易被引燃，热释放速率大，且火焰蔓延快，使建筑保温系统火灾危险性显著增加[2].
许多学者对XPS火灾特性进行研究[3].Mehta等[4]用差示扫描量热法和热重分析法研究了发泡聚苯乙烯辐射加热过程的变化规律.Tsai等[5]通过锥形量热仪研究发现，聚苯乙烯泡沫水平放置时温度分布较为均匀，引燃临界热通量较低，引燃时间更短，热释放速率峰值更低，燃烧时间更长.Huang等[6]实验推导出了不同入射热通量下，XPS的点火时间与辐射热流之间的函数关系.Zhang等[7]研究了XPS火焰蔓延受XPS板尺寸和外界环境(平原和高原)的影响规律：相比于平原地区，高原地区条件下XPS的熔融和热解阶段变长.Wu等[8]研究了气流温度和速度对厚PMMA板火焰蔓延的影响, 气流的温度降低和速度增加都会导致引燃时间延长.Tewarson等[9]研究发现，随着外加辐射热通量的增加，聚苯乙烯样品热释放速率快速下降，产生更多的一氧化碳、碳氢化合物和烟雾微粒.
虽然保温材料及其系统的火灾特性已有较为全面的研究，但自然环境下XPS火灾特性易受环境风速影响; 其影响机制及规律仍待进一步研究.为此，本文以酒精池火为火源，在0，0.6和1.2m/s机械通风条件下，实验研究XPS引燃特性随通风风速、火源距离和火源位置的变化规律，XPS表面火焰蔓延速度、结焦效应出现时间和火焰高度随风速的变化规律，以及不同通风风速下的烟气浓度和温度及XPS材料燃烧状态等.
1 实验方法 1.1 实验系统缩尺寸XPS火灾实验模型如图 1所示.该系统主要由火源系统、XPS模拟外墙保温系统、数据采集系统和实验观测系统组成.为清晰描述实验测点布置，以模型左前下方边缘为零点，长、高、宽方向分别沿x轴、y轴及z轴设置参考坐标系(见图 1).
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图 1 实验模型示意图 Fig.1 Scheme of experimental setup 图中T1~T8为热电偶树; S1, S2为探头. |
实验模型主体为3.6m(x)×1.2m(y)×1.4m(z)，模型顶部和单侧壁面为1mm厚镀锌钢板，另一侧为8mm厚防火玻璃.为了模拟机械通风环境，在实验模型的末端(x=3.6m)设计全开口，并于开口对侧、距模型底面0.5m横向中心处(x=0，y=0.5m，z=0.7m)设置0.5m×0.5m通风口.通风口与风量为0~2200m3·h-1的变频排烟风机直接连接.
在缩尺寸模型靠近开口端(x=0.3m，y=0.55m，z=0.7m)设置XPS模拟保温外墙系统，采用角钢搭建0.5m×0.5m×1.2m的支架，将两块0.9m×0.5m×0.05m的夹芯复合防火板固定在角钢支架上, 防火板外壁面由1mm厚的铝镁合金板保温棉填充组成.实验选取两块0.3m×0.6m×0.05m的XPS板，密度为27.5kg/m3，两块XPS板以90°角粘贴在防火板上.在XPS板下部设置两个0.4m×0.1m×0.05m的铁制熔融池，承接XPS板熔融滴落物.
火源系统采用0.18m×0.12m×0.05m的不锈钢盆，放置在高0.3m的火源支架上.估算不同通风风速下，本实验火源的平均热释放速率为7.56kW.火源盆(100mL酒精)距离XPS板的距离记为d.
