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建筑材料阻燃测试实验规范性要求简介

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极为重要的。笔者对美国、加拿大、欧盟、日本以及中国的建筑材料燃烧性能试验规范进行分析、比较和综述。通过研究认为:美国和加拿大对建筑材料燃烧性能的要求和试验方法基本相似,他们主要针对材料的燃烧性、火焰传播进行检测;欧盟于2001年颁布了新的燃烧性分级体系,该分级体系包括专门针对铺地材料部分和针对其他所有建筑构件和产品部门;日本采用锥形量热计法(ISO5660)将内装饰材料分为不燃、准不燃和阻燃材料3个等级;我国对建筑材料的试验方法包括不燃性试验方法、墙和天花板内装饰材料的三级分级体系和铺地两级分级体系。
 
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。
  
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。
Belles认为隧道炉试验并不能对所有材料的防火性能作出充分的评价,如泡沫塑料、织物墙面材料等。全尺寸的墙角火试验NFPA 265和NFPA 286为隧道炉试验提供了可供选择的试验方法,这些试验方法与ASTM和ISO的墙角火试验类似,房间尺寸为2.4m×3.6m×2.4m,其中一面墙开一扇门作为通风口,在房间的一角落放置一个丙烷燃烧器,对非织物的墙面和天花板装饰材料的A级判定而言,可采用NFPA 286来替代隧道炉试验。在NFPA 286中,燃烧器需先提供5分钟40kW的热量,然后再提供10分钟160kW的热量。试验时根据材料的用途,将材料铺满3面墙和/或天花板。
  
试验的判定标准是:
1)在40kW的5分钟供热过程中,火焰不传到天花板;
2)在160kW的10分钟供热过程中,火焰不传到墙或天花板的边缘且没有轰燃现象发生;
3)总的烟释放量不超过1000m2。
轰燃的判定标准是热释放率达到1MW,辐射到地板的热量为20kW/m2,上层空气的平均温度达到600℃,“火焰窜出房门”以及预先贴于地板的目标纸被点燃。
对于织物墙面材料A级判定可接受的替代试验为NFPA 265。在NFPA 265,对燃烧的规定供5分钟40kW的热量,然后再提供10分钟150kW的热量。该试验中材料有两种安装方法:
方法A是材料只覆盖与燃烧器放置角落处相邻的两面墙;
方法B与NFPA 286类似,即材料覆盖3面墙,有门的墙面不覆盖测试的材料。
试验过程中观测火焰传播、燃烧过程的滴落、轰燃以及峰值热释放率等参数。判定轰燃的标准是辐射到地板的热量为25kW/m2、上层空气的平均温度达到650℃、“火焰窜出房门”以及贴于地板的目标纸被点燃。
以上两法除了对燃烧器的要求有少许区别以外,燃烧器放置位置也不一样,在NFPA 286中,燃烧器是直接靠着墙面,而NFPA 265中燃烧器离墙面还有51mm的距离。由于燃烧器的火焰不能与天花板材料接触,所以NFPA 265不能用于天花板材料的测试,而NFPA 286可以对天花板材料进行测试,一方面是因为NFPA 286中燃烧器释放的热量较高,更重要的是燃烧器直接与墙面接触,从而使火焰能够沿墙面传得很高。对装饰材料或其他吊顶材料,可用NFPA 701中的方法中来判定材料是否阻燃,到底选用那种试验方法取决于测试织物或薄膜的类型。
临界辐射热通量试验装置是专门用于地毯和其他的铺地材料质量检测和控制,但是对木质地板、聚乙烯基薄膜、油布以及其他弹性非纤维铺地材料不做这方面的要求。相应的标准有ASTM E648和NFPA 253。由于辐射板与底板之间有30度的夹角,因此,沿样品表面的热辐射通量从11kW/m2到1kW/m2不等。临界辐射热通量对应于火焰前端传播最远的距离。
Blackmore等认为,铺地材料辐射面板阻止了火焰沿水平方向传播,此时材料热解的热源来自外部的热流和前端火焰的对流和传导。材料的临界辐射通量大于或等于4.5kW/m2定为1级,在2.2~4.5kW/m2之间定为2级(美国标准和规范中采用的单位是W/cm2)。
ASTM E84试验持续时间为10分钟,对阻燃处理木材而言,其持续时间为30分钟,在随后的20分种内,阻燃处理木材的FSI值不能超过25且没有明显的增面燃烧现象。此外,在试验过程中,火焰前端不超过3.2m(从燃烧器的中心线算起)。
对那些用于潮湿或多雨环境中的阻燃处理木材,需先经ASTM D2898的环境试验后,再按ASTM E84进行试验,测得FSI值不能增大。由于对那些受热会熔融的泡沫隔热材料进行火灾性能试验很困难,除ASTM E84外,还对它们作了特殊的要求:用于屋顶遮盖的泡沫隔热材料被归为构件,按FM 4450或UL 1256进行试验;用于外墙隔热的泡沫塑料材料,可按NFPA 268和NFPA 285进行测试。NFPA 268是将1.2m×2.4m试验样品暴露在12.5kW/m2的热流下并强制点燃20分钟。NFPA 285属于中等规模的试验,试验装置具有多层结构且高度不低于4.6m。
对那些需满足特殊要求的泡沫塑料,可采用的大型试验还包括FM 4880,UL 1040,NFPA 286或UL 1715。对那些用于光信号传输塑料,分别采用ASTM D1929来测量它们的自燃温度,ASTM D2843来测量它们的烟密度指数,ASTM D635对其燃烧性能进行分级(CC1和CC2级)。暴露在外的隔热材料采用ASTM E84来测量其火焰传播。而对于松装材料,由于材料不能按ASTM E84进行放置,可采用加拿大底板隧道炉试验(CAN/ULC S102.2)来测量其火焰传播特性。该加拿大底板隧道炉试验解决了松装隔热材料的测试方法的问题,它将测试样品放置在ASTM E84的炉子底部并将燃烧器方向向下对准试验样品。暴露在外的阁楼地板隔热材料采用ASTM E970的临界辐射通量试验来对它们进行测试,并规定该隔热材料的临界辐射通量不小于0.12W/cm2。
美国联邦消费者产品安全委员会(CPSC)规定纤维索松装隔热材料按ASTM E970进行试验。ASTM E108(UL 790)是专门针对屋顶遮盖物的试验方法。ASTM E108包括4个独立的火灾试验,根据试验结果将材料分为3个级别(A,B和C级),A级最严格。屋顶遮盖物试验主要考虑材料的阻燃性,以防止火焰穿过遮盖物进入内部结构,除此之外,该标准也对材料表面的燃烧性也作了要求。试验时将发光气焰燃烧器放在倾斜顶板的边缘,顶板宽度为1m,试验中控制空气流量为5.3m/s。用于A,B和C >260C
  
