摘要：高层建筑外墙保温材料是近年来高层火灾频发的重要因素之一。本文基于几起典型高层建筑火灾事故案例分析，阐述了高层火灾的特殊性和严重性。接着，本文对国内外保温材料火蔓延理论模型方面所做的工作进行了介绍。考虑到保温材料炭化和熔融等燃烧特性对火蔓延行为的影响，本文创新性的提出把火蔓延模型按照热固性和热塑性的分类进行了回顾。本文系统分析了这些模型之间的区别和联系，并基于此提出了不同类型保温材料火蔓延行为预测的模型选用建议，以期为火灾工程提供理论参考。
关键词：保温材料；热塑性；热固性；火蔓延模型
1 引言
随着我国城市化进程加快，高层建筑日益增多，随着而来的是建筑耗能问题。为了建筑节能，高层建筑中广泛应用保温系统。据统计每使用1吨保温材料，相当于每年节省3吨标准煤，减少1吨CO2、SO2和粉尘的排放[1]。目前建筑外墙保温系统中广泛采用的材料主要是模塑聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）和聚氨酯泡沫（PU）。这些保温材料都属于可燃或易燃材料，它们的大量使用带来了严重的高层建筑火灾安全问题。
2007年来我国陆续发生多起高层建筑火灾事故（如表1所示），这些事故凸显了高层建筑火灾特别是保温材料火灾安全问题的严重性。这些火灾均是由于建筑外墙保温材料失火而引起的。其中较为典型的事故要属2009年央视大楼火灾以及2010年上海静安区“11.15”火灾。这两起特大火灾不仅造成了巨大的经济损失，而且带来了严重的社会影响，引起了社会各界对高层建筑保温材料火灾安全性的广泛关注。众多学者开始质疑有机保温材料在高层建筑中的应用前景。为了科学对待高层建筑外墙保温材料的火灾安全性问题，以及协调高层建筑节能和消防安全的矛盾，我们有必要将近年来国内外在保温材料火灾安全方面的研究成果进行总结，以供广大从事火灾科学研究和消防工作的人员参考，为保温材料和建筑行业健康发展提供帮助。
目前国内外学者对固体表面火蔓延理论研究较多，也取得了不错的成果。然而考虑到建立完备理想火蔓延模型的复杂性和困难性，迄今为止建立的各个模型都有其自身的局限性。一直以来，国内外的文献中还鲜有关于火蔓延理论模型之间的区别与联系以及各自适用性的系统总结的报道。特别是针对保温材料火蔓延理论模型的选用问题，目前还没有相关文献报道。为此本文在对保温材料火灾特性分析的基础上，结合保温材料的特殊性对国内外相关火蔓延理论模型进行总结，以期为保温材料火灾安全的科学研究和工程应用提供理论指导和参考。
2 高层建筑外墙保温材料火灾的特殊性
笔者结合自身工作经验对近来国内陆续发生的多起高层建筑火灾案例（见表1）进行分析，发现高层建筑外墙保温火灾具有明显区别于其他类型建筑火灾的自身特殊性：
（1）过火速度（火蔓延速度）极快。这些有机保温材料本身为可燃或易燃材料，而且其内部分子结构多为孔状结构，孔内含空气，燃烧时可燃材料与空气接触充分，所以燃烧速度极快。另外EPS和XPS均为热塑性材料，燃烧时会熔融滴落，加快火势的蔓延。
（2）过火面积很大，且容易形成整个高层建筑的立体火蔓延。现有高层建筑外墙保温系统为了防止冷桥，多采用整体式满铺墙面，缺乏有效的防火间隔，一旦发生火灾，受到烟囱效应很容易迅速向上蔓延，往往在几分钟内就可以从底层蔓延至二十几层，整个高层建筑的立体燃烧。等消防官兵赶到时已是一片大火，浓烟滚滚，只能望火兴叹。
（3）初期火情隐蔽难以发现。由于现有保温系统多为幕墙式或夹层式，初期时保温材料着火部位往往位于夹层内部，消防官兵往往很难准确判断着火的真实部位。
（4）高层建筑火灾后果严重。高层建筑一旦火灾常常为整体立体式火灾，再加上保温材料燃烧产生大量有毒有害烟气和高层内灭火救援难度大，因此一旦发生火灾往往事故后果非常严重。
表1 我国高层建筑外墙保温材料火灾典型案例
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时间 |
城市 |
建筑 |
原因/保温材料 |
事故后果 |
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2011.02 |
