墙板的耐火性能预测方法
【专利说明】墙板的耐火性能预测方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本专利申请要求于2013年10月15日提交的的美国非临时专利申请No. 14/054,649 的受益权，其通过参引方式结合。
【背景技术】
[0003] 石膏墙板的耐火极限和/或耐火性一般是可被执行用于各种不同的墙壁结构类型 的标准化测试方法。进行一般的测试以确定包括组装到立柱上的石膏板的被动墙壁结构在 暴露于标准火灾时损坏所需要的时间。系统的耐火极限可以取决于各种因素，例如用于系 统的石膏板的类型和厚度、墙壁结构和/或厚度、用于建造墙壁的立柱的类型、立柱间距、石 膏板大小和取向、墙壁空腔中的隔热体的使用、承载墙壁以及其他因素。为了客观地评估墙 壁结构的耐火极限，标准测试已被开发用于一些通常所使用的墙壁结构。
[0004] 最普通的组合是由作为第三方测试和认证机构的保险商实验室公司（UL# )规 定的三测试设计。被标定为U305、U419和U423的这些普通测试测试墙壁组件，该墙壁组件采 用木制或金属立柱，用于具有组装在立柱的两侧上的墙板以及具有各种壁厚的墙壁，在此 墙壁可以是承重式或可以是非承重式。对于赋予特定板的防火极限，必须在出现破坏之前 通过墙板展现最小破坏时间。在本上下文中，破坏涉及由于火灾或过度温度升高引起的墙 壁完整性的丧失。当墙板的未暴露表面的平均温度升高至环境温度以上超过121.1°C (250° F)或者测试组件中的任何单独的热电偶升高至环境温度以上超过162.8°C(325°F)时确定 为过度温度升高破坏。
[0005] 石膏由于其优良的耐火极限而被广泛用于住宅和商业房屋建筑。石膏的化学成分 是二水硫酸钙(CaSO4 · 2H20)。石膏晶体中的两个水分子是化学键合并且其通常被称为〃结 晶水〃。是这两个水分子给予了石膏高耐热性。当达到大约101.7°C (大约215°F)时，由于转 变成半水化合物(CaSO4 · 1/2H20)而使得一个半水分子从一个石膏分子中被馏出。当温度达 到121.1°C(250°F)时，由于石膏转变成无水石膏（已知为砂浆)而使得剩余的半个水分子失 去。两个反应均是吸热的，这使得通过石膏实现热吸收，因为石膏从二水石膏转变成了无水 石膏。综合的热能要求总计为9.828e+004卡路里（390BTU)/lb或906kJ/kg。由于两个反应在 样本被加热的同时连续地发生，因此这两个反应中的每一个均在其相应的温度时发生，使 得温度迹线具有两个拐点，一个接近121.1°C (250°F)，另一个接近100°C (212°F)。在第二拐 点处，曲线的斜率也将由于对于自由水分蒸发的潜热而部分地改变。
[0006] 结晶水损失处理普通称为煅烧。在完成煅烧之后，通过石膏板的热传递通过传导、 对流和辐射变成基本传热过程。在墙板测试组件中，热量首先通过对流、传导和辐射的组合 方式从熔炉传递至暴露板的表面。随着暴露墙板的表面温度的升高，整个板的温度梯度增 大。如果墙板在火灾期间保持其结构完整性，则其有效地阻止了火焰和热空气的通过。在这 种条件期间，主要传热方式是通过板的传导。通过板的传导传热取决于墙板的导热率。在形 成于立柱墙壁组件中的两个墙板之间的空腔的内部，热量主要通过对流和传导传递。对流 起因于墙壁组件中的两个板之间的空腔内的空气环流。在测试期间还存在墙壁空腔内的热 传导。在空腔内的那些未暴露的墙板表面处，即暴露在立柱之间的墙板部分，由于在墙壁的 空腔与外部部分之间存在较低的温度梯度，因此热量以较低的速度从空腔侧传递至外部环 境侧。
[0007] 一般通过在ASTM标准的认证耐火测试实验室中执行全尺寸（至少100平方英尺的 墙壁面积)耐火测试来获得耐火等级。该测试是费时和耗资的。此外，在新产品开发、生产线 末端质量控制测试或类似过程期间，标准测试的规模并非非常适合墙板样本的实验室测 试。标准测试方法和系统的这些及其他缺点可以如在本文中提供的那样被克服。
【发明内容】
[0008] 在一个方面中，本公开说明了一种用于在标准测试中预测墙板耐火性能的方法。 该方法包括将待测试墙板的样品安装到夹具内，使得样品的一侧暴露于热源。在样品与夹 具之间形成空腔，使得样品布置在热源与空腔之间。随着时间在空腔内的预定位置处测量 和检测温度。利用计算机可读介质记录一系列温度读数并且至少部分地通过随着时间产生 一系列温度读数的温度迹线分析一系列温度读数。确定温度在空腔内的预定位置处达到预 定温度阈值的分度时间。利用计算机可读介质使分度时间与标准测试耐火性能相关联，基 于相关性，预测在标准测试过程中的墙板的耐火性能。
