Johdanto
Eristysmateriaaleilla on keskeinen rooli rakennusteollisuuden julkisivurakentamisessa: Ne vähentävät lämmön, kylmän, äänen ja joissakin tapauksissa kosteuden siirtymistä sisä- ja ulkotilojen välillä. Tämä vähentää rakennuksen energiankulutusta, pitää sisäilmaston vakaampana ja lisää merkittävästi asumismukavuutta.
Mihin eristemateriaaleja käytetään?
- Lämpöeristys: Minimoi lämpöhäviöt talvella ja estää ylikuumenemisen kesällä.
- Kosteussuojaus: Tietyt materiaalit säätelevät kosteutta ja estävät tiivistymistä.
- Äänieristys: Eristysmateriaalit vähentävät ilma- ja iskuääntä.
- Palosuojaus: Jotkut eristysmateriaalit toimivat paloesteenä tai hidastavat palon leviämistä.
Eristysmateriaalit edistävät merkittävästi rakennusten energiatehokkuutta, ääni- ja kosteussuojausta sekä paloturvallisuutta. Lämpötehokkuuden lisäksi palokäyttäytyminen on yhä tärkeämpää, sillä se vaikuttaa merkittävästi palon leviämiseen, savun kehittymiseen ja evakuointiturvallisuuteen.
ISO 5660-1 -standardin mukainen TCC 918 -konekalorimetri (kuva 1) on vakiintunut testimenetelmä materiaalien palokäyttäytymisen kvantitatiiviseen arviointiin määritellyissä lämpövaikutuksissa.
Tässä sovellusohjeessa testataan ja vertaillaan eri eristemateriaalivaihtoehtoja NETZSCH TCC 918 -kartiokalorimetrin avulla.
Mittausolosuhteet
Viisi eristeen eri koostumuksia ja värejä (valkoinen, punainen ja kolme harmaan sävyä) sisältävää eristevaihtoehtoa testattiin TCC 918 -konekalorimetrissä palokäyttäytymisen tutkimiseksi.
Laite tallentaa erilaisia parametreja, kuten lämmön vapautumisnopeuden (HRR), syttymisaika (TOI) ja kokonaissavuntuotto (TSP). Sen avulla voidaan myös tehdä ennusteita palon kehittymisestä.
Kaikki testit suoritettiin identtisissä olosuhteissa ISO 5660-1 -standardin mukaisesti, jotta varmistetaan suora ja mielekäs vertailtavuus.
Kukin tutkituista eristemateriaaleista (kuva 2) mitattiin toistuvasti yksittäisillä näytteillä.
Testien laajuus esitetään yksityiskohtaisesti taulukossa 1 ja mittausolosuhteet taulukossa 2. Kukin eri eristysmateriaalien näyte mitattiin itsenäisesti ja samanlaisissa olosuhteissa.
Laboratorion ympäristöolosuhteet pysyivät vakaina koko testisarjan ajan: lämpötila oli noin 24-25 °C ja suhteellinen kosteus 22-23 %.
Taulukko 1: Testinäytteiden laajuus
| Valmistajan tunnus | Väri | Mitattujen näytteiden lukumäärä |
|---|---|---|
| Näyte W | valkoinen | 4 |
| Näyte R | punainen | 3 |
| Näyte G4 | harmaa1 | 3 |
| Näyte G5 | harmaa2 | 3 |
| Näyte G6 | harmaa2 | 3 |
Taulukko 2: Mittausolosuhteet
| Näytteen pidike | Vaakasuora |
| Lämpövirta | 25 kW/m2 |
| Nimellinen virtausnopeus | 24.0 l/s |
| Etäisyys kartiolämmittimeen | 25 mm |
Mittaustulokset ja vertailevat katsaukset
Kaikki tässä jaksossa esitetyt päätelmät perustuvat yksinomaan yksittäisten mitattujen näytteiden tuloksiin.
Syttymiskäyttäytyminen
Syttymisaika (TOI1) arvioi, kuinka nopeasti materiaali syttyy, kun se altistetaan tietylle lämpötasolle. Näyte altistettiin 25 kW/m²:n tasaiselle lämpösäteilylle. Aika säteilytyksen alkamisesta ensimmäiseen näkyvään liekkien ilmaantumiseen määritellään syttymisaikana. Tämä aikaleima näkyy suoraan kartiokalorimetriohjelmiston arvioinnissa TOI-arvona.
