玻璃棉彩钢板火灾痕迹特征与受火关联性的研究

为研究玻璃棉彩钢板火灾痕迹特征与受火情况的关联性，以油盘火作为典型火源，通过控制彩钢板与油盘的距离改变彩钢板受热条件，模拟火灾现场，分析彩钢板温升曲线、火灾痕迹、烧损状况，得到玻璃棉彩钢板颜色与形态等方面与温度的对应关系。结果表明，玻璃棉彩钢板在300℃以下表现为过渡区的痕迹特征；在300～400℃呈红色丝状；在400～500℃呈黑色絮状；在500℃以上呈灰色块状。

 

彩钢板是目前使用广泛的建筑材料，全国总产量超过900万t/a。为起到良好的保温隔热作用，彩钢板多采用泡沫制品为芯材，泡沫制品易于燃烧，火灾危险性大。为有效改善这一问题，以无机材料为芯材的彩钢板正在逐渐推广应用，以替代火灾危险性较大的泡沫夹芯彩钢板材料，其中玻璃棉彩钢板以其性能方面的独特优势及良好的保温隔热性，在生产生活中得到广泛应用。

 

国内外研究学者针对泡沫彩钢板及彩钢板火灾进行了广泛的研究，尤其是泡沫夹芯彩钢板。韩伟平等通过对比岩棉和聚苯乙烯彩钢板建筑体的燃烧性能试验，得出了岩棉芯材彩钢板建筑体比泡沫芯材彩钢板在火灾环境中具有更好的稳定性；包光宏等通过两次板房火灾试验，分析探讨了板房的屋面材料和墙板材料的选用、室内可燃物的控制、板房之间的间距、板房之间设防火隔板以及板房的整体结构耐火等问题。

 

国内外专家学者对泡沫彩钢板芯材做了许多研究，但对于以玻璃棉等无机材料为芯材的彩钢板建筑，在受热痕迹等方面的研究还未见报道。虽然玻璃棉彩钢板作为典型的不燃材料不能引发火灾，但是其在火灾中的热蚀痕迹也是判断火势蔓延方向、认定起火部位起火点的重要依据。

 

为了更好地识别玻璃棉彩钢板的现场痕迹特征，笔者模拟彩钢板放火火灾现场条件，以油盘火作为稳定的燃烧热源，通过热电偶测定烘烤涂装型镀锌彩色钢板上不同点的温度，探究在实际火场中玻璃棉彩钢板材料的受热痕迹、受损特征以及受火关联性等方面的变化规律。

 

一、实验部分

 

1、实验设备与材料

 

(1)铁质油盘(500mm×500mm×50mm)，标准93#汽油。

 

(2)Fluke2620A数据采集器。

 

(3)K型贴片式端面热电偶。

 

(4)CanonEOS600D数码照相机。

 

(5)尺寸为500mm×500mm×100mm的玻璃棉彩钢板。

 

2、实验步骤

 

实验以油盘火实现稳定的燃烧热源，通过油盘的大小以及注入汽油量的多少控制稳定燃烧的时间；通过彩钢板与油盘的距离控制彩钢板的表面温度，同时在玻璃棉彩钢板中心以及距离中心垂直距离100mm的位置设置3个贴片式热电偶。

 

(1)按照表1设计工况设置好实验组。

 

(2)在铁质油盘中倒入约30mm深度的93#汽油,启动数据采集器并点火；等待油盘中的汽油充分燃烧至余焰完全熄灭后，关闭数据采集器并冷却。

 

(3)拍照并固定痕迹，对燃烧残留物进行观察并分析。对不同的样品进行拆解处理，将玻璃棉彩钢板迎火面的铁片掀开，观察薄铁片的表面受热痕迹，将芯材沿水平方向过测温点切开，观察其热蚀痕迹。

 

(4)对采集到的时间点对应温度的数据进行分析处理。将燃烧时间及温度数据与相应的燃烧痕迹作对比。

 

表1 实验工况设计

 

二、结果与讨论

 

1、工况1实验情况

 

工况1设定条件为彩钢板距离油盘0cm，图1为3个测温点的温度分布情况。可以看出，玻璃棉彩钢板经过900℃左右的高温烘烤约2min。

 

图1 距离油盘0cm彩钢板的升温曲线

 