沈阳 |
皇朝万鑫酒店 |
违章燃放烟花引燃楼表面装饰材料和保温材料/PS |
过火面积约1万m2，经济损失1亿以上 |
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2010.11 |
上海 |
静安区民用高层建筑 |
电焊火花引燃可燃防护网和保温材料/PU |
整栋过火，58死71伤 |
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2009.02 |
北京 |
中央电视台新址配楼 |
违章燃放烟花引燃保温材料/XPS |
过火面积10万m2,1死7伤，直接经济损失1.6亿 |
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2008.06 |
北京 |
北师大科技园孵化大厦 |
电焊焊渣引燃外墙装饰和保温材料/PS |
过火面积约300 m2 |
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2007.04 |
北京 |
上第MOMA |
短路起火引燃上墙裸露外保温材料/EPS |
东南墙外保温材料全部烧毁 |
通过上述对高层建筑外墙保温火灾特点的分析可以发现，不论是其过火速度快还是过火面积大，都与保温材料火蔓延行为的特殊性有很大关联。正是由于保温材料的孔状结构以及受热熔融滴落等特性使得其在火蔓延过程中表现出蔓延速度快和过火面积大等特点，甚至引起整个高层整体立体式燃烧，导致高层建筑火灾后果严重。
3 高层建筑外墙保温材料火蔓延理论研究综述
正是由于保温材料火蔓延特性对其火灾行为的重要作用，因此国内外众多学者对保温材料的火蔓延行为特性进行了大量的理论研究[2-8]。保温材料的火蔓延行为非常复杂，不仅涉及到气相与固相的耦合，还涉及到燃烧热解等化学反应和传热传质等物理过程的耦合，对于保温材料还受到炭化、熔融等过程的影响。因此，建立一个考虑所有影响因素的完备保温材料火蔓延模型是很困难的。根据是否考虑化学反应过程的影响可以将火蔓延模型分成两类：热输运模型和化学动力学模型。对于绝大多数火蔓延情形，特别是保温材料的火蔓延，其化学反应速度要比传热速率快很多，因此化学反应过程可以忽略，火蔓延行为的主导控制机理是传热过程。基于此本文将主要介绍一些经典的基于热输运理论的保温材料火蔓延模型。
对于保温材料火蔓延模型而言，考虑到保温材料自身特性（主要是热固性和热塑性）会对火蔓延行为产生影响，本文将从热固性保温材料（以PU为代表）火蔓延理论和热塑性保温材料（以EPS和XPS为代表）两个方面来介绍保温材料的火蔓延理论。
3.1 热固性保温材料火蔓延模型
3.1.1 Williams火蔓延模型
最简单的基于热输运理论的热固性材料火蔓延模型应该是Williams于1976年提出的固体表面火蔓延模型：
其中q是单位时间内穿过热解前锋处接收到的热量，为固体可燃物的密度，vf为火蔓延速度，h为材料从初温上升到点火温度的热焓。Williams认为在火蔓延控制机理中起主导作用的是传热过程，因此固体表面火蔓延速度正比于与材料热解前锋处接受到的热量。应该来说Williams火蔓延模型对于绝大多数可以忽略化学反应过程的火蔓延情形是适应的。不过其理论指导意义大于实际应用，因为在实际应用中很难确定热解前锋处接受到的热量。
3.1.2 deRis火蔓延模型
实际上在Williams火蔓延模型提出之前，deRis在1969年就提出了一个基于热输运理论的火蔓延模型。在deRis模型中采用了如下假设：（1）重力影响可忽略；（2）固体可燃物瞬时蒸发（即其达到某一温度即蒸发，而不经过熔融或热解过程）；（3）三重火焰前锋结构；（4）奥辛流假设。
基于上述简化假设，deRis通过理论求解得到了固体表面逆流火蔓延模型：
