建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估方法研究

朱 蕾

(潍坊工程职业学院，山东 青州 262500)

0 引言

在密集性的高层建筑中，防火性能成为选择建筑材料时需要考虑的重要的一方面。建筑外墙保温泡沫材料在实现保温隔热的同时，还具有一定的防火功能[1]。研究建筑外墙保温泡沫材料的防火性能，进行建筑材料的优化选材，有利于提高建筑的防火和隔热性。对建筑外墙保温泡沫材料的防火性能研究是建立在对温度以及建筑破坏形变参数分析基础上的，结合对建筑外墙保温泡沫材料的温度、应变、竖向挠度等参数的采集结果，采用热电偶传感器进行防火性能测试，在多个应变测点进行建筑外墙保温泡沫材料防火效能的动态评估[2]。

目前，已有一些专家学者提出了一些较为成熟的评估方法。如文献[3]中提出了一种采用小尺度、中尺度和实尺度等多尺度试验相结合的方法，对建筑用常见保温材料进行燃烧特性评估和整体防火性能的评估；文献[4]中通过分析建筑外墙保温材料的类型和危险程度，结合材料的防火性能的现状探析改进建筑外墙保温材料的防火性能及防火方法。然而这些传统方法在不同程度上存在可靠性差的不足。因此，本文提出了基于边缘约束构件破坏形态分析的建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估方法，首先进行防火性能评估的参数模型构建，然后进行建筑材料防火性能的破坏形态学分析，最后进行仿真实验验证，得出有效性结论。

1 基于热电偶传感器的防火性能参数检测

1.1 防火性能参数采集

为了实现对建筑外墙保温泡沫材料防火性能的评估与预测，采用参数特征采样方法，进行建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的大数据特征采样。采用无线传感监测技术进行建筑外墙保温泡沫材料的防火性能参数检测，采集的参数有温度、应变、竖向挠度等。初始化建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估温度特征参数，结合模糊分类方法进行特征聚类处理，得到防火性能评估的参数融合中心F(i，j)，其中i=1，2，…，m，j=1，2，…，n。提取建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的粗糙集分布特征，以双钢板—混凝土组合剪力墙为研究对象，得到建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的墙侧面钢板宽度分布：

(1)

构建建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的模糊特征信息采集模型，得到热电偶传感器节点数目为N，计算建筑外墙保温泡沫材料防火三维图谱M和边缘构件内置分布密度D分别为：

(2)

(3)

假设建筑外墙保温泡沫材料的组合剪力墙截面分布为δ，结合热电偶传感器进行防火性能测试，在多个应变测点进行建筑外墙保温泡沫材料防火效能观测，构建建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估模糊特征分布序列为{y(t0+Δt)}，其中，t0表示初始特征提取时间，Δt表示模糊特征提取间隔。假设数据信息流矢量长度为l，以耗能能力以及抗剪承载力的约束指标集，采用多元回归分析方法，进行建筑外墙保温泡沫材料防火指标参数构建，设建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的聚簇特征及两个传感器的中心距离为L，根据各试件材料性质、试验装置的差异性，构建建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的统计特征量，得到量化评估估计值为：

(4)

综上所述，实现对采集的原始建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的参数采集和样本分析，根据样本回归分析结果进行防火性能监测。

1.2 防火效能的动态形态分析

设计通过热电偶传感器进行防火性能测试，在多个应变测点进行建筑外墙保温泡沫材料防火效能的动态评估[5]。采用温度修正和动态预警阈值评估方法，构建建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的预测函数f为：

(5)

式中C1、S1、S2均为常量。根据建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的量化特征集，进行模糊性挖掘，在核心区混凝土剥落层，得到建筑外墙保温泡沫材料的二者自振频率为：

(6)

在防火过程中，钢筋拉断破坏作用下，建筑外墙保温泡沫材料的屈服应力响应反映了防火强度。因此在极限抗力作用下，根据建筑外墙保温泡沫材料的抗拉力破坏作用进行防火指标参量分布性检测，得到建筑外墙保温泡沫材料防火压力膜最近邻点表示为e，设定极限抗力进行防火效能预测，给定调节参数a，b，得到建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的状态函数为：

(7)

定义G为建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的粗糙集，统计特征分布为{g(t0+Δt)}，t0和Δt分别表示初始特征提取时间和模糊特征提取间隔。在受压薄膜效应阶段，经典屈服线分布的特征空间为C=[g1，g2，···ge]K，其中K=N-e，表示建筑外墙保温泡沫材料防火效能的动态破坏形态分析特征集。在极限荷载迅速下降的条件下，建筑外墙保温泡沫材料防火的最大承载温度统计输出为：

(8)

式中：a0为多个应变测点进行建筑外墙保温泡沫材料防火效能的动态预警幅值；xh为具有相同的均值、方差的建筑外墙保温泡沫材料防火效能统计分布序列，从而得到建筑外墙保温泡沫材料防火性评估指数动态时间序列评估值为：

(9)

