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建筑材料及建材可燃性試驗機性能試驗規范概述
建筑材料及建材可燃性試驗機性能試驗規范概述
建筑材料和制品燃燒性試驗規范對保證建筑物內人的生命安全和財產安全是非常重要的。由于建筑材料和制品的燃燒引發的火災往往會導致人員傷亡和財產損失，才迫使人們不得不制定相應的規范和測試方法來解決建材及制品的燃燒性能問題。當今的測試方法很多，范圍也非常廣泛，測試樣品從粉末狀到全尺寸火災試驗不等。測試方法還受到材料燃燒性試驗參數的特殊規定，施加于材料表面的火焰強度、試驗樣品的尺寸大小等諸多因素的影響。與此同時，某些特殊的規定如樣品方向、火焰強度等，使得現存的一些規范的測試結果與建筑材料或制品在全尺寸模擬火災條件下的測試結果不相符，因此，不得不對某些有特殊要求的材料或制品的測試方法進行修改或替換。
目前，對建筑材料和制品的燃燒性試驗結果往往都是采用火焰傳播距離來表征。20世紀70年代，上對材料燃燒性試驗結果的比較，都是根據不同試驗方法對材料進行的分級判定，這無異于產生隨機數，其試驗結果間幾乎無可比性。筆者對目前上建筑材料和制品主要的燃燒性試驗規范進行概述，討論不同測試方法的優缺點。只涉及建筑材料防火性能試驗規范中常用的一部分。
1 美國建筑材料和制品的燃燒性要求
美國建筑規范(International Building Code)及其他建筑規范、國家防火保護協會(National Fire Protection Association, NFPA)101(NFPA 101)-生命安全規范等均對建筑材料和制品燃燒性及其危害的試驗方法和標準作了相關規定。在美國，為公眾接受的判定標準和分級方法一般都參照建筑規范中的規定，該規范也是美國主要的建筑規范。上述規范均要求測試建筑材料的燃燒性和火焰傳播特性，它們的測試方法分別對應ASTM E136(燃燒性)和ASTM E84(火焰傳播)，其中ASTM E84還對可見煙的特征作了規定。
對那些需滿足特殊要求的泡沫塑料，可采用的大型試驗還包括FM 4880，UL 1040，NFPA 286或UL 1715。對那些用于光信號傳輸塑料，分別采用ASTM D1929來測量它們的自燃溫度，ASTM D2843來測量它們的煙密度指數，ASTM D635對其燃燒性能進行分級(CC1和CC2級)。暴露在外的隔熱材料采用ASTM E84來測量其火焰傳播。而對于松裝材料，由于材料不能按ASTM E84進行放置，可采用加拿大底板隧道爐試驗(CAN/ULC S102.2)來測量其火焰傳播特性。該加拿大底板隧道爐試驗解決了松裝隔熱材料的測試方法的問題，它將測試樣品放置在ASTM E84的爐子底部并將燃燒器方向向下對準試驗樣品。暴露在外的閣樓地板隔熱材料采用ASTM E970的臨界輻射通量試驗來對它們進行測試，并規定該隔熱材料的臨界輻射通量不小于0.12W/cm2。
美國聯邦消費者產品安全委員會(CPSC)規定纖維索松裝隔熱材料按ASTM E970進行試驗。ASTM E108(UL 790)是專門針對屋頂遮蓋物的試驗方法。ASTM E108包括4個獨立的火災試驗，根據試驗結果將材料分為3個級別(A，B和C級)，*嚴格。屋頂遮蓋物試驗主要考慮材料的阻燃性，以防止火焰穿過遮蓋物進入內部結構，除此之外，該標準也對材料表面的燃燒性也作了要求。試驗時將發光氣焰燃燒器放在傾斜頂板的邊緣，頂板寬度為1m，試驗中控制空氣流量為5.3m/s。用于A，B和C >260
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2 加拿大對建筑材料燃燒性能的要求
