1 美國建筑材料和制品的燃燒性要求
美國建筑規(guī)范(International Building Code)及其他建筑規(guī)范、國家防火保護(hù)協(xié)會(huì)(National Fire Protection Association, NFPA)101(NFPA 101)-生命安全規(guī)范等均對(duì)建筑材料和制品燃燒性及其危害的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)作了相關(guān)規(guī)定。在美國，為公眾接受的判定標(biāo)準(zhǔn)和分級(jí)方法一般都參照建筑規(guī)范中的規(guī)定，該規(guī)范也是美國主要的建筑規(guī)范。上述規(guī)范均要求測(cè)試建筑材料的燃燒性和火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，它們的測(cè)試方法分別對(duì)應(yīng)ASTM E136(燃燒性)和ASTM E84(火焰?zhèn)鞑?，其中ASTM E84還對(duì)可見煙的特征作了規(guī)定。
1.1 燃燒性試驗(yàn)方法
美國對(duì)不燃材料進(jìn)行分級(jí)的試驗(yàn)方法是ASTM E136，該方法測(cè)試材料在750℃的垂直管狀爐的熱行為。試驗(yàn)前對(duì)樣品進(jìn)行干燥處理，樣品的外形尺寸為38mm×38mm×51mm。材料如果能達(dá)到ASTM E136標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的指標(biāo)，即可判定為不燃材料。ASTM E136規(guī)定需對(duì)每個(gè)材料或制品4個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)量，其中的3個(gè)樣品通過試驗(yàn)，即可判定材料為不燃材料。具體判定要求為：如果測(cè)試樣品的重量損失不大于50％，在試驗(yàn)開始后的前30s內(nèi)，首先樣品表面和內(nèi)部的溫升不超過30℃，其次樣品不燃燒；如果測(cè)試樣品的重量損失大于50％，則材料的溫度不超過試驗(yàn)前測(cè)得的材料達(dá)到穩(wěn)定時(shí)溫度，且整個(gè)試驗(yàn)過程中樣品不燃燒。
ASTM E136標(biāo)準(zhǔn)的注釋部分對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法和原理作了說明。Carpenter等指出，ASTM E136有一個(gè)重要的缺陷，那就是不能定量地測(cè)量材料的熱釋放率或燃燒性，只是定性地給出一個(gè)通過/不通過的試驗(yàn)結(jié)果。盡管如此，ASTM E136也是一個(gè)非常嚴(yán)格的試驗(yàn)，測(cè)試材料中即使只含有少量的可燃成份都常常會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。因此，根據(jù)ASTM E136，含有可燃性粘合劑和礦物木質(zhì)隔熱材料、爐渣混凝土、水泥與木屑的復(fù)合材料、木纖維增強(qiáng)石膏板等都判定為可燃材料。石膏墻板的板芯能滿足不燃性規(guī)定要求，而紙面石膏墻板卻不能通過不燃性試驗(yàn)。
此外，對(duì)可燃材料進(jìn)行阻燃處理并不能使之成為不燃材料，其試驗(yàn)結(jié)果也達(dá)不到ASTM E136的要求。Tewarson等認(rèn)為E136也能夠?yàn)樾阅芑馂?zāi)設(shè)計(jì)提供定量的數(shù)據(jù)支持。
為了對(duì)那些低燃燒性的材料進(jìn)行分級(jí)，需要其他的試驗(yàn)方法，如NFPA 259規(guī)定的建筑材料潛熱的試驗(yàn)方法。材料的燃燒潛熱是指材料在氧彈量熱汁測(cè)得的總熱量與其在750℃的爐子中放置2小時(shí)以后的測(cè)得燃燒熱值之間的差。
