一、火灾理论研究
垂直防火隔离带对外保温材料火灾的阻火研究
高 磊 李冬阳 刘今烁
（中国人民武装警察部队学院研究生三队，河北 廊坊）
摘要：为评价垂直防火隔离带对外墙保温系统火灾的阻火作用，本文选取EPS作为保温材料和岩棉作为垂直防火隔离带，开展中尺寸试验研究，使用热电偶测量材料表面的温度并拍摄火灾图片。研究结果表明：垂直防火隔离带可以有效阻止外保温材料火灾的横向蔓延，减缓火灾向上蔓延的速度。
关键词：垂直防火隔离带；外保温材料；火灾向上蔓延；火灾横向蔓延
1 引言
近年来，我国发生了多起外保温材料火灾。据统计，其中90%的火灾发生在施工过程中[1]。施工期间，保温材料处于裸露状态，唯一的防火保护措施就是防火隔离带。《建筑防火设计规范》[2]对水平隔离带的设置及要求做出了规定。然而刘幸娜[3]和张苗[4]的研究结果均指出：对于裸露的外保温材料，水平隔离带的阻火效果具有很大局限性和不足，并且水平隔离带只能有效抑制火灾发展初期的火焰蔓延和增长。针对目前外保温系统的火灾现状，本文通过中尺寸实验探究了垂直防火隔离带对外墙外保温系统火灾的阻火作用，为垂直隔离带的设计和规定以及其他壁面火蔓延阻隔措施的研究提供一定的理论基础和参考。
2 实验研究部分
2.1 实验平台
实验平台由铁制框架、模拟墙体、外保温材料、垂直防火隔离带和热电偶构成。铁制框架尺寸为100cm×260cm，模拟墙体为耐火石膏板，尺寸为120cm×260cm，厚度为1cm。将耐火石膏板竖直安装在铁制框架上，使用螺栓将保温材料和垂直防火隔离带固定在模拟墙体上。铁制框架的底座是一个尺寸为120cm×70cm的铁池槽，用于承接外保温材料燃烧时产生的熔融滴落物，以防止池火流淌，确保实验安全。实验平台设计图如图1所示。在模拟墙体上设置了3列K型铠装热电偶，每列热电偶包括6个热电偶，分别设置在模拟外墙的垂直中心线上和紧贴垂直防火隔离带外侧处，共测量外保温材料表面18个点的温度变化。由于模拟墙面的下半部分为火灾发展初期，火焰相对较小，设置热电偶的意义不大，因此本实验在垂直方向上，从115cm高度处开始，每个测量点相距25cm。其中，未设置垂直防火隔离带的空白实验的热电偶分布情况与垂直防火隔离带设置间距为60cm，宽度为5cm时的相同。热电偶分布具体位置如图2所示。实验所用火源为丁烷气喷枪，每次持续点火时间为10s。点火位置设于模拟外墙垂直中心线的底部。
图1 实验平台设计图
1—耐火石膏板；2—热电偶；3—外保温材料；4—垂直防火隔离带；5—实验台支架；6—铁皮池；7—热电偶数据采集仪
图2 热电偶分布位置示意图
对热电偶进行编号：三列测量点，从左至右，依次定义为左侧、中间和右侧，规定每列测量点的顺序为从上至下，即分别命名左侧、中间和右侧的第一个点为L1、M1和R1，其他测量点按此依次命名。
2.2 实验方案及工况
（1）空白实验：在模拟墙体表面安装尺寸为1m×2.4m的外保温材料区域，保温材料区域内不设置任何隔离带。
（2）垂直防火隔离带实验：在保温材料区域内设置两个垂直防火隔离带，改变垂直防火隔离带的设置间距。
具体实验工况见表1。
表1 实验工况表
对不同工况的实验进行命名：未设置垂直防火隔离带的实验命名为“空白实验”；设置垂直防火隔离带的实验以垂直防火隔离带设置间距和宽度共同命名，如垂直防火隔离带设置间距为60cm，宽度为5cm的实验命名为“60-5cm”，其他工况实验按此依次命名。
3 实验分析
3.1 垂直防火隔离带对火灾横向蔓延的影响
在空白实验中，EPS在被引燃之后，火灾逐渐从下向上、从中间向两侧发生蔓延。并且，EPS在燃烧的同时发生熔化滴落现象。在点火200s后，整个模拟墙面全部过火，所有EPS均发生燃烧，露出了模拟墙体。而对于设置垂直防火隔离带的EPS外保温墙面，实验中发现，保温材料被引燃后，在向两侧蔓延的过程中，当火灾燃烧至垂直防火隔离带处时，火焰无法越过垂直防火隔离带，从而无法继续向两侧蔓延。火灾向上蔓延过程中，部分燃烧滴落物会出现粘连在墙面或垂直防火隔离带边缘上的现象，并持续燃烧，直至再次滴落或燃尽熄灭。燃烧结束后，所有实验工况的中间区域的EPS全部燃烧，而隔离带两侧的保温材料未发生燃烧滴落现象。由于垂直防火隔离带阻断了火焰与两侧保温材料的直接接触，导致两侧的EPS无法被引燃，从而阻止了火灾的蔓延。根据垂直防火隔离带宽度的不同，两侧区域临近垂直防火隔离带部位出现了不同程度的熔化现象。图3显示了不同工况下点火200s时的火灾蔓延情况。