式中μ表示建筑外墙保温泡沫材料塑性损伤模型模拟的置信度函数。综上分析，结合多个应变测点进行建筑外墙保温泡沫材料防火效能的动态破坏性分析[6]。

2 防火性能评估方法优化

2.1 建筑外墙保温泡沫材料测点的温度变化分析

在上述采用无线传感监测技术进行建筑外墙保温泡沫材料的防火性能参数检测和特征分析的基础上，进行建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估方法的优化设计[7]，提出基于边缘约束构件破坏形态分析的建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估方法，构建热解热力学平衡体系[8]，采用温度修正和动态预警阈值评估方法，进行建筑外墙保温泡沫材料测点的温度变化分析，在一定温度下建筑外墙保温泡沫材料的隔热防火摩尔反应生成焓为：

H=U+pV，

(10)

式中：U表示建筑外墙保温泡沫材料内能；p表示表示一定温度下建筑外墙保温泡沫材料的摩尔反应熵；V表示材料体积。根据塑性硬化段应力—应变[9]，计算建筑外墙保温泡沫材料在摩尔反应中自由能与温度主要反应如下：

θ=H+EC，

(11)

式中EC表示高温燃烧反应后的建筑外墙保温泡沫材料的温度变化生成焓。式(11)展示了建筑外墙保温泡沫材料的热稳定性、温度变化稳定性以及抗拉破坏作用下的力学稳定性，根据建筑外墙保温泡沫材料的热降解特性，由热力学的一般理论进行材料的热力学破坏特性分析，根据应力—应变关系，得到建筑外墙保温泡沫材料在热解反应的热力学方程为：

(12)

测试建筑外墙保温泡沫材料在受压峰值后的软化曲线，得到防火材料在高温高压下的摩尔反应输出的动态势能增益为：

Δ=Q-EC。

(13)

在高温剧烈反应下，采用温度修正和动态预警阈值评估方法，进行建筑外墙保温泡沫材料测点的温度变化分析。

2.2 防火性能的量化评估

在进行建筑外墙保温泡沫材料测点的温度变化分析时，结合测点的时间滞后评估方法，对建筑外墙保温泡沫材料进行边缘约束构件破坏形态分析，采用塑性硬化起始应变特征分析方法进行建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的全局稳定性计算[10]，得到建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的模糊决策计算式为：

(14)

在弹性比例应变限值约束下，建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的共同评价关联度函数为：

(15)

式中：cpc表示建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的有向性特征；da，i和db，i表示关联约束系数。假设建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的平均互信息特征量为σ，结合测点的时间滞后评估方法，实现对建筑外墙保温泡沫材料的边缘约束构件破坏形态分析，计算公式为：

(16)

式中α表示测点的时间滞后系数。在此基础上，建筑外墙保温泡沫材料的防火效能最优评估值分别表示为：

(17)

综上分析，实现了建筑外墙保温泡沫材料的防火性能量化评估和边缘约束构件破坏形态分析。

3 实验测试与结果分析

为了验证本文方法在实现建筑外墙保温泡沫材料的防火性能评估中的实用性能，设计如下实验进行测试分析。现设置实验条件如下：材料力学性能参数设定为应力—应变模量Es=120 GPa，防火塑性泊松比μ=0.28，硬化起始应变εsh=0.04，弹性比例0.23，抗拉强度fu=490 MPa，材料的配方分布见表1。

表1 建筑外墙保温泡沫材料样本基础配方

根据上述参数设定，采用无线传感监测技术进行建筑外墙保温泡沫材料的防火性能参数检测，结合热电偶传感器进行防火测试，得到材料进行燃烧作用下的反应过程如图1所示。

图1 建筑外墙保温泡沫材料燃烧反应的过程

根据图1所示的燃烧反应过程图，构建材料燃烧热力学模型，在多个应变测点进行建筑外墙保温泡沫材料防火效能的动态评估，得到材料燃烧X线光谱分析结果如图2所示。

分析图2可知，建筑外墙保温泡沫材料具有很好的防火性能。这也初步证明了本文所设计的建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估方法的有效性。

为进一步检验本文方法的应用性能，结合测点的时间滞后评估方法，实现对建筑外墙保温泡沫材料的边缘约束构件破坏形态分析，利用本文方法和传统方法在相同实验环境下对材料的防火性能进行评估，测试不同方法的评估准确性，得到实验结果如图3所示。

图3 不同方法评估准确性结果图

分析图3可知，随着实验次数的增加，本文方法和传统方法的评估准确性都呈现出不同程度的下降趋势，但是采用本文所设计方法进行建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估的准确性始终高于传统方法，这充分证明了本文方法的评估有效性。

4 结语

研究建筑外墙保温泡沫材料的防火性能，进行建筑材料的优化选材，有利于提高建筑的防火和隔热性。本文提出了基于边缘约束构件破坏形态分析的建筑外墙保温泡沫材料防火性能评估方法。采用无线传感监测技术进行建筑外墙保温泡沫材料的防火性能参数检测，结合热电偶传感器进行防火性能测试，在多个应变测点进行建筑外墙保温泡沫材料防火效能的动态评估，采用温度修正和动态预警阈值评估方法，进行建筑外墙保温泡沫材料测点的温度变化分析，结合测点的时间滞后评估方法，实现对建筑外墙保温泡沫材料的边缘约束构件破坏形态分析，根据破坏形态的预测结果实现防火性能评估。经实验研究得知，本文方法能有效对建筑外墙保温泡沫材料防火性能进行评估，评估方法具有应用优势。