第一节
材料受火反应试验的有关基本性能

这一节论述的是哪些材料的物理和化学性能在火的点燃、火的蔓延以及直到火灾场所发生轰燃（普燃）时在起作用。为了表征火灾中材料的性能，要建立适当的材料受火反应试验方法，很自然地在这些试验中要规定相同的性能条件。这些基本性能在试验中往往不是直接观测的参数，而常常是时间、距离以及确定材料可燃性而选定的温度、火的蔓延、热的释放等。

火灾是一种失去控制的燃烧现象。由各种原因（疏乎、电器故障、瓦斯气爆炸等）使材料着火开始进入燃烧，在空气量充足的条件下，燃烧由于不受缺氧的限制而持续，放出的热量传到材料的未燃部分和附近的材料上使其温度升高。根据材料的性质和化学结构，它们开始释放出一些挥发性热解气体，这些气体容易同原生火焰接触而燃烧，从而根据空间物体的方向、厚度、表面预热状况、材料的热值和热性能等可产生不同程度的火焰蔓延。随着火的蔓延和发展，产生的总热量增大，在着火房间的上部形成一层热烟气层，壁板的辐射热流和天花板下的热烟气层的辐射反馈到火中和未燃材料上，助长火的燃烧火势并逐步使未燃材料达到其着火点。如果氧气充分（窗洞具有重要影响），随着热气层的继续加热和厚度增加，壁板的温度上升，使辐射交换（与 T ⁴ 成正比）达到一定程度，房间中的可燃材料表面可能由于其热解产物在瞬时发生自燃而使整个房间卷入大火之中，这就是轰燃。

在火的发展中起作用的现象是：

——辐射热传导；

——固体中热的扩散；

——高温分解和燃烧。

这些现象是由某些材料的基本性能所控制的，下面分别进行论述。

一、辐射热传导

辐射是通过空间或物体进行能量传播的一种形式，热辐射是物体因本身的温度而向外以电磁波的形式发射能量的现象。任何物质在绝对零度以上都能发出电磁辐射，而热辐射系指物质发射波长为0.1～1 000 μ m的辐射热射线在空间传递能量的现象。

燃烧着的物质和高温物体都发出大量的辐射热，这种物体称之为热辐射体。热辐射体所发出的热量一部分由其他物体（如墙壁、天花板和其他材料等）所吸收，另一部分热能则反射回到火焰中或辐射体上。这种以热辐射的方式进行的物体间的热量传递称为辐射换热。在本文中，把物体间以热辐射与对流、导热的复合方式进行热量传递称为辐射传热。

在火灾的发展和蔓延中，辐射传热起着重要的甚至是主导的作用。在小火场合，例如使用一根蜡烛时，多数热量是由于垂直对流作用离开燃烧区；但较大较危险的火，释放出的辐射能与对流能量大致相同。辐射能更为危险，因为靠近火的静止表面，将基本上能吸收掉投射到它上面的所有辐射能，而大部分对流能量仅流过此表面并随同气流而离去。

热辐射在空间的分布或传播形成了辐射场，考虑辐射场中某一微元面积Δ S ，则离开该面元的辐射能流量Δ φ _e 与Δ S 之比为物体单位面积上的辐射能 R 。即：

R 的单位一般为W/m ² 。

如果由一表面元Δ S '接受的辐射能流为Δ φ _r ，则Δ φ _r 与Δ S '之比定义为入射辐射能，它表示一个物体接收的辐射能流表面密度。即：

E 的单位一般也为W/m ² 。

物体所吸收的那一部分入射辐射能与入射辐射能的比值则称之为吸收率。它表示辐射到物体表面上的全部能量被该物体表面所吸收的百分数，用 α 表示。由于入射辐射能取决于入射辐射源，所以物体对入射辐射的吸收率不但与此物体本身的性质有关，而且与入射辐射源的性质有关。