加拿大建筑和防火規范委員會負責加拿大的國家建筑規范。加拿大對建筑材料防火性能的要求與試驗方法與美國類似，材料不燃性的試驗標準是CAN4-S114-M80，隧道爐試驗標準是CAN/ULC-S102-M88。此外，加拿大還有一個將測試樣品置于隧道爐底部的試驗標準-CAN/ULC-S102.2-M88。CAN/ULC-S102.2-M88試驗方法的制定主要基于下面3個目的：
一是針對水平應用的材料，這些材料只有上表面才可能暴露在熱源中；
二是針對那些試驗時需要輔助支撐的材料，如松裝隔熱材料等，但這些材料在實際應用中本身不需要輔助支撐；
三是用于熱塑性塑料，燃燒時熱塑性材料會熔融或滴落。
相比而言，將材料置于頂部的ASTM E84隧道爐試驗方法測得的火焰傳播值要比材料置于底部的CAN/ULC-S102.2-M88隧道爐的試驗結果要低些。加拿大鋪底隧道爐試驗解決了松裝隔熱材料進行燃燒試驗的問題。除了一些特殊要求以外，CAN/ULC-S102.2-M88規定的火焰傳播等級的上限值為25，75或150，在對材料進行判定時，對發煙等級的規定值分別為50，100，300和500。CAN/ULC-S107-M87是專門針對屋頂遮蓋物的燃燒性能試驗制定的標準。近，加拿大一些專家建議將錐形量熱計作為材料燃燒等級判定的標準試驗方法(ULC–S135–04)。
3 歐盟對建筑材料燃燒性能的要求
歐盟的成員國于2001年頒布了新的燃燒性分級體系，其目的是希望新的分級體系取代歐盟現行的大量的不同測試方法和分級體系。該新的分級體系包括兩個部分：部分專門針對鋪地材料(見表1)，另一部分針對其他所有建筑構件材料和產品(見表2)。表1和表2中的下標“FL”代表鋪地材料分級。該分級體系在歐盟聯合公報(Official Journal of the European Communities, OJ L50, 23.2.200, P. 14)以標題“EN 13501–1”正式出版。這些分級體系參照的火災案例是墻角火試驗，墻角火的試驗的標準是ISO 9705。
建議材料分級的試驗方法和標準具體如下：
1) ISO EN 1182，不燃性試驗，對火災無重要貢獻建筑產品的確認，用于材料A1、A2、A1FL和A2FL級的判定；
2) ISO EN 1716，熱值，材料*燃燒的潛熱，用于材料A1，A2，A1FL，A2FL級的判定；
3) EN 13823，單個物件燃燒試驗，置于墻角的單個燃燒物件對火災發展的貢獻評價，用于材料A2，B，C，D級的判定；
4) ISO EN 11925–2，點燃試驗，材料在小火焰作用下的點燃性能評價，用于材料B，C，D，E，BFL，CFL，DFL，EFL級的判定；
5) ISO EN 9239–1，輻射熱源下鋪地材料的燃燒行為，材料水平表面火焰熄滅后的臨界輻射通量評價，用于材料A2FL，BFL，CFL，DFL，EFL級的判定。
1.1 燃燒性試驗方法
美國對不燃材料進行分級的試驗方法是ASTM E136，該方法測試材料在750℃的垂直管狀爐的熱行為。試驗前對樣品進行干燥處理，樣品的外形尺寸為38mm×38mm×51mm。材料如果能達到ASTM E136標準中規定的指標，即可判定為不燃材料。ASTM E136規定需對每個材料或制品4個樣品進行測量，其中的3個樣品通過試驗，即可判定材料為不燃材料。具體判定要求為：如果測試樣品的重量損失不大于50％，在試驗開始后的前30s內，首先樣品表面和內部的溫升不超過30℃，其次樣品不燃燒；如果測試樣品的重量損失大于50％，則材料的溫度不超過試驗前測得的材料達到穩定時溫度，且整個試驗過程中樣品不燃燒。
