材料防火性能、测试方法与法规体系深度解析

当一场大火发生时，火焰温度可轻易攀升至800-1200°C。在如此严苛的环境下，我们日常所依赖的各种材料将面临终极考验。结构会逐渐升温，直至丧失承载能力和对火焰的约束能力；内饰和产品则可能成为火势蔓延的帮凶。因此，深入理解材料在火灾中的行为，并建立科学的测试与法规体系，是现代安全工程的基石。

建筑规范通常用“耐火极限”这一概念来量化结构的防火性能，即在标准火灾条件下（如国际标准ISO 834、欧洲标准EN 1363-1或美国标准ASTM E-119所定义），结构能够维持其功能的时间。这不仅仅是一个时间数字，背后是对材料科学、热力学和结构力学的深刻理解。

常见结构材料的防火性能剖析

钢材：高温下的“软肋”

钢材在常温下是强韧的代名词，但在高温火场中却表现出明显的脆弱性。温度达到约400°C时，钢材的强度和刚度便开始下滑；当温度超过600°C，其强度损失甚至会过半。这解释了为何绝大多数建筑钢结构必须采取防火保护措施，例如喷涂防火涂料、包裹防火板、填充矿棉或使用膨胀型防火漆，以确保在火灾中能维持足够的承载时间。

2001年9月11日世界贸易中心双子塔的倒塌，便是一个惨痛的实例。尽管塔楼经受住了飞机的巨大撞击，但航空燃油引发的猛烈大火持续加热钢结构，当温度达到临界点后，结构失效，最终导致了崩塌。

图1：航空燃油引发的大火是导致世贸中心塔楼最终倒塌的关键因素

混凝土：稳重但需警惕“剥落”

与钢材相比，混凝土在高温下的表现要从容得多。其高密度、高热容以及低导热系数的特性，使得热量在结构内部传递缓慢，能有效保护内部的钢筋。然而，混凝土也并非高枕无忧。它在高温下同样会损失强度和刚度，更棘手的问题是“剥落”（Spalling）现象——混凝土表层因内部水蒸气压力急剧增大而爆裂、脱落。

高强度混凝土尤其容易发生剥落。在公路、铁路隧道等火灾温度可能极高的场景中，隧道衬砌的剥落一旦发生，后果不堪设想。

木材：古老材料的“自保”智慧

木材在高温下同样会损失强度和刚度。但有趣的是，当暴露于轰燃后的火场时，它会以大约0.5 mm/min的速率逐渐燃烧和炭化。这个过程中形成的炭化层，本身是一种优良的隔热体，能够有效保护内部未燃烧的木材，减缓其承载能力的丧失。因此，木结构展现出相当优异的耐火性能，在许多情况下甚至无需额外防火保护（如欧洲规范Eurocode 5中的规定）。当木结构构件（如墙骨柱）被防火板等材料保护时，其耐火时间可以得到进一步延长。

高分子与复合材料：新的机遇与挑战

高分子材料的热分解行为

高分子材料在受热时的反应路径截然不同。热塑性塑料可以软化，甚至熔融，但材料本身不发生不可逆的化学变化；而热固性塑料则无法熔化，受热后会直接分解。

许多高分子材料在热分解时也会形成炭层。这个炭层同样扮演着隔热屏障的角色，保护下方的基材，延缓整个分解过程。

然而，高分子材料的火灾危险性与其物理形态和化学组分密切相关。通常，泡沫塑料和薄膜制品更容易被引燃，且燃烧更为剧烈。

• 聚烯烃（如PE、PP）：其热稳定性与分子链的支化程度有关，线性聚合物通常比支链聚合物更稳定。
• 聚氯乙烯（PVC）：由于氯元素具有阻燃效果，PVC通常具有较好的防火性。但其燃烧时会释放出刺激性、有毒的氯化氢（HCl）气体和大量浓烟，严重阻碍人员疏散。
• 聚氨酯（PU）：分子中含氮，燃烧会产生剧毒的氰化氢（HCN）和异氰酸酯，同时也会产生大量浓烟。

纤维增强复合材料（FRP）

纤维增强复合材料（FRP），如玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维增强塑料，因其卓越的比强度、比刚度和耐化学腐蚀性，在航空、航天、高速船舶等领域大放异彩。但它们本质上是可燃的。当FRP用于替代传统的非燃材料（如钢、混凝土）时，就可能引入新的火灾隐患。

另一个不容忽视的风险是，FRP在燃烧或机械破坏（如飞机坠毁）时，可能释放出大量可吸入的纤维。这些纤维不仅可能穿透皮肤，引起刺激和炎症，还可能携带燃烧产生的有毒物质进入人体，构成独特的健康威胁。

防火测试与法规：构筑安全防线

任何产品要进入市场，其防火性能通常都需要经过一系列文件、批准或认证。这些认证的核心依据便是依据各类标准进行的防火测试。全球范围内，主要的标准制定组织包括：英国的BSI、德国的DIN、美国的ASTM和NFPA，以及国际性的CEN（欧洲标准化委员会）和ISO（国际标准化组织）。

图2：对玻璃隔墙进行耐火性能测试

防火测试主要可分为三大类：

1. 燃烧反应性测试 (Reaction to Fire)：评估材料和产品在火灾初期的行为，例如可燃性、火焰传播特性。烟雾和有毒气体的生成量测试也常归于此类。
2. 耐火性能测试 (Fire Resistance)：衡量结构或分隔构件在规定时间内阻止火势从一个防火分区蔓延至另一分区。测试在耐火试验炉中进行，炉内温度按照标准时间-温度曲线（如EN 1363, ASTM E-119, ISO 834）变化，模拟真实火场。承重构件必须在整个测试期间承受设计载荷，而非承重分隔构件则需保持完整性和隔热性。
3. 灭火性能测试 (Fire Suppression)：针对灭火剂（如干粉、泡沫）和灭火设备（如喷淋头、灭火器）的测试。后者通常进行全尺寸试验，根据其能扑灭的火灾类型（A类-固体、B类-液体、C类-电气）和规模进行分级。