在NFPA 101生命安全規(guī)范中，該測(cè)試方法被用作判定難燃材料的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定難燃材料的燃燒潛熱應(yīng)低于8140kJ/kg。Carpenter等研究了將錐形量熱計(jì)試驗(yàn)作為判定材料燃燒性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，但他們同時(shí)指出，由該方法產(chǎn)生的分級(jí)系統(tǒng)可能會(huì)打亂現(xiàn)存的材料的分級(jí)體系。
1.2 內(nèi)裝飾材料的燃燒性試驗(yàn)
北美對(duì)建筑材料表面燃燒特性的主要試驗(yàn)是7.6 m的Steiner隧道爐試驗(yàn)。與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)有ASTM E84，NFPA 255和UL 723。該試驗(yàn)是在樣品的一末端施加長1.35 m的火焰作為燃燒源，來觀察材料表面的火焰?zhèn)鞑ヌ匦院腿紵^程的煙密度。根據(jù)所觀察的火焰?zhèn)鞑?，通過計(jì)算火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x–時(shí)間曲線下的面積得到相對(duì)無因次火焰?zhèn)鞑ブ笖?shù)(Flame Spread Index，F(xiàn)SI)，為了便于計(jì)算，假定火焰前端不會(huì)后退。相對(duì)煙密度指數(shù)(Smoke Developed Index，SDI)是通過計(jì)算煙密度-時(shí)間曲線下的面積得到的，計(jì)算時(shí)，規(guī)定增強(qiáng)水泥板的SDI=0，紅橡木地板的SDI=100。歷*也曾以紅橡本地板為100，石棉板為0來計(jì)算火焰?zhèn)鞑ブ笖?shù)和煙密度指數(shù)，目前仍采用火焰到達(dá)橡木板末端的時(shí)間來校準(zhǔn)設(shè)備，但不用來計(jì)算火焰?zhèn)鞑ブ笖?shù)。由于上述試驗(yàn)方法中都是將樣品安放在矩形試驗(yàn)爐的頂部，導(dǎo)致了樣品的安裝方法成為了這些測(cè)試方法中爭議的地方。ASTM E84標(biāo)準(zhǔn)的附錄對(duì)樣品的安裝方法作了說明。
Tewarson等認(rèn)為E84的局限性與E648類似，即很難評(píng)價(jià)材料或制品在熱流作用下的火災(zāi)行為，而且環(huán)境條件、樣品的形狀、尺寸以及安裝方法都會(huì)對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生影響。為了便于產(chǎn)品的研究和開發(fā)，人們常常采用其他的試驗(yàn)方法來對(duì)ASTM E84進(jìn)行校準(zhǔn)。
根據(jù)ASTM E84的FSI測(cè)試結(jié)果，將內(nèi)裝飾材料分為3個(gè)等級(jí)：*或Ⅰ級(jí)要求FSI值不大于25；B級(jí)或Ⅱ級(jí)要求FSI值在26~75之間；C級(jí)或Ⅱ級(jí)要求FSI值在76~200之間。
如果材料的FSI值超過了Ⅲ級(jí)的上限值，則判定材料不達(dá)等級(jí)，該材料就不能在對(duì)材料燃燒性能有一定要求的場(chǎng)所使用。以上3個(gè)等級(jí)的SDI值都要求不大于450。建筑材料和制品的火焰?zhèn)鞑ブ笖?shù)值可以在Galbreath的論文以及美國森林和紙業(yè)協(xié)會(huì)(American Forest＆Paper Association)，Underwriters'Laboratory, Underwriters'Laboratory Canada和Intertek的出版物中查到。
