TW201514484A

TW201514484A - 測試裝置以及方法

Info

Publication number: TW201514484A
Application number: TW103133312A
Authority: TW
Inventors: Bangji Cao; Scott Leckie; Weixin David Song; Cesar Chan
Original assignee: United States Gypsum Co
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2015-04-16
Also published as: US20150103861A1; CN105637354A; BR112016007658A2; MX2016004355A; CL2016000878A1; PE20160926A1; JP2016533487A; EP3058354A1; RU2016115783A; CA2927039A1; KR20160072839A; AR098017A1; WO2015057598A1

Abstract

一種用於在標準測試中預測壁板耐火效能的系統以及方法，其包含生產用於測試的壁板樣本，以及將樣本安裝至夾具中，使得樣本的一側暴露於熱源。在樣本與夾具之間產生空穴，使得將樣本安置於熱源與空穴之間。隨時間推移在空穴內的預定位置處進行溫度量測，以及監控溫度且使用電腦可讀媒體將其記錄為一系列溫度讀數。分析系列以判定溫度達到預定溫度臨限值的指數時間。使用電腦可讀媒體將指數時間相關至標準測試耐火效能，且基於相關性，預測在標準測試程序中的壁板的耐火效能。

Description

測試裝置以及方法

【相關申請案】

本專利申請案主張2013年10月15日申請的美國非臨時專利申請案第14/054,649號的權利，所述專利申請案以引用的方式併入。

石膏壁板的耐火性及/或抗火性大體上為可對各種不同壁構造類型進行的標準化測試程序。進行典型測試，以判定包含組裝至螺柱上的石膏板的被動壁結構在暴露於標準爐火時失效所要求的時間。系統的耐火性可取決於各種因素，例如，系統中所使用的石膏板的類型以及厚度、壁結構及/或厚度、用於建構壁的螺柱類型、螺柱間隔、石膏板大小以及定向、壁空穴中的隔熱材料的使用、壁的承重以及其他因素。為客觀地評估壁結構的耐火性，已開發用於一些常用壁結構的標準化測試。

最常見總成為由第三方測試以及認證機構保險商實驗室(Underwriters Laboratories)公司(UL^®)所定義的三個測試設計。對於具有組裝於螺柱的兩側上的壁板且處於各種壁厚度的壁，此等常見測試(其指定為U305、U419以及U423)使用木螺柱或金屬螺柱測試壁總成，其中壁可或可未承重。對於待指派至特定板的防火等級，必須由壁板在失效發生之前展現發生失效的最小時間。在此上下文中，失效涉及歸因於爐火或過度溫度上升的壁完整性損失。當壁板的未暴露表面的平均溫度增加至高於環境的溫度121.1℃(250℉)以上，或測試總成中的任何個別熱電偶上升至高於環境溫度的162.8℃(325℉)以上時，判定過度溫度上升失效。

石膏由於其優良的耐火性而廣泛用於住宅以及商業建築物構造中。石膏的化學組成為二水合硫酸鈣(CaSO₄．2H₂O)。石膏晶體中的兩個水分子化學鍵結，且其常常被稱為「結晶水」。彼等兩水分子使石膏顯現高的抗熱性。在達到約101.7℃(約215℉)後，隨著石膏轉換成半水合物(CaSO₄．½ H₂O)，一個半水分子自一個分子石膏驅離。當溫度達到121.1℃(250℉)時，隨著石膏轉換成硬石膏(稱為灰泥)，失去剩餘的半個水分子。兩反應皆是吸熱的，此情況使得石膏在自二水合物轉換至硬石膏時能夠進行熱量吸收。所組合的熱能要求總計為9.828e+004卡路里(390BTU)/lb或906kJ/kg。此等兩個反應中的每一者(在加熱樣本時，所述反應連續地發生)在各別溫度下發生，使得溫度跡線將展現兩個反曲點，一個反曲點靠近121.1℃(250℉)且另一反曲點靠近100℃(212℉)。在第二反曲點處，部分歸因於自由水蒸發的潛熱，曲線的斜率將亦改變。