要准确评估材料的防火性能，需要借助一系列精密的测试方法和设备，并对复杂的标准体系有深刻理解。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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各应用领域的防火法规与测试方法

建筑领域

欧洲标准化委员会（CEN）已建立一套新的建筑产品测试与分级体系（Euroclasses），并逐步被欧盟成员国采纳为国家法规。许多建材产品需要通过测试获得防火等级，并加贴CE标志。

• 燃烧反应性等级：Euroclasses将产品分为A1, A2, B, C, D, E, F七个等级。F级表示未通过任何防火要求。A1和A2级代表非燃或近非燃材料。A1级是完全惰性的材料，如钢和混凝土；A2级则允许含有少量可燃物，如使用可燃粘结剂的矿棉。
• 测试方法：A1/A2级的评定需通过EN ISO 1182（不燃性测试）和EN ISO 1716（热值测试）。A2级还需额外进行单体燃烧试验（SBI, EN 13823）。B至D级的评定则需要进行SBI测试和EN ISO 11925-2（小火焰点燃测试）。
• 耐火性能失效判据：主要有三项：完整性 (Integrity)，即火焰穿透；隔热性 (Insulation)，即背火面温升超过140°C；承载能力 (Load-bearing capacity) 丧失。
• 耐火极限要求：建筑规范根据建筑高度、用途、居住人数等风险因素，规定了构件的耐火极限，通常在30至120分钟之间。例如，住宅的公寓门可能要求30分钟，而高层建筑的核心结构件则可能要求120分钟。
• 美国标准：在美国，ASTM E84（斯坦纳隧道测试）是确定墙面材料表面燃烧特性的主要方法。

对于材料研发人员而言，ISO 5660-1中描述的锥形量热仪（见图4）是极为重要的工具。它能精确测量样品在特定热辐射下单位面积的热释放速率，这些数据是进行火灾安全工程计算和预测全尺寸火灾场景的基础。

图3：单体燃烧试验（SBI，EN 13823）中，1500mm高的试样被置于角落进行测试

图4：锥形量热仪用于测量样品在给定热辐射下的单位面积热释放速率

交通运输领域

塑料在交通工具中应用日益广泛，其防火安全也备受关注。由于交通工具的全球化市场特性，其防火法规和测试方法也越来越国际化。

• 汽车：美国的联邦汽车安全标准（FMVSS）在全球具有巨大影响力。其中，针对内饰件的FMVSS 302（小尺寸火焰蔓延测试）是应用最广的标准之一。

图5：美国联邦汽车安全标准FMVSS 302中的火焰蔓延速率测试

• 轨道交通：欧洲正致力于推行统一的EN 45545《铁路应用-轨道车辆的防火保护》标准。该新标准采用了锥形量热仪（ISO 5660）和烟密度箱（ISO 5659）等现代测试方法，并要求对内饰材料进行烟气毒性评估。在此之前，各国采用自己的标准，如德国的DIN 5510，法国的NFF 16-101和英国的BS 6853。
• 航空器：美国联邦航空管理局（FAA）的联邦航空条例（FAR）Part 25几乎已成为全球民用飞机的防火标准。其中对内饰材料规定了不同角度的本生灯燃烧测试（见图6），对座椅垫、货舱衬板等则有更专门的测试要求。例如，使用俄亥俄州立大学（OSU）装置测量热释放，并有特定的防火（fireproof）和耐火（fire-resistance）测试用于指定防火区域的部件。

图6：FAR Part 25中的水平燃烧测试，用于证明材料的自熄性

• 船舶：国际海上人命安全公约（SOLAS）是全球商船安全的基本法规。国际海事组织（IMO）制定的《国际消防试验程序规则》（FTP Code）详细规定了船用结构和材料的防火测试程序。

电气工程领域

塑料因其优异的电绝缘性、耐用性和耐腐蚀性在电气工程中被大量使用。但任何通电的电路都存在固有的火灾风险。国际电工委员会（IEC）和欧洲电工标准化委员会（CENELEC）发布了一系列标准，如IEC 60695系列，用于表征产品的可燃性、火焰蔓延、烟密度、毒性以及耐异常热等性能。

家具领域

软体家具（如使用泡沫橡胶等高分子泡棉的沙发、床垫）燃烧猛烈，是住宅火灾中主要的致死因素之一。尽管多数国家有严格的建筑法规，但对家具等室内物品的防火要求却相对宽松。

• 点燃性测试：CEN发布了针对软体家具（EN 1021-1/2）和床垫（EN 597-1/2）的香烟和模拟火柴（小火焰）点燃测试标准。
• 全尺寸测试：家具是复杂的组合产品，小尺寸的材料测试往往无法准确评估整体的火灾风险。因此需要进行全尺寸测试。家具量热仪（NT FIRE 032，见图7）可测量整个家具的热释放速率。在美国，加州技术公报133（TB 133）的全尺寸房间测试方法影响广泛，尤其针对监狱、医院、酒店等高风险公共场所的家具。

图7：家具量热仪用于测量整件家具的全尺寸热释放速率

锥形量热仪（ISO 5660）也被用于小尺寸测试家具部件及面料/填充物组合的燃烧速率，其结果可用于预测在家具量热仪中的全尺寸燃烧行为。