PS建筑外墙保温材料燃烧及火蔓延行为研究
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...
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。
  
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作者: 安伟光
学科专业: 安全科学与工程
授予学位: 博士
学位授予单位: 中国科学技术大学
导师姓名: 孙金华 刘锦茂
学位年度: 2015
语 种: chi
分类号: TU761.12 TU545
在线出版日期: 2015年11月2日