對(duì)可燃材料的阻燃處理的主要目的是為了降低材料的火焰?zhèn)鞑ブ笖?shù)。表面是否經(jīng)過阻燃涂層處理對(duì)材料火焰?zhèn)鞑ブ笖?shù)值有正面或負(fù)面的影響，但這些影響都不足以改變材料的分級(jí)，除非原來的基底材料的分級(jí)本身就非常低。例如：磚頭、混凝土和石膏板的FSI為0，當(dāng)在它們的表面涂覆一層1.3mm的醇酸樹脂涂料、乳膠漆或纖維墻紙時(shí)，它們的FSI變?yōu)?5。然而，當(dāng)在FSI分級(jí)為150的木材以及FSI分級(jí)為25石膏墻板表面涂覆一層1.3mm的醇酸樹脂涂料或乳膠漆或纖維墻紙時(shí)，是不會(huì)改變材料的分級(jí)的。
Belles認(rèn)為隧道爐試驗(yàn)并不能對(duì)所有材料的防火性能作出充分的評(píng)價(jià)，如泡沫塑料、織物墻面材料等。全尺寸的墻角火試驗(yàn)NFPA 265和NFPA 286為隧道爐試驗(yàn)提供了可供選擇的試驗(yàn)方法，這些試驗(yàn)方法與ASTM和ISO的墻角火試驗(yàn)類似，房間尺寸為2.4m×3.6m×2.4m，其中一面墻開一扇門作為通風(fēng)口，在房間的一角落放置一個(gè)丙烷燃燒器，對(duì)非織物的墻面和天花板裝飾材料的*判定而言，可采用NFPA 286來替代隧道爐試驗(yàn)。在NFPA 286中，燃燒器需先提供5分鐘40kW的熱量，然后再提供10分鐘160kW的熱量。試驗(yàn)時(shí)根據(jù)材料的用途，將材料鋪滿3面墻和/或天花板。
試驗(yàn)的判定標(biāo)準(zhǔn)是：
1)在40kW的5分鐘供熱過程中，火焰不傳到天花板；
2)在160kW的10分鐘供熱過程中，火焰不傳到墻或天花板的邊緣且沒有轟燃現(xiàn)象發(fā)生；
3)總的煙釋放量不超過1000m2。
轟燃的判定標(biāo)準(zhǔn)是熱釋放率達(dá)到1MW，輻射到地板的熱量為20kW/m2，上層空氣的平均溫度達(dá)到600℃，“火焰竄出房門”以及預(yù)先貼于地板的目標(biāo)紙被點(diǎn)燃。
對(duì)于織物墻面材料*判定可接受的替代試驗(yàn)為NFPA 265。在NFPA 265，對(duì)燃燒的規(guī)定供5分鐘40kW的熱量，然后再提供10分鐘150kW的熱量。該試驗(yàn)中材料有兩種安裝方法：
方法A是材料只覆蓋與燃燒器放置角落處相鄰的兩面墻；
方法B與NFPA 286類似，即材料覆蓋3面墻，有門的墻面不覆蓋測(cè)試的材料。
試驗(yàn)過程中觀測(cè)火焰?zhèn)鞑?、燃燒過程的滴落、轟燃以及峰值熱釋放率等參數(shù)。判定轟燃的標(biāo)準(zhǔn)是輻射到地板的熱量為25kW/m2、上層空氣的平均溫度達(dá)到650℃、“火焰竄出房門”以及貼于地板的目標(biāo)紙被點(diǎn)燃。
以上兩法除了對(duì)燃燒器的要求有少許區(qū)別以外，燃燒器放置位置也不一樣，在NFPA 286中，燃燒器是直接靠著墻面，而NFPA 265中燃燒器離墻面還有51mm的距離。由于燃燒器的火焰不能與天花板材料接觸，所以NFPA 265不能用于天花板材料的測(cè)試，而NFPA 286可以對(duì)天花板材料進(jìn)行測(cè)試，一方面是因?yàn)镹FPA 286中燃燒器釋放的熱量較高，更重要的是燃燒器直接與墻面接觸，從而使火焰能夠沿墻面?zhèn)鞯煤芨?。?duì)裝飾材料或其他吊頂材料，可用NFPA 701中的方法中來判定材料是否阻燃，到底選用那種試驗(yàn)方法取決于測(cè)試織物或薄膜的類型。
臨界輻射熱通量試驗(yàn)裝置是專門用于地毯和其他的鋪地材料質(zhì)量檢測(cè)和控制，但是對(duì)木質(zhì)地板、聚乙烯基薄膜、油布以及其他彈性非纖維鋪地材料不做這方面的要求。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)有ASTM E648和NFPA 253。由于輻射板與底板之間有30度的夾角，因此，沿樣品表面的熱輻射通量從11kW/m2到1kW/m2不等。臨界輻射熱通量對(duì)應(yīng)于火焰前端傳播遠(yuǎn)的距離。
Blackmore等認(rèn)為，鋪地材料輻射面板阻止了火焰沿水平方向傳播，此時(shí)材料熱解的熱源來自外部的熱流和前端火焰的對(duì)流和傳導(dǎo)。材料的臨界輻射通量大于或等于4.5kW/m2定為1級(jí)，在2.2~4.5kW/m2之間定為2級(jí)(美國標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中采用的單位是W/cm2)。