辐射能从一个较热物体上流向较冷的物体上，一部分辐射能被反射，余之被吸收。达到热平衡时，物体间的温度相同，吸收的辐射等于发射的辐射，此时的吸收率等于发射率（ α = ε ），则总的辐射能 R _T 可以用下式表示：

式中 ε ——发射率；

δ ——斯蒂芬-玻耳兹曼常数（ δ = 5.6 × 10 ^-8 W ·m ^{- 2} k ^{- 4} ）；

T ——表面的绝对温度。

式中的前一项表示灰体辐射体的辐射能量方程，认为物体的发射率或吸收率与波长和温度无关；第二项为反射的辐射率。

发射率主导着辐射换热，材料的发射率在很大程度上取决于物体的温度和入射辐射波长。但在火灾中，就目前的认识水平来说考虑这一问题是很复杂的，可以予以忽略，但在采用计算程序设计时应对 ε 随温度的变化予以考虑。这已超出了本文所论述的范围。

二、在固体中热的扩散

在固体中热的扩散是由物体的导热进行的。导热是材料内部的传热现象，现代理论物理将热流归入声子流现象，富里埃1822年给出了以下导热的现象学定律的矢量形式：

式中 q ——热流强度（W/m ² ）；

T ——局部温度；

λ ——导热系数（W/m ² ）。

对于导热来讲，材料的最重要的物理性质是导热系数（ λ ）、密度（ e ）和比热（ c ）。在时间和空间中，固体中温度场的变化除初始和最终条件之外，主要取决于 的组合， 称为热扩散率。

在材料燃烧性能测试中，对于火的点燃和蔓延非常重要的因素是接受恒定热流 φ ₀ 的物体表面温度的变化。利用某些简化假设（将在第3节中讨论），人们可以证明这一问题可以完全分析解决。

e 、 c 和 λ 均随材料的温度而变化。在一般情况下，3个参数均不考虑材料中可能存在的水的蒸发影响。

三、燃烧和热解

燃烧是一种导致两种物质结合的放热化学反应。燃烧需要3个条件，即燃料、助燃剂及温度。具备了这3个条件，只要一个足够的起动能量（火星、撞击、热点等）就可引发燃烧反应。所有的燃烧都伴随着能量释放发生，这可以通过确定燃烧热值来定量分析。燃烧是极其复杂的现象，建筑材料的化学组成也很复杂，难以进行各种成份的氧化反应分析。因此，人们往往以燃料在空气中完全氧化（燃烧）来进行燃烧释放热量的分析，其燃烧化学计算方程式为：

1kg燃料+ r kg空气→（ r + 1）kg产物

（ C O ₃ ， H ₂ O ， N ₂ ……）

式中，系数 r 给出1 kg材料完全燃烧的理论所需空气量，称之为燃料的化学计量燃烧空气量系数。

（一）热值

热值是指单位质量的燃料完全燃烧后所放出的总热量。所谓完全燃烧是指对于碳氢化合物主要燃烧产物都转换成H ₂ O和CO ₂ 。热值的确可以计算，但在工程材料中一般都采用试验测定，测定方法常采用氧弹量热计。

恒容下的热值（氧弹量热计情况）与恒压下的热值（大气中燃烧情况）相对于热量测量的误差结果很接近，没必要进行区分。

在氧弹量热计试验中，若把生成的水蒸汽冷凝成水所放出的热量计算在内，则称之为高热值或总热值，用 P · C · S 表示，若不把生成的水蒸汽冷凝成水所放出的热量计算在内，则称为低热值或净热值，用 P · C · I 表示。两者之差是水的汽化热。在火灾中，一般最常用的是 P · C · I 。

（二）热解

材料在冷气中被点燃放出火焰，火焰是发生氧化过程中的可见部分，是气相阶段的现象。显然，液体和固体燃料的有焰燃烧肯定涉及到其气态的转换。对于液体的燃烧，这个过程一般是液体表面的简单气化蒸发（沸点≥250 ℃的液体如食油，可能进行化学分解），但对于几乎所有固体都需要化学分解或高温分解，从材料表面产生气化产物和在火焰中空气中的氧反应释放出低分子量的产物。材料在高温时发生降解，单位质量的燃料完成分解所需的热量称为热解热，用 H _P 表示（单位为J/kg）。

