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建筑材料及制品燃烧性能试验

作者: 来源: 日期:2019-3-11 17:30:21 人气:0

建筑材料和制品燃烧性试验规范对保证建筑物内人的生命安全和财产安全是非常重要的。由于建筑材料和制品的燃烧引发的火灾往往会导致人员伤亡和财产损失,才迫使人们不得不制定相应的规范和测试方法来解决建材及制品的燃烧性能问题。当今的测试方法很多,范围也非常广泛,测试样品从粉末状到全尺寸火灾试验不等。测试方法还受到材料燃烧性试验参数的特殊规定,施加于材料表面的火焰强度、试验样品的尺寸大小等诸多因素的影响。与此同时,某些特殊的规定如样品方向、火焰强度等,使得现存的一些规范的测试结果与建筑材料或制品在全尺寸模拟火灾条件下的测试结果不相符,因此,不得不对某些有特殊要求的材料或制品的测试方法进行修改或替换。
  目前,对建筑材料和制品的燃烧性试验结果往往都是采用火焰传播距离来表征。20世纪70年代,国际上对材料燃烧性试验结果的比较,都是根据不同试验方法对材料进行的分级判定,这无异于产生随机数,其试验结果间几乎无可比性。笔者对目前国际上建筑材料和制品主要的燃烧性试验规范进行概述,讨论不同测试方法的优缺点。只涉及建筑材料防火性能试验规范中最常用的一部分。
  1 美国建筑材料和制品的燃烧性要求
  美国国际建筑规范(International Building Code)及其他建筑规范、国家防火保护协会(National Fire Protection Association, NFPA)101(NFPA 101)-生命安全规范等均对建筑材料和制品燃烧性及其危害的试验方法和标准作了相关规定。在美国,为公众接受的判定标准和分级方法一般都参照国际建筑规范中的规定,该规范也是美国主要的建筑规范。上述规范均要求测试建筑材料的燃烧性和火焰传播特性,它们的测试方法分别对应ASTM E136(燃烧性)和ASTM E84(火焰传播),其中ASTM E84还对可见烟的特征作了规定。
  1.1 燃烧性试验方法
  美国对不燃材料进行分级的试验方法是ASTM E136,该方法测试材料在750℃的垂直管状炉的热行为。试验前对样品进行干燥处理,样品的外形尺寸为38mm×38mm×51mm。材料如果能达到ASTM E136标准中规定的指标,即可判定为不燃材料。ASTM E136规定需对每个材料或制品4个样品进行测量,其中的3个样品通过试验,即可判定材料为不燃材料。具体判定要求为:如果测试样品的重量损失不大于50%,在试验开始后的前30s内,首先样品表面和内部的温升不超过30℃,其次样品不燃烧;如果测试样品的重量损失大于50%,则材料的温度不超过试验前测得的材料达到稳定时温度,且整个试验过程中样品不燃烧。
  ASTM E136标准的注释部分对该标准的测试方法和原理作了说明。Carpenter等指出,ASTM E136有一个重要的缺陷,那就是不能定量地测量材料的热释放率或燃烧性,只是定性地给出一个通过/不通过的试验结果。尽管如此,ASTM E136也是一个非常严格的试验,测试材料中即使只含有少量的可燃成份都常常会导致试验失败。因此,根据ASTM E136,含有可燃性粘合剂和矿物木质隔热材料、炉渣混凝土、水泥与木屑的复合材料、木纤维增强石膏板等都判定为可燃材料。石膏墙板的板芯能满足不燃性规定要求,而纸面石膏墙板却不能通过不燃性试验。
  此外,对可燃材料进行阻燃处理并不能使之成为不燃材料,其试验结果也达不到ASTM E136的要求。Tewarson等认为E136也能够为性能化火灾设计提供定量的数据支持。
  为了对那些低燃烧性的材料进行分级,需要其他的试验方法,如NFPA 259规定的建筑材料潜热的试验方法。材料的燃烧潜热是指材料在氧弹量热汁测得的总热量与其在750℃的炉子中放置2小时以后的测得燃烧热值之间的差。
  在NFPA 101生命安全规范中,该测试方法被用作判定难燃材料的标准,标准中规定难燃材料的燃烧潜热应低于8140kJ/kg。Carpenter等研究了将锥形量热计试验作为判定材料燃烧性能的标准试验,但他们同时指出,由该方法产生的分级系统可能会打乱现存的材料的分级体系。
  1.2 内装饰材料的燃烧性试验
  北美对建筑材料表面燃烧特性的主要试验是7.6 m的Steiner隧道炉试验。与之对应的标准有ASTM E84,NFPA 255和UL 723。该试验是在样品的一末端施加长1.35 m的火焰作为燃烧源,来观察材料表面的火焰传播特性和燃烧过程的烟密度。根据所观察的火焰传播,通过计算火焰传播距离–时间曲线下的面积得到相对无因次火焰传播指数(Flame Spread Index,FSI),为了便于计算,假定火焰前端不会后退。相对烟密度指数(Smoke Developed Index,SDI)是通过计算烟密度-时间曲线下的面积得到的,计算时,规定增强水泥板的SDI=0,红橡木地板的SDI=100。历史上也曾以红橡本地板为100,石棉板为0来计算火焰传播指数和烟密度指数,目前仍采用火焰到达橡木板末端的时间来校准设备,但不用来计算火焰传播指数。由于上述试验方法中都是将样品安放在矩形试验炉的顶部,导致了样品的安装方法成为了这些测试方法中最具争议的地方。ASTM E84标准的附录对样品的安装方法作了说明。
  Tewarson等认为E84的局限性与E648类似,即很难评价材料或制品在热流作用下的火灾行为,而且环境条件、样品的形状、尺寸以及安装方法都会对试验的结果产生影响。为了便于产品的研究和开发,人们常常采用其他的试验方法来对ASTM E84进行校准。
  根据ASTM E84的FSI测试结果,将内装饰材料分为3个等级:A级或Ⅰ级要求FSI值不大于25;B级或Ⅱ级要求FSI值在26~75之间;C级或Ⅱ级要求FSI值在76~200之间。
  如果材料的FSI值超过了Ⅲ级的上限值,则判定材料不达等级,该材料就不能在对材料燃烧性能有一定要求的场所使用。以上3个等级的SDI值都要求不大于450。建筑材料和制品的火焰传播指数值可以在Galbreath的论文以及美国森林和纸业协会(American Forest&Paper Association),Underwriters'Laboratory, Underwriters'Laboratory Canada和Intertek的出版物中查到。
  对可燃材料的阻燃处理的主要目的是为了降低材料的火焰传播指数。表面是否经过阻燃涂层处理对材料火焰传播指数值有正面或负面的影响,但这些影响都不足以改变材料的分级,除非原来的基底材料的分级本身就非常低。例如:砖头、混凝土和石膏板的FSI为0,当在它们的表面涂覆一层1.3mm的醇酸树脂涂料、乳胶漆或纤维墙纸时,它们的FSI变为25。然而,当在FSI分级为150的木材以及FSI分级为25石膏墙板表面涂覆一层1.3mm的醇酸树脂涂料或乳胶漆或纤维墙纸时,是不会改变材料的分级的。

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