結晶水損失製程通常被稱作煅燒。在完成煅燒之後，通過石膏板的熱傳遞藉由傳導、對流以及輻射而變成基本的熱傳遞過程。在壁板測試總成中，首先經由對流、傳導以及輻射的組合，將熱量自爐傳遞至所暴露板的表面。隨著所暴露壁板的表面溫度增加，橫跨板的溫度梯度增加。若壁板在爐火期間維持其結構性完整性，則其有效地阻斷火焰以及熱空氣的通過。在此條件期間，熱傳遞的主要模式為通過板進行傳導。通過板的傳導性熱傳遞取決於壁板的導熱性。在形成於螺柱壁總成中的兩個壁板之間的空穴內部，熱量主要經由對流以及傳導進行傳遞。對流是歸因於壁總成中的兩個板之間的空穴內的空氣循環。壁空穴內的熱傳導亦在測試期間呈現。在空穴內的彼等未暴露壁板表面處(亦即，暴露於螺柱之間的壁板部分)，由於空穴與壁的外部部分之間存在較低溫度梯度，因此熱量以較低速率自空穴側傳遞至外部環境側。

通常藉由在經認證耐火測試實驗室中根據ASTM標準執行全尺寸(至少100ft²的壁面積)耐火測試而獲得耐火性等級。測試是耗時且昂貴的。此外，在新產品開發、生產線末端(end-of-line)品質控制測試或其類似者期間，標準測試的比例並不良好地適於壁板樣本的實驗室測試。可如本文中所提供地克服標準化測試方法以及系統的此等以及其他缺點。

在一個態樣中，本發明描述一種用於在標準測試中預測壁板耐火效能的方法。所述方法包含將待測試的壁板樣本安裝至夾具中，使得樣本的一側暴露於熱源。在樣本與夾具之間產生空穴，使得將樣本安置於熱源與空穴之間。隨時間推移量測並監控空穴內的預定位置處的溫度。使用電腦可讀媒體記錄一系列溫度讀數，且至少部分藉由產生所述系列溫度讀數隨時間推移的溫度跡線而對其進行分析。判定空穴內的預定位置處的溫度達到預定溫度臨限值的指數時間。使用電腦可讀媒體將指數時間相關至標準測試耐火效能，且基於相關性，預測在標準測試程序中的壁板的耐火效能。

在另一態樣中，本發明描述一種用於測試壁板樣本的耐火性及/或耐火效能的方法。所述方法包含橫跨具有溫度控制的馬弗爐的腔室的開口安裝壁板樣本，其中壁板樣本的一側暴露於烘箱溫度。在壁板樣本與經組態以封圍腔室的烘箱門之間產生空穴。隨時間推移量測空穴內的預定位置處的樣本溫度。監控樣本溫度且使用電腦可讀儲存媒體相對於時間記錄樣本溫度。至少部分藉由產生溫度跡線且藉由判定樣本溫度達到預定溫度臨限值的指數時間，分析樣本溫度資訊。使用電腦可讀媒體將指數時間相關至標準測試耐火效能，且基於相關性，預測在標準測試程序中的壁板的耐火效能。

在又一態樣中，本發明描述一種用於生產壁板的方法。所述方法包含使用特定批次的石膏漿料形成複合壁板結構的核心部分來在製造設施中建置複合壁板結構。提取複合壁板結構的樣本。在小型測試中測試樣本，使得可外推在實物測試中的複合壁板結構的耐火效能。在一個實施例中，藉由進行如下操作進行小型測試：將樣本安裝至夾具中，使得樣本的一側暴露於熱源；在樣本與夾具之間產生空穴，其中將樣本安置於熱源與空穴之間；以及隨時間推移量測空穴內的預定位置處的溫度。隨時間推移監控溫度，且使用電腦可讀媒體記錄一系列溫度讀數。至少部分藉由產生所述系列溫度讀數隨時間推移的溫度跡線及藉由判定空穴內的預定位置處的溫度達到預定溫度臨限值的指數時間，分析所述系列溫度讀數。使用電腦可讀媒體將指數時間相關至實物測試，且基於相關性，預測在實物測試中的複合壁板結構的耐火效能。當預測到複合壁板結構的耐火效能屬於可接受參數內時，則可將該複合壁板結構銷售至消費者。