加拿大对建筑材料燃烧性能的要求
加拿大建筑和防火规范委员会负责加拿大的国家建筑规范。加拿大对建筑材料防火性能的要求与试验方法与美国类似,材料不燃性的试验标准是CAN4-S114-M80,隧道炉试验标准是CAN/ULC-S102-M88。此外,加拿大还有一个将测试样品置于隧道炉底部的试验标准-CAN/ULC-S102.2-M88。CAN/ULC-S102.2-M88试验方法的制定主要基于下面3个目的:
一是针对水平应用的材料,这些材料只有上表面才可能暴露在热源中;
二是针对那些试验时需要辅助支撑的材料,如松装隔热材料等,但这些材料在实际应用中本身不需要辅助支撑;
三是用于热塑性塑料,燃烧时热塑性材料会熔融或滴落。
相比而言,将材料置于顶部的ASTM E84隧道炉试验方法测得的火焰传播值要比材料置于底部的CAN/ULC-S102.2-M88隧道炉的试验结果要低些。加拿大铺底隧道炉试验解决了松装隔热材料进行燃烧试验的问题。除了一些特殊要求以外,CAN/ULC-S102.2-M88规定的火焰传播等级的上限值为25,75或150,在对材料进行判定时,对发烟等级的规定值分别为50,100,300和500。CAN/ULC-S107-M87是专门针对屋顶遮盖物的燃烧性能试验制定的标准。最近,加拿大一些专家建议将锥形量热计作为材料燃烧等级判定的标准试验方法(ULC–S135–04)。
  
