玻璃纖維與EPS復合層的燃燒特性分析

戴文燕

常州市慧宇建筑工程質量檢測有限公司（213003）

玻璃纖維與EPS復合層的燃燒特性分析

戴文燕

常州市慧宇建筑工程質量檢測有限公司（213003）

玻璃纖維材料具有不燃、耐熱、力學性能突出的優點，經常與EPS組合應用在建筑工程外墻結構中。文章在對模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保溫系統技術特點分析的基礎上，提出采用TG—DSC技術、微型燃燒量熱儀、錐形量熱儀和立體燃燒實驗裝置對EPS與玻璃纖維組合材料的燃燒特性進行測試分析。測試結果表明，單純的玻璃纖維不易燃燒，但與EPS組合應用時會加劇EPS的燃燒，不利于建筑的火災救護。

建筑工程；外墻；玻璃纖維；EPS；燃燒

0 引言

建筑外墻不僅要滿足結構受力要求，還要滿足保溫隔熱的功能性要求，為實現這種要求，通常在外墻結構層外加設保溫層。當前，建筑外墻普遍采用各種有機保溫材料，而模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保溫系統由保溫層、抗裂防護層和飾面層組成，其保溫隔熱、抗風、防水、抗沖擊等性能優越，能大幅度降低能耗，減少環境污染[1]。然而，由于EPS易燃，故發生火災時會加速火勢的蔓延，而玻璃纖維耐溫高、不易燃燒，為探究玻璃纖維能否起到延緩EPS燃燒的效果,有必要對EPS和玻璃纖維復合層的燃燒特性進行研究。

1 模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保溫系統的技術特點

火災是最經常、最普遍地威脅公眾安全和社會發展的主要災害之一。建筑火災時有發生，常常會造成一定的人員傷亡，且高層建筑的火災造成的損失更為嚴重。近年來，通過調查多起建筑火災發現，建筑有機保溫材料促進火災的傳播、釋放毒性煙氣的問題普遍存在[2]。建筑墻體的節能保溫材料包括有機類、無機類和復合材料類三種，其中有機類材料應用最為廣泛，但有機保溫材料發生火災時，具有傳播速度快、起火點不易確定、撲救難度大的特點。隨著建筑工程質量要求的提高，許多建筑的外墻都要求具有更好的保溫隔熱、抗風、防水、抗沖擊等性能，滿足這些技術要求的模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保溫系統應運而生[3]。有機保溫材料具有輕質、保溫隔熱性能好的特點，但也存在易老化、易燃燒的缺陷，而玻璃纖維材料具有不燃、耐熱、力學性能突出的優點，與EPS有機保溫材料結合在一起，可以提高建筑墻體的抗裂、防水性能，同時也會改變建筑外墻的燃燒性能。

2 EPS材料和玻璃纖維的熱解特性

熱重分析法和差示掃描量熱法是快速測試物質物理性質與溫度關系的熱分析技術。為準確測試物質的受熱行為和分析熱解機理，常常將幾種熱分析技術或者熱分析和其它技術配合使用形成熱分析聯用技術，TG—DSC技術是融合了熱重分析儀和差示掃描量熱儀的同時聯用熱分析技術，被廣泛應用于物質熱分解機理的研究[4]。為此,采用德國TG—DSC同步熱分析儀分別對EPS和玻璃纖維網格布材料進行10℃/min升溫速率下的熱解試驗，分析其熱解性能和熱解機理。

EPS材料的熱解試驗表明，EPS在空氣中幾乎完全熱解，在試驗前期，EPS材料的質量基本不變，在到達燃燒臨界溫度時，EPS材料的質量呈現斷崖式下降，并最終保持一定的質量（約為原總質量的5%）。EPS材料的反應起始溫度約為250℃，持續到290℃時出現加速燃燒的現象，反應結束溫度約為390℃，并持續到450℃，剩余質量基本不變。

玻璃纖維材料的熱解試驗表明，玻璃纖維在空氣中熱解質量損失較少，其失重過程主要有兩個階段。隨著溫度的升高，玻璃纖維材料在170℃時開始出現質量損失，直到300℃左右達到峰值，在500℃左右時質量基本穩定，這個階段玻璃纖維材料的質量損失率約為8%，并未表現出明顯的放熱和吸熱，可能是雜質的揮發、蒸發、升華等變化造成的。在溫度達到600℃左右時，出現質量損失現象，并持續到770℃左右，玻璃纖維材料的質量基本維持穩定，這個過程玻璃纖維材料的質量損失率約接近2%，可能是玻璃纖維發生玻璃化轉變使得小分子物質逸出導致的。玻璃纖維在整個熱解試驗中，并未出現放熱現象，只有兩階段的吸熱過程，而且玻璃纖維材料的質量損失不足10%，表明玻璃纖維材料在這兩個階段并未發生燃燒和熱解，主要是由物質的物理變化引起的質量損失。

3 EPS與玻璃纖維的燃燒特性

3.1 EPS與玻璃纖維的可燃性分級

熱釋放容量是衡量材料可燃性的重要參數。根據材料熱釋放容量的大小，可將材料分為可燃、自熄和不燃三類，熱釋放容量超過400 J·g-1·K-1的判別為可燃，熱釋放容量在 150 J·g-1·K-1～30 J·g-1·K-1的判別為自熄，而熱釋放容量低于400 J·g-1·K-1的判別為不燃[5]。

微型燃燒量熱儀可通過測試毫克數量級的樣品快速有效地確定材料的燃燒參數，包括燃燒負荷、點火溫度、熱釋放速率、阻燃性等。為此，采用美國MCC—2型微型量熱儀對EPS和玻璃纖維材料的可燃性進行判定，測試在50 K/min的升溫速率下從150℃到650℃過程中的熱釋放容量、最大熱釋放速率、總熱釋放量和最大熱釋放時間等參數，測試結果見表1。