观察玻璃棉彩钢板受火变化的过程，发现明火刚开始烘烤玻璃棉彩钢板时，彩钢板可以保持整体的稳定性，伴随着火焰的持续稳定燃烧，玻璃棉芯材颜色褪去，发生明显变色，并在高温火焰处发生变形收缩，丝状的玻璃棉凝结成块状，并伴有发烟现象。发烟现象出现在初期，持续时间较短。在油盘火作用下，彩钢板表面首先出现大面积的烟熏，局部产生凹陷和变形，继而与玻璃棉芯材脱离，玻璃棉出现结块并背离火焰方向向内部倾斜凹陷。在油盘火火焰的进一步灼烤下，铁皮表面烟熏颜色变淡，最后变成白色，出现“烧白”的典型痕迹。

 

受火后的玻璃棉彩钢板表面铁片部分从玻璃棉芯材上脱落，裸露部分直接受高温明火炙烤，如图2(a)所示。玻璃棉从淡黄色变成灰黑色，受明火炙烤部分块状区明显，结块部分较薄，轻微用力可以击碎。块状区域呈灰白色，上面呈丝状条纹，有较为清晰的纹路,如图2(b)所示。块状物下方粘连着灰白色的絮状玻璃棉块状物，如图2(c)所示。

 

块状区下方是大量的黑色絮状区，从图1中看出，该部分于700℃的高温烘烤约3min。黑色絮状区玻璃棉呈絮状，为黑色并夹杂着部分灰色絮状玻璃棉,如图2(d)所示。黑色絮状区玻璃棉呈自由舒张状态，玻璃棉之间粘连性比正常状态要稍强，不易机械破坏，黑色絮状区在该样品中占绝大部分。背离火焰面存在较薄的红色丝状区，整体玻璃棉彩钢板向背火面呈收缩状态。

 

图2 距离油盘0cm彩钢板受火痕迹

 

2、工况2实验情况

 

工况2设定条件为彩钢板距离油盘10cm，彩钢板升温曲线，如图3所示。可以看出，样品经过600℃左右的火焰炙烤约2min。

 

图3 距离油盘10cm彩钢板的升温曲线

 

图4为距离油盘10cm彩钢板的受火痕迹。可以看出，铁片整体未剥离玻璃棉芯材。芯材受火面有少数灰色块状区，散落在黑色絮状区表面，厚度较薄，且整体表面向内凹陷，如图4(a)、图4(d)所示。整体以黑色絮状区为主。从剖面看，受热痕迹以高温点为中心向四周边缘扩散，红色丝状区和过渡区不明显，如图4(b)所示。温度较高的B1点黑色絮状区域范围较宽，如图4(c)所示。

 

图4 距离油盘10cm彩钢板的受火痕迹

 

3、工况3实验情况

 

工况3设定条件为彩钢板距离油盘20cm，彩钢板升温曲线如图5所示。可以看出，样品经过约400℃的火焰炙烤约2min，铁片整体未剥离玻璃棉芯材。

 

图5 距离油盘20cm彩钢板的升温曲线

图6 距离油盘20cm彩钢板的受热痕迹

 

图6为距离油盘20cm彩钢板的受热痕迹。掀开迎火面的铁片，上面残留黑红色丝状物质，如图6(a)所示。玻璃棉芯材表面水平方面呈现不同的痕迹层次，其中红色丝状区与过渡区较为明显，如图6(c)所示。从剖面图上看，玻璃棉芯材只有表面一部分有高温烘烤痕迹，黑色絮状区与红色丝状区较薄，过渡区相对较厚，如图6(d)所示。玻璃棉整体结构完整，收缩变形不明显。

 

在彩钢板未剥离芯材的情况下，玻璃棉芯材整体向背火方向凹陷变形，彩钢板内侧粘连有红黑色物质。从剖面图看，灰色块状区、黑色絮状区、红色丝状区以及过渡区从迎火方向往背火方向依次展开。将玻璃棉彩钢板在火灾中的颜色、形态变化情况进行梳理如下。

 

(1)颜色变化

 

经过不同温度一定时间的明火炙烤或者高温辐射，玻璃棉彩钢板中玻璃棉芯材颜色发生明显的变化。这种颜色变化的规律，可以反映火灾作用时的不同温度。加工后成品玻璃棉为淡黄色，部分颜色较深，偏红，部分颜色较浅，偏白。