ASTM E84試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為10分鐘，對(duì)阻燃處理木材而言，其持續(xù)時(shí)間為30分鐘，在隨后的20分種內(nèi)，阻燃處理木材的FSI值不能超過25且沒有明顯的增面燃燒現(xiàn)象。此外，在試驗(yàn)過程中，火焰前端不超過3.2m(從燃燒器的中心線算起)。
對(duì)那些用于潮濕或多雨環(huán)境中的阻燃處理木材，需先經(jīng)ASTM D2898的環(huán)境試驗(yàn)后，再按ASTM E84進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得FSI值不能增大。由于對(duì)那些受熱會(huì)熔融的泡沫隔熱材料進(jìn)行火災(zāi)性能試驗(yàn)很困難，除ASTM E84外，還對(duì)它們作了特殊的要求：用于屋頂遮蓋的泡沫隔熱材料被歸為構(gòu)件，按FM 4450或UL 1256進(jìn)行試驗(yàn)；用于外墻隔熱的泡沫塑料材料，可按NFPA 268和NFPA 285進(jìn)行測(cè)試。NFPA 268是將1.2m×2.4m試驗(yàn)樣品暴露在12.5kW/m2的熱流下并強(qiáng)制點(diǎn)燃20分鐘。NFPA 285屬于中等規(guī)模的試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置具有多層結(jié)構(gòu)且高度不低于4.6m。
對(duì)那些需滿足特殊要求的泡沫塑料，可采用的大型試驗(yàn)還包括FM 4880，UL 1040，NFPA 286或UL 1715。對(duì)那些用于光信號(hào)傳輸塑料，分別采用ASTM D1929來測(cè)量它們的自燃溫度，ASTM D2843來測(cè)量它們的煙密度指數(shù)，ASTM D635對(duì)其燃燒性能進(jìn)行分級(jí)(CC1和CC2級(jí))。暴露在外的隔熱材料采用ASTM E84來測(cè)量其火焰?zhèn)鞑?。而?duì)于松裝材料，由于材料不能按ASTM E84進(jìn)行放置，可采用加拿大底板隧道爐試驗(yàn)(CAN/ULC S102.2)來測(cè)量其火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴Ｔ摷幽么蟮装逅淼罓t試驗(yàn)解決了松裝隔熱材料的測(cè)試方法的問題，它將測(cè)試樣品放置在ASTM E84的爐子底部并將燃燒器方向向下對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)樣品。暴露在外的閣樓地板隔熱材料采用ASTM E970的臨界輻射通量試驗(yàn)來對(duì)它們進(jìn)行測(cè)試，并規(guī)定該隔熱材料的臨界輻射通量不小于0.12W/cm2。
美國聯(lián)邦消費(fèi)者產(chǎn)品安全委員會(huì)(CPSC)規(guī)定纖維索松裝隔熱材料按ASTM E970進(jìn)行試驗(yàn)。ASTM E108(UL 790)是專門針對(duì)屋頂遮蓋物的試驗(yàn)方法。ASTM E108包括4個(gè)獨(dú)立的火災(zāi)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將材料分為3個(gè)級(jí)別(A，B和C級(jí))，*嚴(yán)格。屋頂遮蓋物試驗(yàn)主要考慮材料的阻燃性，以防止火焰穿過遮蓋物進(jìn)入內(nèi)部結(jié)構(gòu)，除此之外，該標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)材料表面的燃燒性也作了要求。試驗(yàn)時(shí)將發(fā)光氣焰燃燒器放在傾斜頂板的邊緣，頂板寬度為1m，試驗(yàn)中控制空氣流量為5.3m/s。用于A，B和C >260