[0009] 在另一方面中，本公开说明了一种用于测试墙板样品的耐火极限和/或耐火性能 的方法。该方法包括跨过具有温度控制的马弗炉的炉腔的开口安装墙板样品，其中，墙板样 品的一侧暴露于烘箱温度。在墙板样品与构造成包封炉腔的烘箱门之间形成空腔。随着时 间在空腔内的预定位置处测量样品温度。利用计算机可读存储介质关于时间监控和记录样 品温度。至少部分地通过产生温度迹线以及通过确定样品温度达到预定温度阈值的分度时 间来分析样品温度信息。利用计算机可读介质使分度时间与标准测试耐火性能相关联，基 于相关性，预测在标准测试过程中的墙板的耐火性能。
[0010] 在又一个方面中，本公开说明一种用于生产墙板的方法。该方法包括在生产设施 中利用特定批次的石膏浆料建造复合墙板结构，以形成复合墙板结构的芯部部分。提取复 合墙板结构的样品。在小规模测试中测试样品，使得能够推断全规模测试中的复合墙板结 构的耐火性能。在一个实施例中，通过将样品安装到夹具内使得样品的一侧暴露于热源、在 样品与夹具之间形成空腔以及随着时间测量空腔内的预定位置处的温度来执行小规模测 试，其中，样品布置在热源与空腔之间。随着时间监控温度，以及利用计算机可读介质记录 一系列温度读数。至少部分地通过产生一系列温度读数随着时间的温度迹线以及通过确定 温度在空腔内的预定位置处达到预定温度阈值的分度时间来分析一系列温度读数。利用计 算机可读介质使分度时间与全规模测试相关联，基于相关性，在全规模测试中预测复合墙 板结构的耐火性能。当复合墙板结构的耐火性能被预测在可接受参数范围内时将复合墙板 结构发布用于销售给消费者。
【附图说明】
[0011]图1示出根据本公开的墙板的截面图。
[0012] 图2示出根据本公开的板形成系统的侧视图。
[0013] 图3示出根据本公开的板形成系统的俯视图。
[0014] 图4是根据本公开的用于测试样本的典型温度迹线。
[0015] 图5是示出根据本公开的测试方法之间的相关性的图表。
[0016] 图6是对于根据本公开测试的已处理和未处理样本的温度迹线。
[0017]图7是对于在标准测试中测试的已处理和未处理样本的温度迹线。
[0018] 图8是对于根据本公开的测试方法的流程图。
【具体实施方式】
[0019] 本公开适用于板耐火极限的小规模测试，此如用于实验室调试或用于板制造过程 中的质量控制。本公开说明了一种用于预测墙板的全规模标准耐火极限和/或耐火测试的 小规模耐火测试的系统和方法。可以执行小规模测试以预测对于研究和质量控制目的的各 种板类型的性能。例如，本文中说明的测试系统和/或测试方法可以由制造商使用来测试不 同的产品批次，以确保稳定的产品质量以及遵守设计要求，这对于已知测试方法而言是一 项不可能或费时耗资的任务。
[0020] 在一个公开的实施例中，小规模耐火测试装置或测试夹具包括带有温度控制的马 弗炉。如本文中所使用的，马弗炉指的是待加热的样品在其中与例如为可燃燃料的热源以 及比如为燃烧气体和灰烬的全部其他燃烧产物隔离的熔炉。在本文中所说明的设备中，墙 板样品设置在马弗炉内用于测试，使得墙板的一侧暴露于热量。马弗炉包括在墙板样品与 隔热表面之间形成空腔的隔热门。热电偶被放置在墙板的与热暴露侧相反的一侧上，计算 机可读介质，或换句话说数字数据采集装置，随着时间的过去记录墙板表面温度。
[0021] 在用于测试墙板的方法中，从在马弗炉中经受测试的墙板样品获得的数据被用于 产生温度-时间曲线，对温度-时间曲线进行分析以计算表示全规模耐火测试中的墙板样品 的预测耐火极限和/或耐火性的指标。现在将在墙板测试的上下文中更详细地说明这些系 统和方法，但应当理解的是所说明的系统和方法适用于预测除本文中说明的墙板之外的其 他材料的耐火极限。
[0022] 图1中示出板节段100的截面图。板节段100可以通过将通常为浆料形式的胶结层 104沉积在第一纸层106与第二纸层108之间而制造的板的节段。在图1的示图中，第一纸层 106可以是所谓的背面纸层，第二纸层108可以是所谓的正面纸层，但这些层可以相反。当板 节段100在使用时，正面纸层108可以布置成向内面向房间内部空间，背面106可以相对于房 间向外面向。因此，在正面纸层108可以包括整饰化合物、涂料以及在其上的其他处理时，背 面层106-般可以保持裸露。如能够看到的，板节段100是复合结构，但应该理解的是对于例 如为吊顶板材的一般不是组合结构的其他板类型来说，可以仅使用背面纸层或可以不使用 纸层。
[0023] 除如前所述的用于板加热和耐火性或耐火极限的全规模标准测试之外，小规模测 试可被用于推断板性能。用于确定煅烧时间，即从石膏