摘要：高層建筑外墻保溫材料是近年來(lái)高層火災(zāi)頻發(fā)的重要因素之一。本文基于幾起典型高層建筑火災(zāi)事故案例分析，闡述了高層火災(zāi)的特殊性和嚴(yán)重性。接著，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外保溫材料火蔓延理論模型方面所做的工作進(jìn)行了介紹?？紤]到保溫材料炭化和熔融等燃燒特性對(duì)火蔓延行為的影響，本文創(chuàng)新性的提出把火蔓延模型按照熱固性和熱塑性的分類進(jìn)行了回顧。本文系統(tǒng)分析了這些模型之間的區(qū)別和聯(lián)系，并基于此提出了不同類型保溫材料火蔓延行為預(yù)測(cè)的模型選用建議，以期為火災(zāi)工程提供理論參考。

關(guān)鍵詞：保溫材料；熱塑性；熱固性；火蔓延模型

1 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，高層建筑日益增多，隨著而來(lái)的是建筑耗能問(wèn)題。為了建筑節(jié)能，高層建筑中廣泛應(yīng)用保溫系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)每使用1噸保溫材料，相當(dāng)于每年節(jié)省3噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少1噸CO₂、SO₂和粉塵的排放^[1]。目前建筑外墻保溫系統(tǒng)中廣泛采用的材料主要是模塑聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）、擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）和聚氨酯泡沫（PU）。這些保溫材料都屬于可燃或易燃材料，它們的大量使用帶來(lái)了嚴(yán)重的高層建筑火災(zāi)安全問(wèn)題。

2007年來(lái)我國(guó)陸續(xù)發(fā)生多起高層建筑火災(zāi)事故（如表1所示），這些事故凸顯了高層建筑火災(zāi)特別是保溫材料火災(zāi)安全問(wèn)題的嚴(yán)重性。這些火災(zāi)均是由于建筑外墻保溫材料失火而引起的。其中較為典型的事故要屬2009年央視大樓火災(zāi)以及2010年上海靜安區(qū)“11.15”火災(zāi)。這兩起特大火災(zāi)不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且?guī)?lái)了嚴(yán)重的社會(huì)影響，引起了社會(huì)各界對(duì)高層建筑保溫材料火災(zāi)安全性的廣泛關(guān)注。眾多學(xué)者開(kāi)始質(zhì)疑有機(jī)保溫材料在高層建筑中的應(yīng)用前景。為了科學(xué)對(duì)待高層建筑外墻保溫材料的火災(zāi)安全性問(wèn)題，以及協(xié)調(diào)高層建筑節(jié)能和消防安全的矛盾，我們有必要將近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在保溫材料火災(zāi)安全方面的研究成果進(jìn)行總結(jié)，以供廣大從事火災(zāi)科學(xué)研究和消防工作的人員參考，為保溫材料和建筑行業(yè)健康發(fā)展提供幫助。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)固體表面火蔓延理論研究較多，也取得了不錯(cuò)的成果。然而考慮到建立完備理想火蔓延模型的復(fù)雜性和困難性，迄今為止建立的各個(gè)模型都有其自身的局限性。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)中還鮮有關(guān)于火蔓延理論模型之間的區(qū)別與聯(lián)系以及各自適用性的系統(tǒng)總結(jié)的報(bào)道。特別是針對(duì)保溫材料火蔓延理論模型的選用問(wèn)題，目前還沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。為此本文在對(duì)保溫材料火災(zāi)特性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合保溫材料的特殊性對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)火蔓延理論模型進(jìn)行總結(jié)，以期為保溫材料火災(zāi)安全的科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和參考。

2 高層建筑外墻保溫材料火災(zāi)的特殊性

筆者結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)近來(lái)國(guó)內(nèi)陸續(xù)發(fā)生的多起高層建筑火災(zāi)案例（見(jiàn)表1）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高層建筑外墻保溫火災(zāi)具有明顯區(qū)別于其他類型建筑火災(zāi)的自身特殊性：

（1）過(guò)火速度（火蔓延速度）極快。這些有機(jī)保溫材料本身為可燃或易燃材料，而且其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)多為孔狀結(jié)構(gòu)，孔內(nèi)含空氣，燃燒時(shí)可燃材料與空氣接觸充分，所以燃燒速度極快。另外EPS和XPS均為熱塑性材料，燃燒時(shí)會(huì)熔融滴落，加快火勢(shì)的蔓延。

