平原和高原环境下保温材料PS燃烧特性及火蔓延机理研究

For the frequent occurrence of fire accidents on the external.insulation materials of buildings,this research is devoted to study the effects of the typical thermophsical properties (porosity, shrinkage and melting, phase variability, dripping and flowing, etc.) of the insulation material PS (polystyrene) to its combustion characteristics in the typical geographical areas of the high altitude (hypobaric hypoxia) and the plain environment (normal atmospheric),using an infrared thermal imaging technology, thermocouple,high-speed photography, ion probe and heat flow meter, etc. to research the pyrolysis and combustion characteristics parameters of PS,such as the gas and solid phases temperature distribution, the structure of the flame, the chemical reaction intensity of combustion and the critical heat flux, etc., therefore a relational model of coupled thermal properties and combustion characteristics is established to reveal the special phenomena of flame spread and the critical conditions of mutation of combution (secondary igniton, extinguishment and flashover, etc.). Meanwhile,the change law of thermophsical properties and combustion characteristics in the hypobaric hypoxia environment is also studied to establish the flame spread model coupled of atmospheric pressure and oxygen concentration and heat transfer model, revealing the essential difference and the common law of flame spread behaviors in the plateau and plain environments. Research results will help for fire risk assessment of buildings, regional building fire protection design of insulation materials, fire fighting of buildings,and provide a useful reference.

针对目前建筑外墙保温材料火灾事故频频发生的现象，结合我国典型的地理区域特点即高原环境（低压低氧）和平原环境（常压常氧），重点研究保温材料PS（聚苯乙烯）典型的热物性（多孔性、收缩熔融性、相变性、滴落流淌性等）对其燃烧特性的影响；利用红外热像测温技术、热电偶、高速摄像、离子探针及热流计等技术，研究表征PS热解以及燃烧特性参数的变化规律，如：气相和固相的温度分布特性、火焰的结构形态、燃烧化学反应强度及临界热通量等，进而建立耦合热物性与燃烧特性的关联模型，揭示火蔓延现象和规律以及火蔓延发生突变（二次点燃、熄灭和轰燃等）的临界条件。同时，研究低压低氧环境下，PS热物性及燃烧特性变化特点，建立耦合大气压力和氧气浓度的火蔓延速度模型及传热模式，揭示高原和平原地区火蔓延行为的共性规律与本质区别。研究成果可为建筑火灾风险评估、区域性建筑保温材料防火结构设计、建筑火灾扑救提供有益的借鉴和参考。

近些年来，我国外墙保温材料引起的火灾事故频频发生，造成了巨大的财产损失和人员伤亡。另外一方面，国家大力提倡建筑节能战略，尤其对西部高原建筑能耗比较高的地区，加强建筑保温节能就显得尤为重要，使得大力发展外墙外保温技术成为未来发展的趋势。本项目重点研究平原和高原环境下典型保温材料EPS和XPS火蔓延及燃烧特性规律。通过搭建保温材料小尺寸火蔓延实验平台，系统研究了保温材料EPS和XPS在不同宽度、厚度、密度及放置角度情况下，材料典型热物性如：收缩熔融、流淌滴落等特性对其着火及火蔓延等燃烧特性参数的影响，揭示了尺寸效应、角度效应等在火蔓延过程中的影响规律。与此同时，在高原环境的拉萨，进行了一系列小尺寸保温材料EPS和XPS对比实验，重点揭示在低压低氧环境下，火蔓延及燃烧特性参数的变化规律。对表征燃烧特性参数如：火蔓延速度、火焰高度、火焰角度及池火长度等进行了对比分析。通过研究火焰结构的变化规律，运用传热传质理论，揭示了大气压力及氧气浓度等对保温材料EPS和XPS燃烧特性参数的影响。此外，重点建立了保温材料EPS 和XPS 向上和向下火蔓延模型。通过热电偶测温技术构建了火蔓延过程中的温度场，研究EPS和XPS典型热物性流淌滴落等特性对其火蔓延及火灾危害性的大小，揭示了高原和平原环境下火蔓延的内在机理和规律。本研究很好的完成了既定的目标和任务，研究成果可为建立具有我国区域特性的保温材料PS火灾危害性评估系统，为高层建筑外墙保温系统的防火设计等，以及完善相关建筑防火设计规范，使得这些标准具有科学性和针对性，都具有非常深远的意义。