数据采集系统主要由直径0.001m K型铠装热电偶、德国MRU VARIO PLUS增强型烟气成分分析仪及LXI数据记录仪组成.热电偶的布置如图 1所示.在热电偶树T1~T4上分别竖直布置10支热电偶，自下而上进行编号(后文热电偶树均自下而上编号)，如T1-1~T1-10.其中各热电偶树1~10号热电偶均间隔0.05m.T1参考坐标为x=0.5m，y=0.4~0.85m，z=0.7m，T2~T4沿x轴水平布置，参考坐标分别为x=1.0，1.5，2.0m.T5~T7由5支间隔0.01m的热电偶组成，T5~T7最下方热电偶距模型底部0.35m.T5和T7分别布置在距XPS板中心线0.05m处，T6布置在距两块XPS板夹角交线0.05m处.在油池中心线上布置由8支热电偶组成的热电偶树T8，测量油池上方温度分布.热电偶T8-1~T8-5间隔0.05m，T8-5~T8-8间隔0.1m，T8最下方热电偶距模型底部0.35m.烟气分析仪探头布置在模型中靠近保温XPS板方向，探头S1参考坐标为x=0.9m，y=1m，z=1.05m，探头S2为x=2.25m，y=0.5m，z=1.05m.此外，利用CMOS相机记录实验过程中XPS板的燃烧过程.
1.2 实验工况实验中设置机械通风风速v分别为0，0.6和1.2m/s.此外，考虑到火灾场景多样性，实验设置不同d值的实验工况，并设置两种火源布置(垂直墙面结构：油池放置于单侧XPS板中心线方向; 垂直墙角结构：油池放置于两块XPS板外侧角平分线方向).
具体实验工况见表 1.
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表 1 实验工况 Table 1 Experiment conditions |
图 2给出了不同风速时XPS火灾发展过程.将XPS被点燃时刻定义为火灾初始时刻，即引燃时间t为0s，并每间隔30s记录一次火灾图像数据.
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图 2 不同风速下XPS板的燃烧过程 Fig.2 Combustion process of XPS under various ventilation velocities (a)—v=0m/s; (b)—v=0.6m/s; (c)—v=1.2m/s. |
根据图 2以及Huang等[10]对XPS在燃烧过程中质量损失速率变化的研究分析可知，XPS的燃烧过程包括热解收缩、引燃着火、表面燃烧、结焦和熔融滴落燃烧等.
对比不同风速作用下XPS的燃烧过程可以发现，在表面燃烧阶段，随着风速增加，垂直于XPS表面的回流作用增强，使火蔓延过程中的火焰剧烈震荡，火焰燃烧方向摇摆现象显著，预热区XPS受震荡火焰的辐射热逐渐增加; 此外，垂直固定的XPS板过火面熔融物受重力影响，使未燃的XPS受熔融物卷落的强制性热传导作用增强，因此XPS表面火焰蔓延速度加快.在黏附火焰阶段，随着风速增大，XPS板挥发的可燃性热解气体在XPS板表面的扩散速度增加，XPS板随着燃烧温度的升高逐渐熔融并流动，风速的增加会加快可燃熔融物的流动，加速熔融滴落物表面炭壳的产生，XPS从被引燃到出现结焦效应的间隔时间逐渐减少，导致火焰高度降低且持续时间增加，XPS的火焰从两侧边逐渐向中心发展蔓延.同时，对比图 2中XPS的火蔓延速度可知，当风速为0.6m/s时，XPS燃烧速率最大，XPS从被引燃到火势减弱的时间间隔最小; 当实验环境风速为0m/s时，XPS燃烧速率最小，XPS从被引燃到火势减弱的时间间隔最大.
2.2 XPS的引燃特性 2.2.1 火源距离对XPS引燃特性的影响图 3给出了火源垂直墙面位置，v为0.6m/s和1.2m/s条件下XPS引燃时间与d的关系.从图中可知，XPS引燃时间随d的增加近似线性增加，且当v为0.6m/s时，引燃时间随d的增加显著延长.通过对不同风速条件下引燃时间与对应火源距离进行线性拟合可知，在v为0.6m/s时，线性拟合优度R2=0.989;当v为1.2m/s时，线性拟合优度R2=0.892，其拟合优度均较好.