100‧‧‧板片段

104‧‧‧膠結層

106‧‧‧第一紙張層/背面/背面層

108‧‧‧第二紙張層/正面紙張層

200‧‧‧測試系統/小型耐火測試/夾具

202‧‧‧馬弗爐/烘箱

204‧‧‧罩殼

206‧‧‧爐腔

208‧‧‧門

210‧‧‧熱源

212‧‧‧板樣本

214‧‧‧間隙/空穴

215‧‧‧背面/表面

216‧‧‧隔片

218‧‧‧熱電偶

220‧‧‧資料獲取單元

222‧‧‧爐溫度感測器

224‧‧‧加熱器控制器

226‧‧‧第一加熱週期

228‧‧‧穩定週期

302‧‧‧實線

304‧‧‧虛線

306‧‧‧虛線曲線

308‧‧‧實線曲線

402、404、406、408、410、412、414、416‧‧‧步驟

圖1說明根據本發明的壁板的橫截面。

圖2說明根據本發明的板形成系統的側視圖。

圖3說明根據本發明的板形成系統的俯視圖。

圖4為根據本發明的受測試樣本的代表性溫度跡線。

圖5為說明根據本發明的測試方法之間的相關性的圖表。

圖6為根據本發明測試的經處理以及未經處理樣本的溫度跡線。

圖7為標準測試中所測試的經處理以及未經處理樣本的溫度跡線。

圖8為用於根據本發明的測試方法的流程圖。

本發明適用於(諸如)實驗室設定中或用於板製造操作中的品質控制的板耐火性的小型測試。本發明描述用於小型耐火測試的系統以及方法，所述小型耐火測試適用於預測壁板的實物標準耐火性及/或抗火性測試。出於研究以及品質控制目的兩者，可實施小型測試以預測各種板類型的效能。舉例而言，可由製造商使用如本文中所描述的測試系統及/或測試方法以測試不同生產批次，從而確保一致的產品品質及對設計規格的遵守，此對於已知測試方法而言是不可能抑或耗時且昂貴的任務。

在一個所揭露實施例中，小型耐火測試元件或測試夾具包含具有溫度控制的馬弗爐。如本文中所使用，馬弗爐是指待加熱的樣本與熱源(例如，易燃燃料)以及所有其他燃燒產品(諸如，燃燒氣體以及灰渣)隔離的爐。在本文中所描述的裝置中，壁板樣本置放於用於測試的馬弗爐中，使得壁板的一側暴露於熱。馬弗爐包含在壁板樣本與隔熱表面之間形成空穴的隔熱門。熱電偶置放於與熱暴露側對置的壁板側上，且電腦可讀媒體(或換言之，數位資料獲取元件)隨時間推移記錄壁板表面溫度。

在用於測試壁板的方法中，自在馬弗爐中經歷測試的壁板樣本獲取的資料用於產生溫度-時間曲線，所述曲線被分析以計算指示實物耐火測試中的壁板樣本的預測耐火性及/或抗火性的指數。現將在壁板測試的情境下更詳細地描述此等系統以及方法，但應瞭解，所描述系統以及方法適用於預測除本文中所描述的壁板之外的其他材料的耐火性。

圖1中繪示板片段100的橫截面。板片段100可為藉由將膠結層104沈積(通常以漿料形式塗覆)於第一紙張層106與第二紙張層108之間所製成的板的片段。在圖1的說明中，第一紙張層106可為所謂的背面紙張層，且第二紙張層108可為所謂的正面紙張層，但此等層可顛倒。當正使用板片段100時，可將正面紙張層108安置成向內面向室內部空間，且背面106可相對於室面向外。因此，在正面紙張層108上可包含表面精整化合物、油漆以及其他處理劑的情況下，背面層106可通常保持為裸露的。如可見，板片段100為複合結構，但應瞭解，對於通常並非複合結構的其他板類型(例如，吊頂板材)，僅可使用背面紙張層或不使用紙張層。

除了針對板熱量以及抗火性或耐久性的實物標準化測試(如先前所描述)外，小型測試可用以推斷板效能。用於判定煅燒時間(亦即，自石膏面板驅離自由以及結晶水所要求的時間)的現存小型測試不適合用於預測大型測試中的板耐火效能。此是因為大型測試包含影響板且由通過經煅燒石膏面板的熱傳導以及核心中的有機物燃燒引起的熱傳遞特性。不適於預測壁板的大型測試耐火效能的一項此種已知小型測試為所謂的「熱絕緣」(TI)測試。最初開發TI測試，以判定通過石膏面板的熱傳遞速率，且藉由將熱電偶嵌入於具有100mm(3.937吋)直徑的兩個板樣本圓片之間而執行所述測試。將經組裝樣本暴露於爐中的500℃(華氏932度)溫度，且隨時間推移監控熱電偶讀數。自此資訊，藉由計算樣品核心溫度自40℃上升至200℃(華氏104度至華氏392度)的時間判定TI指數。