 

过渡区为玻璃棉正常状态下和红色丝状区之间一个区域。过渡区颜色为中黄色,颜色层次呈明显的过渡性。玻璃棉在400℃左右区域呈红色丝状区。红色丝状区的颜色为深红色，部分为褐色，偏深。部分为深黄色，偏淡。

 

玻璃棉纤维在500℃以下区域呈黑色絮状区,部分略淡，偏灰。

 

在高温情况下，玻璃棉纤维在500～600℃时开始结块，纤维收缩并产生灰色块状物体。从实验的升温图中可以看出，玻璃棉在600℃以上时出现该现象。灰色块状区颜色为浅灰色，部分颜色较深偏黑，部分颜色较浅偏白。结块区域反光能力较强，在光照条件较好的情况下容易看出明显的反光，见表2所示。

 

表2 玻璃棉在不同温度下颜色变化

 

(2)外形变化

 

经过一定时间的明火炙烤或者高温辐射，玻璃棉彩钢板芯材的外形发生变化，在表观的形状、纹路上有较为明显的区别，其变化规律可以反映玻璃棉芯材在火灾时所受的不同温度情况。

 

加工后成品玻璃棉为块状，未过火的玻璃棉为絮状，条纹清晰明了。玻璃棉触感比棉花更为硬直，丝状的玻璃棉单条与单条之间有粘连性，略强于棉花。玻璃棉条纹呈一个方向，有聚集在一起的较为粗的纹路，也有较为松散状态的丝状玻璃棉条。

 

过渡区纤维呈絮状，条纹清晰明了。丝状的玻璃棉单条与单条之间有粘连性。玻璃棉条纹呈一个方向，有聚集在一起的较为粗的纹路，也有较为松散状态的丝状玻璃棉条。

 

400℃左右区域呈红色丝状，部分粘连结成较粗的长条。丝状区的玻璃棉纤维纹路纹理具有明显的方向性。丝状区的玻璃棉纤维硬度与正常状态下的玻璃棉纤维较为相似，质地较为柔软。在红色丝状区玻璃棉纤维之间会有小块黑色油状熔融液滴状物质，可能为高温熔化分解的高分子黏合剂。红色丝状区整体结构与正常情况的玻璃棉一样稳定，不发生收缩与变形现象。

 

500℃以下的黑色絮状区的玻璃棉纤维纹理具有明显的方向性。絮状区的玻璃棉纤维较为坚硬，纤维大多数以长条和直线型存在，越靠近结块区的纤维越坚硬，越靠近内部(背火方向)越松软。黑色絮状区收缩变形不明显。玻璃棉纤维在500～600℃时开始结块，轻轻敲击容易破碎和断裂。结块区表面保留了纤维状条纹与纹理，纹理具有明显的方向性。最外层玻璃棉结块最为明显，块状部分较脆，轻轻敲击即可破碎和断裂，断裂和破碎的部分为不规则的块状。结块区域收缩变形明显，向背火方向凹陷，温度越高挤压收缩越明显。结块区靠近内部(背火方向)粘连有灰色的絮状玻璃棉纤维，轻轻抖动会有少量灰色颗粒掉落。

 

结论

 

在实际火场中，玻璃棉彩钢板由于受热温度不同，在一定的受热时间下，其颜色也各不相同。模拟实验结果证明，当玻璃棉芯材为淡黄色与中黄色，颜色变化不明显，此时玻璃棉在低于300℃的温度下；当玻璃棉芯材呈现为红褐色，颜色随着温度的升高变深，此时的温度为300～400℃；玻璃棉芯材为灰黑色，颜色随着温度的升高而逐渐偏灰，此时温度为400～500℃；玻璃棉表面呈灰白色块状，且随着温度的升高，灰白色块状区的面积以及厚度逐渐增大，此时玻璃棉温度在500℃以上。因此，玻璃棉颜色变化趋势为淡黄→中黄→红色→红褐色→黑色→灰黑色→灰白色，对应温度由低到高。在火灾现场勘查中，勘查人员可以通过玻璃棉芯材颜色的变化，推断某个部位受热温度以及受火时间，为判定起火点找到依据。