后来Bhattachajee[4]和Quintiere[5]也分别通过尺度分析和能量守恒能方法得到了与deRis模型形式上统一的固体表面火蔓延模型。虽然说deRis模型有其自身的局限性，比如只适用于逆流火蔓延，在氧浓度较高或流速较小的环境与实验结果符合较好等。但是该模型还是很好的揭示了固体可燃物性质以及气流速度和火焰温度等参数对火蔓延行为的影响规律。因此deRis模型仍沿用至今，成为经典的固体表面火蔓延模型。
3.1.3 Atreya火蔓延理论
以PU为代表的热固性保温材料，其火蔓延行为在本质上与一般的可炭化性固体表面火蔓延相同，其在燃烧过程中不产生熔滴，燃烧后形成碳骨架或炭化层，而炭化层的生成会对固相传热产生影响，进而影响其火蔓延行为。图1为可炭化固体材料表面火蔓延示意简图。
在PU火蔓延过程中，气相、原始固相以及炭层满足以下方程。其中气相有：
另外仍然采用瞬时热解假设，即原始固体达到热解温度Tp即瞬时分解为炭化层和气相，可以得到炭化层和原始固体界面处（x=g(y)）的温度有如下关系：
其中参数c为炭化层厚度，当c趋近于0时，则Tp趋近于Ts，此时该模型则退化成deRis模型，在形式上与deRis模型是统一的。对于以PU为代表的保温材料来说，可以用该模型来描述其火蔓延行为。
3.2 热塑性保温材料火蔓延理论
和热固性保温材料的火蔓延行为不同，热塑性保温材料火蔓延过程中会发生熔融，该相变行为会对火蔓延行为产生较大的影响。相对于热固性材料，热塑性保温材料的火蔓延理论研究的开展要晚很多。
Delichatsios在2003年初步探讨了热固性材料和热塑性材料在火蔓延过程中的不同，并基于热输运理论提出了热塑性材料的火蔓延理论模型：
其中、 分别为材料的熔融深度和热解深度，模型左边项由以下几个部分组成：（1）将热塑性材料从初始温度加热到熔融温度的热量；（2）热塑性材料的熔融潜热，以及（3）将熔融的材料从熔融温度升高到热解温度时的热量。在Delichatsios模型中，主要考虑了热塑性材料熔融吸热对火蔓延过程的影响，而没有考虑到熔融相变位移以及材料相变之后特性改变的影响。
有鉴于此，Zheng等[8]建立了热塑性材料表面火蔓延的物理模型，如图2所示。
从图2可以看出，热塑性材料火蔓延过程中，固体材料发生了相变，火蔓延行为受控于气相、液相和固相三个区域的传热过程。类似于热固性保温材料火蔓延模型的建立方法，对这三个相区建立能量和质量守恒方程，进行理论求解可以得到热塑性材料的火蔓延模型：
模型中Ti为固液相交界面处的温度，c为定义液-固交界面轨迹的常数，当c趋近与0时，Ti则近似等于融化温度Tm。从该模型中可以看出火蔓延速度不仅与原始固相材料特性有关（比如比热容Cps和导热率ks），还与材料的相变潜热Lm，熔融液体的比热容Cpl和导热率kl有关。随着Cpl或者kl的降低，火蔓延速度都将会增加。
4 结论
为此本文在对保温材料火灾特性分析的基础上，结合保温材料自身特性对上个世纪60年代以来国内外相关火蔓延理论模型进行总结，主要结论如下：
（1）由于保温材料自身特性（比如孔状结构和熔融），其火蔓延行为表现出过火速度快和过火面积大的特点，这是造成高层建筑火灾后果严重的决定因素之一。
（2）对国内外几个典型的固体表面火蔓延理论模型的分析中可以发现，这些模型之间既存在不同之处，又存在继承和关联之处。
(i) Williams模型是最简单的基于热输运理论的火蔓延模型，但是由于模型中关键参数难以确定，故不利于实践应用；
（ii）deRis模型、Atreya模型和Zheng模型都是在采用一些简化假设的基础上，通过对控制方程进行理论求解而得到的，三者之间存在相通之处。不过Atreya模型在deRis模型的基础上考虑了炭化过程对火蔓延行为的影响，而Zheng模型在deRis模型的基础上考虑了熔融相变过程对火蔓延行为的影响。如果假设炭化层厚度为0或相变潜热为0则Atreya模型中和Zheng模型均蜕化为deRis模型。
（iii）对于PU类热固性保温材料，考虑到其炭化特性，建议采用Atreya模型描述其火蔓延行为；对于EPS和XPS类热塑性保温材料，考虑到其相变特性，建议采用Zheng模型描述其火蔓延行为。
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