儘管熱絕緣測試可用於測定灰泥的純度以及水合程度，但其並不適於在所有情況下預測壁板的耐火性。舉例而言，在一項實驗中，以10.89千克至36.74千克(24lbs至81lbs)/MSF的速率將膨脹型塗層塗覆至板樣本。隨著塗覆率增加，熱絕緣測試指示TI指數之顯著改良，但當在全尺寸耐火測試中根據用於耐火性的E119測試以18.14千克(40lbs)/MSF塗佈的板樣本時，結果顯著小於控制下的彼等結果。為說明起見，在具有膨脹型塗層的樣本在實物測試中需要47分鐘至48分鐘達到臨限溫度的情況下，控制樣本需要53分鐘至54分鐘。

TI測試的缺點在於應用於測試樣品的溫度。藉由計算將樣本自40℃(104℉)加熱至200℃(392℉)所要求的時間判定熱絕緣指數。此測試量測煅燒時間，其為自石膏面板驅離自由以及結晶水所要求的時間。在實物測試以及控制測試中，在測試的前25分鐘內完成用於所暴露壁的完全煅燒的時間，此情況意謂在煅燒之後進行通過所暴露壁的大部分熱傳遞。

熱絕緣測試的另一缺點為不能在較高溫度下進行，此是因為測試結果可由於板的紙張層的燃燒而偏斜。舉例而言，在一項實驗中，即使將爐設定為500℃(932℉)，熱絕緣測試期間的溫度曲線仍在約871.1℃(約1600℉)處達至峰值。在爐操作或控制系統中無故障的情況下，判定溫度讀數的增加是由接觸用於測試的熱電偶的壁板紙張層的燃燒所引起。

本發明的值得注意的態樣為實現如下情況：熱絕緣測試基本上在全尺寸耐火測試中並不模擬熱傳遞過程，此情形得出在許多情況下熱絕緣測試並不適於正確地預測壁板的耐火性的結論。因此，設計替代測試系統以及方法，以在爐火條件下且為了產品品質控制而較好地預測壁板的效能。

圖2中以橫截面繪示根據本發明的測試系統200 的示意圖。測試系統200包含馬弗爐202，所述馬弗爐具有形成爐腔206的罩殼204。腔室206可藉由門208封閉，且其內包含熱源210。熱源210可為進行操作以在腔室206內產生大體上均勻分佈的溫度量變曲線的任何已知類型的熱源，諸如燃料火焰燃燒器或電阻加熱器。

在圖2的說明中，將板樣本212繪示為在測試期間安置於爐腔206內。在所說明的實施例中，將樣本212垂直安裝於腔室206內與門開口相距偏移距離，使得間隙214形成於樣本212的背面215與門208的面向烘箱側之間。在樣本212與門208之間將隔片216安置成彼此存在距離，以模擬成品壁總成中隔開壁板的螺柱。儘管間隙214繪示為是空的，但在替代性實施例中，間隙214可填充有壁隔熱材料。此外，可代替隔片216使用金屬螺柱或木螺柱。隔片可連接至樣本212，且在某些實施例中，其可連同樣本212經受壓縮負載，以模擬承重壁。

在測試期間，將熱電偶218或其他溫度感測元件緊密地連接至樣本的背面215。熱電偶218具有在距樣本212的表面較小距離處的感測尖端。在替代實施例中，感測尖端可觸碰樣本212或在所述樣本內。熱電偶218經組態以在測試期間感測樣本212的背面的表面溫度或靠近表面的溫度。熱電偶218連接至資料獲取單元220，所述資料獲取單元進行操作以將電力提供至熱電偶218、自其接收指示樣本212的表面溫度的資訊、記錄溫度資訊以及視情況或在電腦(未繪示)的輔助下隨時間推移標繪溫度資訊，或以其他方式數值地分析資訊。