Lyhyt syttymisaika osoittaa, että materiaali on herkästi syttyvää, absorboi energiaa ja kuumenee nopeasti, mikä johtaa kaasumaisten pyrolyysituotteiden varhaiseen syttymiseen. Palonkestävämmät materiaalit vaativat enemmän energiaa kuumenemiseen ja pyrolyysiin, mikä johtaa viivästyneeseen syttymiseen.
Kaikkien testattujen materiaalien syttymiskäyttäytymisessä on selviä ja johdonmukaisia eroja. Vertailu on esitetty kuvassa 3.
- Tutkituista näytteistä valkoisella vaihtoehdolla on lyhimmät syttymisajat ja siten pienin lämpösäteilyn kestävyys. Tämän tuloksena keskimääräinen syttymisaika on 414 s.
- Punaisella muunnoksella on keskimääräinen syttymisvastus, ja se syttyy myöhemmin kuin valkoinen muunnos mutta aikaisemmin kuin harmaat muunnokset. Keskimääräinen syttymisaika on tässä tapauksessa 599 s.
- Harmailla muunnoksilla on jatkuvasti pisimmät syttymisajat. Laskettu keskimääräinen syttymisaika on 862 s, mikä osoittaa lisääntynyttä vastusta käytetylle lämpövirralle.
Tämä tarkoittaa sitä, että harmaat materiaalit kestävät eniten käytettyä lämpösäteilyä.
1Syttymisaika(TOI) määrittelee, kuinka nopeasti materiaalissa tapahtuu palava palaminen. (NTA_Cone_Calorimeter_en_web.pdf, s. 7).
Lämmön vapautumisen voimakkuus ja tulipalon kehittyminen
Lämmön vapautumisnopeus (HRR2) on yksi tärkeimmistä parametreista, joita käytetään palon voimakkuuden arvioinnissa. Sitä pidetään palon liikkeellepanevana voimana: mitä korkeampi HRR on, sitä suurempi on syttyvyys ja mahdollinen palovaara.
Huippulämmön vapautumisnopeus (peak HRR) osoittaa hetken, jolloin materiaali vapauttaa eniten lämpöä, mikä on erityisen vaarallista hätätilanteessa, koska se edistää palon leviämistä nopeasti ja voimakkaasti.
Huippu-HRR mahdollistaa selkeän ja yksinkertaisen vertailun eri materiaalien ja koostumusten välillä.
Kuvissa 4-6 esitetään eri eristemateriaalien lämmönluovutusnopeuden mittauskäyrät.
2Lämmönluovutusnopeus(HRR) on mitta, jolla mitataan materiaalin palamisen aikana aikayksikköä kohti vapautuvan lämmön määrää. (NTA_Fire_Testing_Systems_en_web.pdf s. 6)
Taulukossa 3 esitetään eri eristemateriaalien suurimmat lämmönluovutusnopeudet (HRR3).
Vertailukelpoisuuden parantamiseksi laskettiin kunkin materiaalivaihtoehdon keskimääräiset HRR-huippuarvot.
Tuloksista voidaan tehdä seuraavat päätelmät:
- valkoinen vaihtoehto: noin 572 kW/m² → erittäin korkea palon intensiteetti
- punainen vaihtoehto: noin 306 kW/m² → keskimääräinen tai erittäin suuri palon intensiteetti
- harmaat vaihtoehdot: noin 289 kW/m² → keskimääräinen palon voimakkuus
Valkoisissa materiaaleissa on siis voimakkain lämmön vapautuminen syttymisen jälkeen, kun taas harmaille muunnoksille on ominaista alhaisemmat HRR-huippuarvot.
3Peak-HRR- Suurin lämmön vapautumisnopeus (NTA_Fire_Testing_Systems_de_web.pdf S.6)
Taulukko 3: HRR-huippujen vertailu
| ryhmän tunnus | Väri | Huippu-HRR-arvot (kW/m²) | Huippu-HRR-alue (kW/m²) | Keskimääräinen huippu-HRR (kW/m²) | Havaittu palon voimakkuus |
|---|---|---|---|---|---|
| Näyte W | valkoinen | 496.2/548.3/596.9/647.4 | 496-647 | 572.2 | Erittäin korkea |
| Näyte R | punainen | 345,4 / 252,9 / 319,2 | 254-345 | 305.8 | Keskimääräisestä korkeaan |
| Näyte G4 | harmaa1 | 301.1/282.6/294.8 | 283-301 | 292.8 | Keskiarvo |
| Näyte G5 | harmaa2 | 283.1/309.4/ 295.6 | 283-309 | 269.0 | Keskiarvo |
| Näyte G6 | harmaa2 | 258.7/272.3/304.8 | 259-305 | 278.6 | Keskiarvo |
Palon kasvun voimakkuus
Suurin keskimääräinen lämmön vapautumisnopeus (MARHE4) havainnollistaa palon kasvun voimakkuuden eroja, sillä se edustaa ajallisesti tasoitettua suurinta lämmön vapautumista testin aikana, mikä mahdollistaa eri materiaalien palokäyttäytymisen vertailun.