（2）過(guò)火面積很大，且容易形成整個(gè)高層建筑的立體火蔓延?，F(xiàn)有高層建筑外墻保溫系統(tǒng)為了防止冷橋，多采用整體式滿鋪墻面，缺乏有效的防火間隔，一旦發(fā)生火災(zāi)，受到煙囪效應(yīng)很容易迅速向上蔓延，往往在幾分鐘內(nèi)就可以從底層蔓延至二十幾層，整個(gè)高層建筑的立體燃燒。等消防官兵趕到時(shí)已是一片大火，濃煙滾滾，只能望火興嘆。

（3）初期火情隱蔽難以發(fā)現(xiàn)。由于現(xiàn)有保溫系統(tǒng)多為幕墻式或夾層式，初期時(shí)保溫材料著火部位往往位于夾層內(nèi)部，消防官兵往往很難準(zhǔn)確判斷著火的真實(shí)部位。

（4）高層建筑火災(zāi)后果嚴(yán)重。高層建筑一旦火災(zāi)常常為整體立體式火災(zāi)，再加上保溫材料燃燒產(chǎn)生大量有毒有害煙氣和高層內(nèi)滅火救援難度大，因此一旦發(fā)生火災(zāi)往往事故后果非常嚴(yán)重。

表1 我國(guó)高層建筑外墻保溫材料火災(zāi)典型案例

時(shí)間	城市	建筑	原因/保溫材料	事故后果
2011.02	沈陽(yáng)	皇朝萬(wàn)鑫酒店	違章燃放煙花引燃樓表面裝飾材料和保溫材料/PS	過(guò)火面積約1萬(wàn)m2，經(jīng)濟(jì)損失1億以上
2010.11	上海	靜安區(qū)民用高層建筑	電焊火花引燃可燃防護(hù)網(wǎng)和保溫材料/PU	整棟過(guò)火，58死71傷
2009.02	北京	中央電視臺(tái)新址配樓	違章燃放煙花引燃保溫材料/XPS	過(guò)火面積10萬(wàn)m2,1死7傷，直接經(jīng)濟(jì)損失1.6億
2008.06	北京	北師大科技園孵化大廈	電焊焊渣引燃外墻裝飾和保溫材料/PS	過(guò)火面積約300 m2
2007.04	北京	上第MOMA	短路起火引燃上墻裸露外保溫材料/EPS	東南墻外保溫材料全部燒毀

通過(guò)上述對(duì)高層建筑外墻保溫火災(zāi)特點(diǎn)的分析可以發(fā)現(xiàn)，不論是其過(guò)火速度快還是過(guò)火面積大，都與保溫材料火蔓延行為的特殊性有很大關(guān)聯(lián)。正是由于保溫材料的孔狀結(jié)構(gòu)以及受熱熔融滴落等特性使得其在火蔓延過(guò)程中表現(xiàn)出蔓延速度快和過(guò)火面積大等特點(diǎn)，甚至引起整個(gè)高層整體立體式燃燒，導(dǎo)致高層建筑火災(zāi)后果嚴(yán)重。

3 高層建筑外墻保溫材料火蔓延理論研究綜述

正是由于保溫材料火蔓延特性對(duì)其火災(zāi)行為的重要作用，因此國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)保溫材料的火蔓延行為特性進(jìn)行了大量的理論研究^[2-8]。保溫材料的火蔓延行為非常復(fù)雜，不僅涉及到氣相與固相的耦合，還涉及到燃燒熱解等化學(xué)反應(yīng)和傳熱傳質(zhì)等物理過(guò)程的耦合，對(duì)于保溫材料還受到炭化、熔融等過(guò)程的影響。因此，建立一個(gè)考慮所有影響因素的完備保溫材料火蔓延模型是很困難的。根據(jù)是否考慮化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的影響可以將火蔓延模型分成兩類：熱輸運(yùn)模型和化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)于絕大多數(shù)火蔓延情形，特別是保溫材料的火蔓延，其化學(xué)反應(yīng)速度要比傳熱速率快很多，因此化學(xué)反應(yīng)過(guò)程可以忽略，火蔓延行為的主導(dǎo)控制機(jī)理是傳熱過(guò)程?；诖吮疚膶⒅饕榻B一些經(jīng)典的基于熱輸運(yùn)理論的保溫材料火蔓延模型。