ASTM E136標準的注釋部分對該標準的測試方法和原理作了說明。Carpenter等指出，ASTM E136有一個重要的缺陷，那就是不能定量地測量材料的熱釋放率或燃燒性，只是定性地給出一個通過/不通過的試驗結果。盡管如此，ASTM E136也是一個非常嚴格的試驗，測試材料中即使只含有少量的可燃成份都常常會導致試驗失敗。因此，根據ASTM E136，含有可燃性粘合劑和礦物木質隔熱材料、爐渣混凝土、水泥與木屑的復合材料、木纖維增強石膏板等都判定為可燃材料。石膏墻板的板芯能滿足不燃性規定要求，而紙面石膏墻板卻不能通過不燃性試驗。
此外，對可燃材料進行阻燃處理并不能使之成為不燃材料，其試驗結果也達不到ASTM E136的要求。Tewarson等認為E136也能夠為性能化火災設計提供定量的數據支持。
為了對那些低燃燒性的材料進行分級，需要其他的試驗方法，如NFPA 259規定的建筑材料潛熱的試驗方法。材料的燃燒潛熱是指材料在氧彈量熱汁測得的總熱量與其在750℃的爐子中放置2小時以后的測得燃燒熱值之間的差。
在NFPA 101生命安全規范中，該測試方法被用作判定難燃材料的標準，標準中規定難燃材料的燃燒潛熱應低于8140kJ/kg。Carpenter等研究了將錐形量熱計試驗作為判定材料燃燒性能的標準試驗，但他們同時指出，由該方法產生的分級系統可能會打亂現存的材料的分級體系。
1.2 內裝飾材料的燃燒性試驗
北美對建筑材料表面燃燒特性的主要試驗是7.6 m的Steiner隧道爐試驗。與之對應的標準有ASTM E84，NFPA 255和UL 723。該試驗是在樣品的一末端施加長1.35 m的火焰作為燃燒源，來觀察材料表面的火焰傳播特性和燃燒過程的煙密度。根據所觀察的火焰傳播，通過計算火焰傳播距離–時間曲線下的面積得到相對無因次火焰傳播指數(Flame Spread Index，FSI)，為了便于計算，假定火焰前端不會后退。相對煙密度指數(Smoke Developed Index，SDI)是通過計算煙密度-時間曲線下的面積得到的，計算時，規定增強水泥板的SDI=0，紅橡木地板的SDI=100。歷*也曾以紅橡本地板為100，石棉板為0來計算火焰傳播指數和煙密度指數，目前仍采用火焰到達橡木板末端的時間來校準設備，但不用來計算火焰傳播指數。由于上述試驗方法中都是將樣品安放在矩形試驗爐的頂部，導致了樣品的安裝方法成為了這些測試方法中爭議的地方。ASTM E84標準的附錄對樣品的安裝方法作了說明。
Tewarson等認為E84的局限性與E648類似，即很難評價材料或制品在熱流作用下的火災行為，而且環境條件、樣品的形狀、尺寸以及安裝方法都會對試驗的結果產生影響。為了便于產品的研究和開發，人們常常采用其他的試驗方法來對ASTM E84進行校準。
根據ASTM E84的FSI測試結果，將內裝飾材料分為3個等級：A級或Ⅰ級要求FSI值不大于25；B級或Ⅱ級要求FSI值在26~75之間；C級或Ⅱ級要求FSI值在76~200之間。
如果材料的FSI值超過了Ⅲ級的上限值，則判定材料不達等級，該材料就不能在對材料燃燒性能有一定要求的場所使用。以上3個等級的SDI值都要求不大于450。建筑材料和制品的火焰傳播指數值可以在Galbreath的論文以及美國森林和紙業協會(American Forest＆Paper Association)，Underwriters'Laboratory, Underwriters'Laboratory Canada和Intertek的出版物中查到。