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图 3 不同火源距离下XPS板的引燃时间 Fig.3 Ignition time of XPS with different fire source distances |
在火源位于垂直墙面条件下，为有效分析XPS板周围温度分布，采集T5及T7上各热电偶测点实验数据.通过对比可知，以T7为例，当d和v不同时，测点T7-1温度值最高.
图 4给出了垂直墙面火源位置时，不同d和v条件下，测点T7-1测得的温度随时间的变化关系.
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图 4 不同火源距离下热电偶测点T7-1温度 Fig.4 Temperature data of T7-1 with different fire source distances (a)—v=0.6m/s; (b)—v=1.2m/s. |
从图 4中可以看出，随着d的增加，测点T7-1的升温速率和最高温度依次降低，因此需要较长时间的热量积累才能使XPS达到持续燃烧的条件.当d增大到一定值时，在火源持续燃烧期间，升温速度较缓慢，且此时能达到的最高温度较低，XPS不能达到持续燃烧的条件，则不能被引燃.如图 4所示，在实验中当v为0.6m/s时，XPS能够被引燃的最大距离dmax=0.20m;当v为1.2m/s时，XPS能够被引燃的最大距离dmax=0.15m.
2.2.2 通风风速对XPS引燃特性的影响图 5给出了火源位于垂直墙角及垂直墙面，火源距离0.05m时，在不同风速条件下XPS引燃时间.
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图 5 不同风速条件下XPS的引燃时间 Fig.5 Ignition time of XPS under various ventilation velocities |
由图 5可知，当d相同时，火源位于垂直墙面时XPS的引燃时间均小于垂直墙角位置，且XPS引燃时间均呈现先减小后增加的变化趋势.当v从0m/s逐渐增加时，模型内预热区及燃烧区卷吸的新鲜空气逐渐增加，使火源燃烧速率增大，加快了火源火焰与周围环境的热交换; 此外，随着风速的增加，XPS板受到水平方向热气体流动的热对流作用逐渐增强，因此XPS引燃时间逐渐减小.随着风速的进一步增加，过多卷吸的新鲜空气显著消耗预热区及燃烧区的热量，热效应显著抑制火源对XPS板的热辐射，使引燃时间逐渐增大.
当v为0m/s时，两种火源位置的XPS引燃时间相差不显著; 当v增加到0.6m/s及1.2m/s时，火源放置在垂直墙角位置时的XPS引燃时间显著长于垂直墙面工况，且当v为0.6m/s时，两种火源位置的XPS的引燃时间均达到最小值.
为进一步对比分析不同火源位置条件下v对XPS引燃特性的影响，在d相同的条件下(d=0.05m)，分别选取火源与XPS垂直中线位置的热电偶测点数据，分析其温度变化.
图 6分别给出了火源位于垂直墙面位置时测点T7-1及火源位于垂直墙角位置时测点T6-1的温度变化曲线.
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图 6 不同火源位置下热电偶测点温度 Fig.6 Temperature data of T7-1 and T6-1with different fire source location (a)—火源在垂直墙面位置，T7-1; (b)—火源在垂直墙角位置，T6-1. |
从图 6可知，当风速相同时，火源在垂直墙面的测点温度均高于垂直墙角工况，此时XPS引燃时间减少.当v为0m/s时，两种火源位置条件下测点温度差异较小，XPS引燃时间相近; 当v达到0.6m/s和1.2m/s时，两种火源位置条件下XPS引燃时间的差异也随之增加.此外，在三种风速下，火源垂直墙面位置的测点温度均高于垂直墙角工况，使得墙面位置的引燃时间均小于墙角位置.
2.3 烟气特性 2.3.1 通风风速对烟气最高温度的影响选取T1~T4，对不同风速下的烟气温度进行测量.实验发现，位于模型顶部下方0.1m处，各热电偶树的10号测点温度最高.图 7给出了测点T1-10，T2-10，T3-10和T4-10的温度变化曲线.