值得注意的是，除燃料的化学组成和成份的生成热完全确定的极少情况外，一般测量的热解热取决定于测试方法的试验条件。

热解现象会由于材料中内含水的汽化影响而被延迟。

给定加热程序 T （ t ）下单位体积、单位时间，材料在气相阶段释放的物质量称为热解流量 （kg · S ^{- 1} m ^{- 3} ）

物体周围大气中的氧含量可以大大地影响试验结果，例如用辐射对木材热解，在缺氧时（大气中氮为100 %），形成的炭质残渣吸收一部分入射辐射流，使降解的速度逐渐减小。在空气中，炭质残渣由于氧化而消耗掉和释放的热增加到外部热流上，因而产生热解速度的增长。

热解流量也取决于测试中的某些其他条件，如试样的尺寸和形状、方位、加热程序等。热解流量是极其重要的参量，在给定条件下它的值可以提供气体产生的状况，以及挥发气化物是否可燃或在某温度下不燃但可能具有毒性等。其在火灾中燃烧物理化学和燃烧机理方面都是很重要的。

目前一种利用微波技术使材料中产生的温度一致，从而减小测量条件影响的测定 和 H _P 的方法，正在可行性研究之中。

在规定的条件下，单位质量的材料热解释放的挥发性产物完全燃烧所释放的能量称为挥发物热值，记为 P · C · V 。

（三）燃烧的特征温度

为了表征热解挥发产物的燃烧，下面定义三个温度。这些温度的定义是以假定在正常空气成分的条件下释放的热解产物为前提的。

1.闪燃温度：燃料释放的热解产物在与火焰接触时燃烧，而当火焰撤离后燃烧熄灭的温度为 T _E 。在建材燃烧性能测试中，与一般所说的闪燃有一点区别，在试验中通常以火焰持续时间在5 s之内都可视为闪燃。

2.火焰持续温度：燃料释放的热解产物在与火焰接触时燃烧，而当火焰撤离后燃烧持续不熄的温度，记为T _{F P} 。

3.自燃温度：燃料释放的热解产物产生自然的温度，记为 T _{A I} 。

这些温度参量范围可以通过试验测定。 T _E 、 T _EP 和 T _AI 最早用于定义液体的燃烧性能，现在这一概念已扩展到气、固相材料。对于固体，往往表示为固体本身的温度。在火灾中，可能燃烧的热解产物会远离其源生材料，应该对这种情况分析了解并考虑材料的分布。热解产物反馈的温度有其内在的特性，这是材料受火反应试验所注重研究的，而非固体本身的温度。

四、相变

在材料受火反应试验中引以注意的相变温度是熔融温度 T _f 、汽化温度 T _v 和升华温度 T _s 。

熔融温度对于塑料尤其值得重视，事实上，对于大部分塑料来说，熔融并不象晶体结构材料那样突然显示出来，而是随着温度的增加逐渐产生熔融。因此，对于这种情况为了表征熔融特性应该引入一个温度区间，对于典型的塑料大约为几十度。那么，可以约定取这个区间的上限为 T _f （熔融最终温度），该温度为熔滴形成的温度。例如，低密度聚乙烯的最终熔融温度为115 ℃（熔融温度区间范围为75 ℃），聚丙烯的最终熔融温度为170 ℃（熔融温度区间范围10～20℃）。

五、材料的空隙率

材料的空隙率对上述大部分参量值都有影响。

在点火时，显然材料要与环境条件达到平衡主要是环境温度和湿度。从此意义上说，空隙率决定材料的液相（或气相或两者）的保持量的最大容量。那么，在此研究中，空隙率应理解为湿气可进入的空隙体积与总体积之比，而不是总空隙体积与总体积之比。对此材料在试验前进行状态调节是有意义的。