對可燃材料的阻燃處理的主要目的是為了降低材料的火焰傳播指數。表面是否經過阻燃涂層處理對材料火焰傳播指數值有正面或負面的影響，但這些影響都不足以改變材料的分級，除非原來的基底材料的分級本身就非常低。例如：磚頭、混凝土和石膏板的FSI為0，當在它們的表面涂覆一層1.3mm的醇酸樹脂涂料、乳膠漆或纖維墻紙時，它們的FSI變為25。然而，當在FSI分級為150的木材以及FSI分級為25石膏墻板表面涂覆一層1.3mm的醇酸樹脂涂料或乳膠漆或纖維墻紙時，是不會改變材料的分級的。
Belles認為隧道爐試驗并不能對所有材料的防火性能作出充分的評價，如泡沫塑料、織物墻面材料等。全尺寸的墻角火試驗NFPA 265和NFPA 286為隧道爐試驗提供了可供選擇的試驗方法，這些試驗方法與ASTM和ISO的墻角火試驗類似，房間尺寸為2.4m×3.6m×2.4m，其中一面墻開一扇門作為通風口，在房間的一角落放置一個丙烷燃燒器，對非織物的墻面和天花板裝飾材料的A級判定而言，可采用NFPA 286來替代隧道爐試驗。在NFPA 286中，燃燒器需先提供5分鐘40kW的熱量，然后再提供10分鐘160kW的熱量。試驗時根據材料的用途，將材料鋪滿3面墻和/或天花板。
試驗的判定標準是：
1)在40kW的5分鐘供熱過程中，火焰不傳到天花板；
2)在160kW的10分鐘供熱過程中，火焰不傳到墻或天花板的邊緣且沒有轟燃現象發生；
3)總的煙釋放量不超過1000m2。
轟燃的判定標準是熱釋放率達到1MW，輻射到地板的熱量為20kW/m2，上層空氣的平均溫度達到600℃，“火焰竄出房門”以及預先貼于地板的目標紙被點燃。
對于織物墻面材料A級判定可接受的替代試驗為NFPA 265。在NFPA 265，對燃燒的規定供5分鐘40kW的熱量，然后再提供10分鐘150kW的熱量。該試驗中材料有兩種安裝方法：
方法A是材料只覆蓋與燃燒器放置角落處相鄰的兩面墻；
方法B與NFPA 286類似，即材料覆蓋3面墻，有門的墻面不覆蓋測試的材料。
試驗過程中觀測火焰傳播、燃燒過程的滴落、轟燃以及峰值熱釋放率等參數。判定轟燃的標準是輻射到地板的熱量為25kW/m2、上層空氣的平均溫度達到650℃、“火焰竄出房門”以及貼于地板的目標紙被點燃。
以上兩法除了對燃燒器的要求有少許區別以外，燃燒器放置位置也不一樣，在NFPA 286中，燃燒器是直接靠著墻面，而NFPA 265中燃燒器離墻面還有51mm的距離。由于燃燒器的火焰不能與天花板材料接觸，所以NFPA 265不能用于天花板材料的測試，而NFPA 286可以對天花板材料進行測試，一方面是因為NFPA 286中燃燒器釋放的熱量較高，更重要的是燃燒器直接與墻面接觸，從而使火焰能夠沿墻面傳得很高。對裝飾材料或其他吊頂材料，可用NFPA 701中的方法中來判定材料是否阻燃，到底選用那種試驗方法取決于測試織物或薄膜的類型。
臨界輻射熱通量試驗裝置是專門用于地毯和其他的鋪地材料質量檢測和控制，但是對木質地板、聚乙烯基薄膜、油布以及其他彈性非纖維鋪地材料不做這方面的要求。相應的標準有ASTM E648和NFPA 253。由于輻射板與底板之間有30度的夾角，因此，沿樣品表面的熱輻射通量從11kW/m2到1kW/m2不等。臨界輻射熱通量對應于火焰前端傳播遠的距離。
Blackmore等認為，鋪地材料輻射面板阻止了火焰沿水平方向傳播，此時材料熱解的熱源來自外部的熱流和前端火焰的對流和傳導。材料的臨界輻射通量大于或等于4.5kW/m2定為1級，在2.2~4.5kW/m2之間定為2級(美國標準和規范中采用的單位是W/cm2)。
ASTM E84試驗持續時間為10分鐘，對阻燃處理木材而言，其持續時間為30分鐘，在隨后的20分種內，阻燃處理木材的FSI值不能超過25且沒有明顯的增面燃燒現象。此外，在試驗過程中，火焰前端不超過3.2m(從燃燒器的中心線算起)。