對(duì)于保溫材料火蔓延模型而言，考慮到保溫材料自身特性（主要是熱固性和熱塑性）會(huì)對(duì)火蔓延行為產(chǎn)生影響，本文將從熱固性保溫材料（以PU為代表）火蔓延理論和熱塑性保溫材料（以EPS和XPS為代表）兩個(gè)方面來(lái)介紹保溫材料的火蔓延理論。

3.1 熱固性保溫材料火蔓延模型

3.1.1 Williams火蔓延模型

最簡(jiǎn)單的基于熱輸運(yùn)理論的熱固性材料火蔓延模型應(yīng)該是Williams于1976年提出的固體表面火蔓延模型：

                         

其中q是單位時(shí)間內(nèi)穿過(guò)熱解前鋒處接收到的熱量，?為固體可燃物的密度，v_f為火蔓延速度，?h為材料從初溫上升到點(diǎn)火溫度的熱焓。Williams認(rèn)為在火蔓延控制機(jī)理中起主導(dǎo)作用的是傳熱過(guò)程，因此固體表面火蔓延速度正比于與材料熱解前鋒處接受到的熱量。應(yīng)該來(lái)說(shuō)Williams火蔓延模型對(duì)于絕大多數(shù)可以忽略化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的火蔓延情形是適應(yīng)的。不過(guò)其理論指導(dǎo)意義大于實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中很難確定熱解前鋒處接受到的熱量。

3.1.2 deRis火蔓延模型

實(shí)際上在Williams火蔓延模型提出之前，deRis在1969年就提出了一個(gè)基于熱輸運(yùn)理論的火蔓延模型。在deRis模型中采用了如下假設(shè)：（1）重力影響可忽略；（2）固體可燃物瞬時(shí)蒸發(fā)（即其達(dá)到某一溫度即蒸發(fā)，而不經(jīng)過(guò)熔融或熱解過(guò)程）；（3）三重火焰前鋒結(jié)構(gòu)；（4）奧辛流假設(shè)。

基于上述簡(jiǎn)化假設(shè)，deRis通過(guò)理論求解得到了固體表面逆流火蔓延模型：

后來(lái)Bhattachajee^[4]和Quintiere^[5]也分別通過(guò)尺度分析和能量守恒能方法得到了與deRis模型形式上統(tǒng)一的固體表面火蔓延模型。雖然說(shuō)deRis模型有其自身的局限性，比如只適用于逆流火蔓延，在氧濃度較高或流速較小的環(huán)境與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好等。但是該模型還是很好的揭示了固體可燃物性質(zhì)以及氣流速度和火焰溫度等參數(shù)對(duì)火蔓延行為的影響規(guī)律。因此deRis模型仍沿用至今，成為經(jīng)典的固體表面火蔓延模型。

3.1.3  Atreya火蔓延理論

以PU為代表的熱固性保溫材料，其火蔓延行為在本質(zhì)上與一般的可炭化性固體表面火蔓延相同，其在燃燒過(guò)程中不產(chǎn)生熔滴，燃燒后形成碳骨架或炭化層，而炭化層的生成會(huì)對(duì)固相傳熱產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響其火蔓延行為。圖1為可炭化固體材料表面火蔓延示意簡(jiǎn)圖。

在PU火蔓延過(guò)程中，氣相、原始固相以及炭層滿足以下方程。其中氣相有：

另外仍然采用瞬時(shí)熱解假設(shè)，即原始固體達(dá)到熱解溫度Tp即瞬時(shí)分解為炭化層和氣相，可以得到炭化層和原始固體界面處（x=g(y)）的溫度有如下關(guān)系：

其中參數(shù)c為炭化層厚度，當(dāng)c趨近于0時(shí)，則Tp趨近于Ts，此時(shí)該模型則退化成deRis模型，在形式上與deRis模型是統(tǒng)一的。對(duì)于以PU為代表的保溫材料來(lái)說(shuō)，可以用該模型來(lái)描述其火蔓延行為。