状态调节的方式由大气环境和期限确定。后者或随意而定，或需要观测精确的质量稳定。状态调节大气环境由温度、湿度和压力全面描述，例如ISO/TC125规定了一般的3种大气环境和试验条件。

第一类情况被认为代表处于温带的国家；第二类为热带国家；第三类为特殊应用，主要是针对织物材料。

温、湿度的误差范围一般为±2℃和±5 %，对于限制较严的情况分别定为±1℃和2 %。

六、温度对基本性能的影响

在火灾和试验中材料的温度是很高的。这表明在火灾和试验中，随温度变化的材料性能试验结果明显地不同于正常环境温度下测定的材料性能结果。因此，应该十分谨慎地利用平均值和正常值的概念。不在高温下进行测量，则难于确切了解各种参量和某些参量组合的精确值。

此外，材料的热分解伴随着材料固相构成的变化，因此其物理化学性能也发生变化，其典型的例子是材料发生炭化时的情况。

七、热源、材料类型和方向对起火和蔓延现象的影响

一般来说，测试仪器都被认为是与所处环境无交互作用的封闭系统，该系统内的某些可变因素在很大程度上影响测试结果。对起火及火焰蔓延起主要作用的变量参数有：试样的尺寸、形状，相对于垂直的方向和相对位置以及试验采用的点火源和加热型式等。

出于实用考虑，通常采用板状形式的试样，但实际上许多测试方法允许采用仿真试样，其厚度也和实际成品一样，但这种仿真试样也只是结构材料的一部分。试样的安放位置则可有多种。

在点火源中有着各种强度的床焰，例如火柴火焰、乙醇火焰、煤气灯火焰、木柴火焰等等，电热辐射器或辐射板等。点火源的位置也存在不同，测试结果在很大程度上取决于火源接触到试样的那一部分，是边缘还是表面，也取决于施火和接受热辐射时间的长短。

从以上看出，试验中的这些可变因素可以导致同种材料在进行同类试验时得到不同的试验结果，且各种测试方法之间又存在着十分大的差异，这就是为什么通过不同方法测得的结果很少能相互一致。所以说测试结果与实际火灾中材料的燃烧性能之间的相关性只有实验意义。

八、关于烟密度

利用光的衰减系数 α 可以对给定材料产生的厚度为 L 的烟气的密度有一定了解，但目前还未将 α 接受作为适当的特性参数。事实上，烟的结构在热解产物燃烧时会显著地变化，导致 α 的结果发生很大变化。

相反，在无焰热解阶段和对于特定的加热条件下，某些材料发射的烟其 α 近似于常数，因此，在这一期间可以视为是材料的特征参数。

人们不足以能控制燃烧时间，因此由 α 定义的有效范围的不精确估价说明这个参数在目前并不适用，但这并不是说要低估烟的作用，而是更要加强研究工作，制订出合理的评价方法。

九、关于烟气毒性

热解产物或燃烧产物的毒性估价是相当复杂的问题，在目前还远远未达到圆满解决的程度，但我们可以注意它涉及到火势发展的非常特殊的因素。

在几种有毒气体同时存在时，仅用气体分析方法已无法解决毒理的协同作用问题。于是人们便寻求动物试验的方法。尽管人与动物的毒理关系尚未确定，人们仍可试图对材料的烟气内在毒性作一些确定，如在一定的暴露期限和按确定的方式导致给定的一种动物的死亡率为（ L ₅₀ ，即50 %）时，烟气的浓度（ppM）。当然，对于实际火灾情况人的反应和动物的反应之间的关系，还有待于进一步确定。

为了获得材料烟气的浓度，显然要考虑材料分解的方式（小试样试验的期限、着火方式等），膨胀的体积，其原始气体成分等等。

另外，在火灾现场中存在的材料具有各种各样的性质，不仅要考虑给定材料的毒性效果，而且也要考虑全部可能着火的材料的毒性，且在火的各发展阶段其效果也是不同的。

综上所述，根据材料与火的点燃、蔓延和轰燃有关的材料基本性能概括列在表2-1中。