欧盟对建筑材料燃烧性能的要求
欧盟的成员国于2001年颁布了新的燃烧性分级体系,其目的是希望新的分级体系取代欧盟现行的大量的不同测试方法和分级体系。该新的分级体系包括两个部分:第一部分专门针对铺地材料(见表1),另一部分针对其他所有建筑构件材料和产品(见表2)。表1和表2中的下标“FL”代表铺地材料分级。该分级体系在欧盟联合公报(Official Journal of the European Communities, OJ L50, 23.2.200, P. 14)以标题“EN 13501–1”正式出版。这些分级体系参照的火灾案例是墙角火试验,墙角火的试验的标准是ISO 9705。 
建议材料分级的试验方法和标准具体如下:
1) ISO EN 1182,不燃性试验,对火灾无重要贡献建筑产品的确认,用于材料A1、A2、A1FL和A2FL级的判定;
2) ISO EN 1716,热值,材料完全燃烧的潜热,用于材料A1,A2,A1FL,A2FL级的判定;
3) EN 13823,单个物件燃烧试验,置于墙角的单个燃烧物件对火灾发展的贡献评价,用于材料A2,B,C,D级的判定;
4) ISO EN 11925–2,点燃试验,材料在小火焰作用下的点燃性能评价,用于材料B,C,D,E,BFL,CFL,DFL,EFL级的判定;
5) ISO EN 9239–1,辐射热源下铺地材料的燃烧行为,材料水平表面火焰熄灭后的临界辐射通量评价,用于材料A2FL,BFL,CFL,DFL,EFL级的判定。

国内对建筑材料燃烧性能的要求
我国不仅建立了不燃材料的试验方法,而且还建立了针对墙壁和天花板内装饰材料燃烧性能试验的三级分级体系。此外,还专门针对铺地材料建立了两级分级体系。目前,国内针对建筑材料和制品燃烧性能的试验方法有如下一些标准:
1)GB 5464—1999,建筑材料的不燃性试验方法,该试验方法的原理与ISO 1182和ASTM E136类似,用于不燃材料的A级判定;
2)GB 8625—1988,可燃材料的燃烧性能试验,谈试验采用德国的DIN 4102-15火灾试验装置来对墙和天花板隔板装饰材料燃烧性能作B1和B2级判定;
3)GB 8626—1988,建筑材料的燃烧性试验,该试验采用Kline燃烧器对墙和天花板隔板装饰材料的燃烧性能作B3级判定;
4)GB 11785—1989,铺地材料的热传递判定-热辐射法,该试验方法的原理与ASTM E648和ISO 9239-1类似,临界辐射通量>4.5 kW/m2的铺地材料判定为B1级,临界辐射通量在4.5~2.3 kW/m2之间的铺地材料判定为B2级。
 
日本对建筑材料燃烧性能的要求
日本彩锥形量热计的试验结果将内装饰材料分为3个级别,试验方法参照ISO 5660-1,试验时施加于材料表面的辐射热流均为50kW/m2,具体的分级标准如表3所示。
  
结论
1)随着社会的发展和进步,新材料、新技术层出不穷,必将推动火灾测试技术的革新,从而促进建筑材料燃烧性能试验方法的进步。其中最主要的一个推动力就是防火保护专业中相关工程技术水平的发展和提高,目前,人们越来越多地采用火灾模型来说明防火安全可接受的程度,这必将推动火灾性能试验方法的发展和改进,通过改进的测试方法的试验结果可以直接用作火灾模型的数据输入,而那些只能在规定和有限条件下对材料防火性能进行比较测试的方法和标准会逐渐被人们所摒弃。
2)人们可以运用火灾模型将建筑材料在规定条件下测得的数据与材料在火灾中的实际危害性联系起来。国际社会加强性能化或目标化建筑规范的建立和实施也会推动防火保护工程技术的发展。许多传统的说明性试验规范将阻碍性能化试验规范优点的体现。
3)为了对建筑材料防火性能进行统一而可靠的评价,应尽量采用定量试验来进行,而不是采用肉眼观察的方法。即使性能化试验规范近期不能实现,也应当尽量采用定量试验来评价材料的火灾安全性能,以保证说明性规范的合理性。
4)目前建筑材料试验规范的发展趋势,一是采用新的标准火灾测试方法取代那些只能给材料简单定级的的旧试验方法,这些新的试验方法一方面可以为数学火灾模型提供数据输入,另一方面还能进行火灾危险性评价;二是采用实体火灾试验来确定小型试验和模型的有效性。
5)采用性能化试验规范取代说明性防火规范。取消材料特别许可试验,采用热释放率来评价材料的燃烧性能,用更科学的方法(精确的数据、试验和测试方法)对材料的燃烧性能作出公正的评价,已成为发展趋势。
6)人们在希望新材料和低危险性材料出现的同时,还应当建立新标准和方法来对材料的燃烧性能作出科学的评价。


 

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