3.2 熱塑性保溫材料火蔓延理論

和熱固性保溫材料的火蔓延行為不同，熱塑性保溫材料火蔓延過(guò)程中會(huì)發(fā)生熔融，該相變行為會(huì)對(duì)火蔓延行為產(chǎn)生較大的影響。相對(duì)于熱固性材料，熱塑性保溫材料的火蔓延理論研究的開(kāi)展要晚很多。

Delichatsios在2003年初步探討了熱固性材料和熱塑性材料在火蔓延過(guò)程中的不同，并基于熱輸運(yùn)理論提出了熱塑性材料的火蔓延理論模型：

 

其中、 分別為材料的熔融深度和熱解深度，模型左邊項(xiàng)由以下幾個(gè)部分組成：（1）將熱塑性材料從初始溫度加熱到熔融溫度的熱量；（2）熱塑性材料的熔融潛熱，以及（3）將熔融的材料從熔融溫度升高到熱解溫度時(shí)的熱量。在Delichatsios模型中，主要考慮了熱塑性材料熔融吸熱對(duì)火蔓延過(guò)程的影響，而沒(méi)有考慮到熔融相變位移以及材料相變之后特性改變的影響。

有鑒于此，Zheng等[8]建立了熱塑性材料表面火蔓延的物理模型，如圖2所示。

從圖2可以看出，熱塑性材料火蔓延過(guò)程中，固體材料發(fā)生了相變，火蔓延行為受控于氣相、液相和固相三個(gè)區(qū)域的傳熱過(guò)程。類似于熱固性保溫材料火蔓延模型的建立方法，對(duì)這三個(gè)相區(qū)建立能量和質(zhì)量守恒方程，進(jìn)行理論求解可以得到熱塑性材料的火蔓延模型：

               

模型中Ti為固液相交界面處的溫度，c為定義液-固交界面軌跡的常數(shù)，當(dāng)c趨近與0時(shí)，Ti則近似等于融化溫度Tm。從該模型中可以看出火蔓延速度不僅與原始固相材料特性有關(guān)（比如比熱容Cps和導(dǎo)熱率ks），還與材料的相變潛熱Lm，熔融液體的比熱容Cpl和導(dǎo)熱率kl有關(guān)。隨著Cpl或者kl的降低，火蔓延速度都將會(huì)增加。

4 結(jié)論

為此本文在對(duì)保溫材料火災(zāi)特性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合保溫材料自身特性對(duì)上個(gè)世紀(jì)60年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外相關(guān)火蔓延理論模型進(jìn)行總結(jié)，主要結(jié)論如下：

（1）由于保溫材料自身特性（比如孔狀結(jié)構(gòu)和熔融），其火蔓延行為表現(xiàn)出過(guò)火速度快和過(guò)火面積大的特點(diǎn)，這是造成高層建筑火災(zāi)后果嚴(yán)重的決定因素之一。

（2）對(duì)國(guó)內(nèi)外幾個(gè)典型的固體表面火蔓延理論模型的分析中可以發(fā)現(xiàn)，這些模型之間既存在不同之處，又存在繼承和關(guān)聯(lián)之處。

(i) Williams模型是最簡(jiǎn)單的基于熱輸運(yùn)理論的火蔓延模型，但是由于模型中關(guān)鍵參數(shù)難以確定，故不利于實(shí)踐應(yīng)用；

（ii）deRis模型、Atreya模型和Zheng模型都是在采用一些簡(jiǎn)化假設(shè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)控制方程進(jìn)行理論求解而得到的，三者之間存在相通之處。不過(guò)Atreya模型在deRis模型的基礎(chǔ)上考慮了炭化過(guò)程對(duì)火蔓延行為的影響，而Zheng模型在deRis模型的基礎(chǔ)上考慮了熔融相變過(guò)程對(duì)火蔓延行為的影響。如果假設(shè)炭化層厚度為0或相變潛熱為0則Atreya模型中和Zheng模型均蛻化為deRis模型。

（iii）對(duì)于PU類熱固性保溫材料，考慮到其炭化特性，建議采用Atreya模型描述其火蔓延行為；對(duì)于EPS和XPS類熱塑性保溫材料，考慮到其相變特性，建議采用Zheng模型描述其火蔓延行為。

 

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