表1 EPS材料的微型燃燒量熱測試結果

測試結果表明，EPS和玻璃纖維材料的熱釋放容量、最大熱釋放速率、總熱釋放量三個參數有明顯差異，玻璃纖維遠遠小于EPS材料，而最大熱釋放時間變化不大。玻璃纖維的熱釋放容量遠大于400 J·g-1·K-1，為可燃材料；玻璃纖維的熱釋放容量為 49.8 J·g-1·K-1， 遠小于不燃物 150 J·g-1·K-1的判定標準，為不燃材料。

3.2 EPS與玻璃纖維燃燒性和阻燃性的測試

錐形量熱儀通過模擬真實的燃燒環境，測試天然有機材料、塑料、橡膠等材料的燃燒性能參數，包括引燃時間、最大熱釋放速率、最大熱釋放時間和總釋放熱，對建筑材料的評價、設計和火災預防等方面均有重要的意義[6]。為此，采用英國錐形量熱計對10 cm×10 cm的純 EPS、EPS+單面玻璃纖維、EPS+雙面玻璃纖維三種樣品進行測試，試驗裝置的熱輻射通量分別為 25 kW·m-2、35 kW·m-2、50 kW·m-2，測試結果見表 2。

測試結果表明，三種樣品在達到燃燒時間后均迅速燃燒達到熱釋放峰值，隨后迅速熄滅。不同熱輻射通量時，三種樣品的引燃時間、最大熱釋放速率、最大熱釋放時間和總釋放熱等指標的變化規律基本一致，隨著熱輻射通量的增加，材料引燃時間和最大熱釋放時間會逐漸減少，最大熱釋放速率數值有一定幅度的增長，而總熱釋放量的變化較小。隨著熱輻射通量的增加，玻璃纖維對EPS材料的影響變小，而最大熱釋放速率基本不變。對比三種樣品的引燃時間和最大熱擇放時間，覆蓋有玻璃纖維的EPS材料的時間更短，表明玻璃纖維會加快EPS的燃燒。因此，EPS材料和玻璃纖維結合在一起更加容易被引燃。

表2 不同熱輻射通量下三種樣品的錐形量熱儀測試結果

3.3 EPS與玻璃纖維燃燒狀態分析

國內外很多學者通過構建小尺寸的燃燒實驗平臺，對EPS材料和玻璃纖維材料進行了燃燒模擬實驗，研究EPS材料和夾層中EPS材料的火蔓延的規律，評估EPS材料對火災的影響。為此，采用立體燃燒實驗裝置對純EPS板、有玻璃纖維和鋼絲網的EPS板的燃燒過程進行研究。為模擬火災的情況，純EPS板、玻璃纖維EPS板、鋼絲網EPS板樣品的燃燒過程持續數分鐘。

在立體燃燒實驗中，EPS材料先收縮成小球，進一步烙融，然后開始燃燒，三種材料的燃燒情況見表3。2層純EPS板燃燒時，火焰主要為豎直方向的傳播，材料未完全燃燒；2層EPS板與1層玻璃纖維復合體燃燒時，EPS材料烙融后會有一部分附著在玻璃纖維網格布上向下滴落，燃燒的火焰向下傳播，EPS材料基本完全燃燒，并產生大量的黑色濃煙；2層EPS板與1層鋼絲網復合體燃燒時，EPS板靠近鋼絲網的部位燃燒不充分。

表3 三種材料的燃燒情況

由表3可知，EPS+玻璃纖維的燃燒最為充分，純EPS次之，EPS+鋼絲網最差，這表明玻璃纖維可以促進EPS材料的燃燒，使火焰的傳播變得更為穩定，持續性更好，而鋼絲網則可起到阻止火焰傳播的作用，可能是由于鋼的導熱和散熱性較好，可以降低附著在鋼絲網上EPS的溫度。因此，若在模塑聚苯乙烯泡沫板（EPS）薄抹灰外保溫系統中夾雜玻璃纖維層，在發生火災時，容易加劇火災初期火焰的燃燒，不利于消防救護。

4 結語

EPS是建筑外墻常用的保溫材料，常與玻璃纖維共同使用。EPS具有易燃燒的特性，當建筑物發生火災時，EPS極易被引燃，燃燒后滴落物還會引燃附近易燃物，加劇火勢的蔓延。筆者通過對EPS與玻璃纖維組合材料燃燒特性的試驗研究，確定了玻璃纖維會促進EPS燃燒，不利于消防救護，在重要結構物和高層結構物中，應當限制其應用。

[1]亓延軍.常用有機外墻外保溫系統火災特性研究[D].中國科學技術大學,2012.

[2]吳振坤,顏東升,尤飛.聚苯乙烯泡沫芯材的燃燒特性及其在火災事故原因調查中的應用[J].火災科學,2007(3):180-185.

[3]張清林,韓偉平,王俊勝,劉丹,金星,王國輝.聚合物基建筑保溫材料的熱行為及燃燒行為[J].建筑材料學報,2015,18(6):1077-1083.

[4]昝文鑫,朱國慶.EPS保溫板豎向燃燒特性研究[J].消防科學與技術,2015,34(4):427-430.

[5]羅靜,安全斌,晁富官.EPS外墻保溫體系單體燃燒實驗研究[J].中國科技信息,2014(8):93-96.

[6]張苗,劉幸娜,黎昌海,等.EPS外保溫材料火災蔓延速率的數值模擬與試驗研究[J].安全與環境學報,2015,15(2):144-150.