Kuvassa 7 esitetään eri materiaalinäytteiden MARHE-arvot (suurin keskimääräinen lämpöpäästönopeus), jotka on erotettu toisistaan värin mukaan: valkoinen, punainen ja harmaa. Arvot esitetään pystypalkkeina, ja kunkin palkin alapuolella on vastaava näytteen nimi. MARHE-arvot ilmaisevat suurimman keskimääräisen lämpöpäästön koko palokokeen aikana.
4MARHE-arvo(Max. Average Rate of Heat Emission) on suurin lämmön vapautumisnopeus, joka määritetään ISO 5660-1 -standardin mukaisella kartiokalorimetrillä suoritetun testin aikana.
Tulkinta
- Valkoiseen luokkaan kuuluvissa näytteissä MARHE-arvot vaihtelevat pääasiassa 76,7 kW/m²:stä 90 kW/m²:iin
- Useissa näytteissä on yli 80 kW/m²:n arvoja, kahdessa jopa lähes 90 kW/m².
→ Valkoisilla materiaaleilla on korkeimmat MARHE-arvot, jotka edustavat kriittisintä palokäyttäytymistä, mikä vastaa korkeita HRR-piikkiarvoja ja osoittaa palon nopeaa kehittymistä.
- Punaisen luokan näytteet ovat keskimmäisellä alueella ja niissä on huomattavia vaihteluita: Arvot: 56.5 kW/m², 37,7 kW/m², 57,6 kW/m².
→ Punaiset näytteet osoittavat kohtalaisen korkeaa palokäyttäytymistä, jossa on jonkin verran vaihtelua näytteestä toiseen.
- Harmaan luokan näytteillä on useimmiten alhaisimmat MARHE-arvot, mutta niissä on myös kaksi poikkeavaa arvoa.
- Pääasiallinen vaihteluväli on 39-60 kW/m².
→ Harmaiden näytteiden MARHE-arvot ovat enimmäkseen alhaisimmat, mikä viittaa hallittuun palon kasvuun.
Savun kehitys
Savun kokonaiskehitys (TSP5) kuvaa ISO 5660-1 -standardin mukaisen kartiokalorimetritestin aikana vapautuvan savun kokonaismäärää, ja se on keskeinen parametri savun käyttäytymisen arvioinnissa.
Kokonaissavun kehittyminen vaihtelee merkittävästi eri valmisteiden välillä (kuvat 8-10).
- Kaikki harmaat materiaalit saavuttavat lopullisen tasonsa noin 25 minuutin kuluttua, ja tyypilliset arvot ovat 1650 m²:n ja 1950 m²:n välillä.
- Valkoisilla materiaaleilla kokonaissavun kehitys on kohtalaista, ja arvot vaihtelevat 1450 m²:n ja 1650 m²:n välillä. Lopputaso saavutetaan jo 15 minuutin kuluttua.
- Punaisilla materiaaleilla on kaikista testatuista materiaaleista alhaisin kokonaissavuntuotto. Arvot saavuttavat tasonsa 18 minuutin kuluttua 1290 m²:n ja 1350 m²:n välillä.
5Kokonassavuntuotto(TSP) kuvaa savun kokonaismäärää, joka syntyy koko palon keston aikana (ISO 5660-1:n mukaan)
Yhteenveto
Mittaukset, jotka on tehty TCC 918 -konekalorimetrillä TCC 918, osoittavat selvästi toistettavissa olevia eroja tutkittujen eristemateriaalien palokäyttäytymisessä.
Kvantitatiivisia parametreja, kuten syttymisaikaa, lämmön vapautumisnopeutta, palon kasvun voimakkuutta ja savun kehittymistä, voidaan käyttää syttyvyyden, palodynamiikan ja savukäyttäytymisen selkeään kuvaamiseen ja suoraan vertailuun.
Tulokset osoittavat selvästi erilaisten materiaalien koostumusten vaikutuksen ja tarjoavat vankan perustan materiaalien kehittämiselle, koostumusten optimoinnille ja vertailuanalyysille valvotussa laboratorioympäristössä.