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图 7 不同风速下测点T1-10, T2-10, T3-10和T4-10的烟气温度 Fig.7 Smoke temperature data of T1-10, T2-10, T3-10 and T4-10 under various ventilation velocities (a)—T4-10; (b)—T3-10; (c)—T2-10; (d)—T1-10. |
从图 7可知，随着v的增加，各测点烟气温度均呈现先升高后下降的变化趋势.当v从0增加到0.6m/s时，距离XPS燃烧区域较近的T4测得烟气温度最大峰值; 随着v的继续增加，烟气温度迅速下降，当v增加至1.2m/s时，烟气温度达到该工况下的最小值.
对比图 7b~7d，随着测点与XPS距离的增加，不同风速下的烟气温度峰值均随之下降，风速为0.6m/s及0条件下的烟气温度峰值增量逐渐减小，且其峰值均高于1.2m/s风速条件下的烟气温度峰值.此外，在三种风速工况下，当风速为0.6m/s时，烟气温度达到峰值的升温时间最短; 风速为1.2m/s时，烟气温度达到峰值的升温时间最长.
2.3.2 风速对烟气浓度的影响为了研究XPS在不同风速条件下火灾烟气组分的变化规律，图 8给出了不同风速条件下，测点S1和S2的气体体积分数的变化曲线.
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图 8 不同风速下的烟气浓度 Fig.8 Smoke component concetration data of S1 and S2 under various ventilation velocities (a)—S1; (b)—S2. |
表 2给出了不同风速下，O2，CO2和CO体积分数达到峰值的时间.
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表 2 不同风速下烟气组分的变化 Table 2 Smoke component concentration under various ventilation velocities |
从图 8可知，点火后随着燃料的燃烧，烟气探测仪测点处O2的体积分数逐渐下降，CO2和CO的体积分数增加.受火源功率的限制，O2，CO2和CO的体积分数变化量较小.火源持续作用一段时间后，XPS被引燃，发生表面燃烧，此时O2体积分数迅速降低，同时可测得CO2和CO的体积分数快速增加，并分别达到峰值.随着XPS的继续燃烧，火势逐渐减弱，O2，CO2和CO的体积分数随之恢复到初始值附近.在受限空间火灾发展过程中，O2，CO2和CO体积分数随时间的变化趋势，能为火灾燃烧状态的判断提供重要依据[10].从图 8及表 2可知，当v为0.6m/s时，O2，CO2和CO体积分数变化值最小，且达到各组分峰值所需的时间最短; 当风速为0时，烟气中各组分体积分数变化值较大.
综上分析，XPS燃烧速率随着风速的增加呈现先增大后减小的变化趋势.当风速较小时，自然或机械通风会显著增加XPS燃烧环境中的氧气浓度，化学效应对XPS燃烧过程起主导作用，促进氧化反应进行，使其燃烧速率逐渐增大; 随着风速增加，燃烧区域的热量损失增加，热效应对XPS燃烧的抑制作用越来越显著，使其燃烧速率逐渐下降.
3 结论1) 随着通风风速的增加，XPS表面火焰蔓延速度逐渐加快，XPS从被引燃到出现结焦效应的时间间隔逐渐减小.
2) 当通风风速和火源位置相同时，XPS引燃时间与火源距离近似线性相关; 随着火源距离的增加，XPS的升温速度及最高温度逐渐下降.当风速为0.6m/s时，XPS的引燃最大距离为0.20m;当风速为1.2m/s时，XPS的引燃最大距离为0.15m.
3) 当火源距离相同时，火源垂直墙面条件下XPS引燃时间小于垂直墙角工况，且随着风速的增加，不同火源位置条件下XPS引燃时间差异显著.
4) XPS燃烧速率随着风速的增加呈现先增大后减小的变化趋势.当风速较小时，化学效应对XPS燃烧起主导促进作用; 随着风速的增加，热效应对燃烧的抑制作用显著增强.
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