對那些用于潮濕或多雨環境中的阻燃處理木材，需先經ASTM D2898的環境試驗后，再按ASTM E84進行試驗，測得FSI值不能增大。由于對那些受熱會熔融的泡沫隔熱材料進行火災性能試驗很困難，除ASTM E84外，還對它們作了特殊的要求：用于屋頂遮蓋的泡沫隔熱材料被歸為構件，按FM 4450或UL 1256進行試驗；用于外墻隔熱的泡沫塑料材料，可按NFPA 268和NFPA 285進行測試。NFPA 268是將1.2m×2.4m試驗樣品暴露在12.5kW/m2的熱流下并強制點燃20分鐘。NFPA 285屬于中等規模的試驗，試驗裝置具有多層結構且高度不低于4.6m。
4 日本對建筑材料燃燒性能的要求
日本彩錐形量熱計的試驗結果將內裝飾材料分為3個級別，試驗方法參照ISO 5660-1，試驗時施加于材料表面的輻射熱流均為50kW/m2，具體的分級標準如表3所示。
5 國內對建筑材料燃燒性能的要求
我國不僅建立了不燃材料的試驗方法，而且還建立了針對墻壁和天花板內裝飾材料燃燒性能試驗的三級分級體系。此外，還專門針對鋪地材料建立了兩級分級體系。目前，國內針對建筑材料和制品燃燒性能的試驗方法有如下一些標準：
1)GB 5464—1999，建筑材料的不燃性試驗方法，該試驗方法的原理與ISO 1182和ASTM E136類似，用于不燃材料的*判定；
2)GB 8625—1988，可燃材料的燃燒性能試驗，談試驗采用德國的DIN 4102-15火災試驗裝置來對墻和天花板隔板裝飾材料燃燒性能作B1和B2級判定；
3)GB 8626—1988，建筑材料的燃燒性試驗，該試驗采用Kline燃燒器對墻和天花板隔板裝飾材料的燃燒性能作B3級判定；
4)GB 11785—1989，鋪地材料的熱傳遞判定-熱輻射法，該試驗方法的原理與ASTM E648和ISO 9239-1類似，臨界輻射通量>4.5 kW/m2的鋪地材料判定為B1級，臨界輻射通量在4.5~2.3 kW/m2之間的鋪地材料判定為B2級。
6 結論
1)隨著社會的發展和進步，新材料、新技術層出不窮，必將推動火災測試技術的革新，從而促進建筑材料燃燒性能試驗方法的進步。其中的一個推動力就是防火保護專業中相關工程技術水平的發展和提高，目前，人們越來越多地采用火災模型來說明防火安全可接受的程度，這必將推動火災性能試驗方法的發展和改進，通過改進的測試方法的試驗結果可以直接用作火災模型的數據輸入，而那些只能在規定和有限條件下對材料防火性能進行比較測試的方法和標準會逐漸被人們所摒棄。
2)人們可以運用火災模型將建筑材料在規定條件下測得的數據與材料在火災中的實際危害性聯系起來。社會加強性能化或目標化建筑規范的建立和實施也會推動防火保護工程技術的發展。許多傳統的說明性試驗規范將阻礙性能化試驗規范優點的體現。
3)為了對建筑材料防火性能進行統一而可靠的評價，應盡量采用定量試驗來進行，而不是采用肉眼觀察的方法。即使性能化試驗規范近期不能實現，也應當盡量采用定量試驗來評價材料的火災安全性能，以保證說明性規范的合理性。
4)目前建筑材料試驗規范的發展趨勢，一是采用新的標準火災測試方法取代那些只能給材料簡單定級的的舊試驗方法，這些新的試驗方法一方面可以為數學火災模型提供數據輸入，另一方面還能進行火災危險性評價；二是采用實體火災試驗來確定小型試驗和模型的有效性。
5)采用性能化試驗規范取代說明性防火規范。取消材料特別許可試驗，采用熱釋放率來評價材料的燃燒性能，用更科學的方法(的數據、試驗和測試方法)對材料的燃燒性能作出公正的評價，已成為發展趨勢。
6)人們在希望新材料和低危險性材料出現的同時，還應當建立新標準和方法來對材料的燃燒性能作出科學的評價。