图3 点火200s时火灾蔓延情况图
对各个工况条件下的火灾横向蔓延情况及垂直防火隔离带的阻火效果进行了统计，其结果如表2所示。
表2 不同工况条件下垂直防火隔离带阻火效果统计表
由实验现象和阻火情况统计结果可知，在本文的实验尺寸条件下，对于不同设置间距，5cm宽的垂直隔离带均可以阻止火焰横向传播，可见，垂直防火隔离带对外保温系统的阻火作用明显。
3.2 垂直防火隔离带对热量水平传播的影响
图4～图7分别给出了空白实验、垂直防火隔离带宽度为5cm，不同设置间距时中心线以及两侧的温度曲线图。从图中可以看出，在空白实验中，两侧各点的最高温度与中心线上相对应点的最高温度相近，均超过400℃。这是由于火焰在竖直向上传播的同时，也向两侧蔓延，整个模拟墙面全部过火。而在其他3种设置5cm宽垂直防火隔离带的实验中，两侧各点温度峰值均远低于中心线上各点温度峰值，温差约达到300℃。说明垂直防火隔离带成功阻止了火灾的横向蔓延，有效抑制了热量在水平方向上的传播，但受热辐射和热对流的影响，两侧温度有轻微上升，但并未达到EPS的着火点，所以随着保温材料的燃尽，温度逐渐降低。
图4 空白实验中心线以及两侧的温度曲线
图5 30-5cm工况中心线以及两侧的温度曲线
图6 60-5cm工况中心线以及两侧的温度曲线
图7 90-5cm工况中心线以及两侧的温度曲线
为了更清晰地对比分析垂直防火隔离带对热量水平传播的影响，表3给出了上述4种工况实验过程中的中心线和两侧的最大温度值。通过计算两者差值可以粗略求出阻热率，如表中数值所示。可以看出，设有垂直防火隔离带时中心线与两侧峰值温度差远大于空白实验中的差值。可见，垂直防火隔离带能够有效抑制热量在水平方向上的传播。此外，还可以发现，在垂直防火隔离带宽度相同时，垂直防火隔离带的设置间距越小，中心线与两侧最大温度差值越大，垂直防火隔离带的阻热率越大。说明垂直防火隔离带的设置间距越小，其作用越显著。
表3 不同工况条件下中心线和两侧最大温度值
3.3 垂直防火隔离带对火灾向上蔓延的影响
通过观察前面曲线可以知道，中心线上M2点的温度普遍稍高于其他测量点。因此选取M2点作为研究对象，对比分析垂直防火隔离带对火灾竖直向上蔓延的影响。图8为空白实验和垂直防火隔离带宽度为5cm时，不同间距条件下M2点的
图8 隔离带宽度为5cm时不同间距条件下M2点温度曲线
温度变化曲线图。可以看出，空白实验中M2点的温度峰值比设置垂直防火隔离带时的大，并且峰值出现的时间更快。还可以发现，在设置相同宽度垂直防火隔离带的条件下，其设置间距越大，M2点的温度峰值越大，且峰值出现的时间越早。说明火焰竖直向上蔓延受垂直防火隔离带设置间距的影响。设置间距越大，即燃烧宽度越大，燃烧过程中火焰越宽，中心线上的火焰越厚，火焰温度越高，热释放速率越大，火焰向上蔓延速度越快。这与Kuang-Chung Tsai[5]在研究宽度对火焰向上蔓延的影响时所得结果相一致。
4 结论
本文通过研究垂直防火隔离带对外保温材料火灾的阻火作用，得到了以下主要结论。
（1）实验结果表明，在当前实验尺寸条件下，5cm宽的垂直防火隔离带可以阻止火焰在水平方向上的蔓延。
（2）垂直防火隔离带对热量水平传播的抑制作用受其设置间距的影响。设置间距越小，垂直防火隔离带对热量水平传播的阻碍作用越强。
（3）垂直防火隔离带的设置间距对火灾的竖直向上蔓延有影响。垂直防火隔离带的设置间距决定着燃烧宽度，设置间距越大，燃烧宽度就越大，燃烧过程中火焰就越宽，中心线上的火焰就越厚，火焰温度就越高，热释放速率就越大，火焰向上蔓延速度就会越快。
参考文献
[1] 朱春玲. 我国外墙外保温防火技术研究进展[J]. 墙材革新与建筑节能，2014，1：53-56.
[2] GB 50016—2014[S].
[3] 刘幸娜. 热塑性外保温材料火灾特性研究[D]. 北京：中国人民武装警察部队学院，2013.
[4] 张苗. 建筑幕墙外保温系统火灾蔓延特性及其防火措施研究[D]. 北京：中国人民武装警察部队学院，2012.
[5] K.-C. Tsai. Width effect on upward flame spresd[J]. Fire Safety Journal 44（2009）：962-967.