當進行測試時，藉由適當地控制熱源210的強度，隨時間推移逐漸增加馬弗爐腔室206的溫度。在一個實施例中，安置爐溫度感測器222，以量測爐腔206的溫度、將指示爐腔溫度的資訊提供至加熱器控制器224，且視情況亦提供至資料獲取單元220。加熱器控制器224可基於由感測器222所提供的資訊以封閉迴路方式進行操作，從而藉由適當且自動地調整熱源210的強度而為腔室206提供預定加熱概況。亦可視情況由資料獲取單元220記錄腔室206的溫度上升，以用於建立測試完整性。

圖3的時間曲線圖中繪示爐腔的樣本加熱概況。如自沿著垂直軸標繪所要腔室溫度(℉)且沿著水平軸標繪時間(分鐘)的曲線圖可見，在測試的大約前43分鐘內將腔室206遵循對數趨勢而自約204.4℃(約400℉)的溫度逐漸加熱至約772.8℃(約1,423℉)的溫度，且在測試的剩餘部分(在所說明的曲線圖中持續約1小時)內維持在彼溫度下。因此，進行測試歷時第一加熱週期226，且接著繼續測試歷時穩定週期228，如圖3的圖表上所標記。

已判定測試期間，通過樣本212的熱傳遞(如由樣本的背面215上的所量測表面溫度所判定)伴隨且指示實物耐火測試中通過壁板的預期熱傳遞。本質上，本文中所描述的測試判定通過樣本的熱傳遞速率。在一個實施例中，板的兩側上所獲得的溫度讀數可用以即時地估計通過板的熱傳遞速率。藉由比較不同產品的熱傳遞曲線且將曲線相關至其實際耐火測試結果，有利地實現對不同產品的耐火效能的判斷以及預測。在圖2中所繪示的測試設置中，將樣本尺寸選擇為具有6.125"×6.625"的尺寸以及0.625"的厚度的矩形樣本。空穴214的深度為7/8"，且熱電偶218位於門208的幾何中心處，其中熱電偶218的感測探針自門208的內部表面在樣本212的方向上突出約11/16"。以此方式，熱電偶的尖端遠離樣本的表面3/16"。抵靠著樣本置放玻璃絨框架，以充當隔片216且使樣本保持在適當位置，同時亦密封門框架以免熱洩漏。對於半吋厚樣本，可將厚度0.125"的金屬框架置放於樣本後方，以維持熱電偶與樣本之間的間隙，且保持剩餘測試設置。將馬弗爐的控制器224設定為自200℃(華氏 392度)提高至773℃(華氏1423度)。圖3中繪示馬弗爐前段處的實際溫度曲線。

因此，在實施例中，一種用於在標準測試中預測壁板耐火效能的方法包括：(a)將待測試的壁板樣本安裝至夾具中，使得所述樣本的一側暴露於熱源；(b)在所述樣本與所述夾具之間產生空穴，其中將所述樣本安置於所述熱源與所述空穴之間；(c)隨時間推移量測所述空穴內的預定位置處的溫度；(d)隨時間推移監控所述溫度，且使用電腦可讀媒體記錄一系列溫度讀數；(e)至少部分藉由產生所述系列溫度讀數隨時間推移的溫度跡線且藉由判定所述空穴內的所述預定位置處的所述溫度達到預定溫度臨限值的指數時間，分析所述系列溫度讀數；(f)使用所述電腦可讀媒體將所述指數時間相關至所述標準測試的所述耐火效能；以及(g)基於所述相關性，預測所述標準測試中的所述壁板的所述耐火效能。

在另一實施例中，所述標準測試涉及：暴露藉由將壁板的兩個層與螺柱連接所建構的樣本壁總成；將所述壁總成的一側暴露至熱源；以及監控所述壁總成的對置側。

在另一實施例中，所述樣本具有預定尺寸。

在另一實施例中，所述夾具包含具有經受加熱的內部腔室的馬弗箱以及封圍所述內部腔室的門，其中安裝所述樣本，使得其橫跨所述內部腔室的開口延伸，且與門開口相距偏移距離，且其中當所述門處於封閉位置時，沿著所述偏移距離在所述樣本與所述門之間界定所述空穴。

在另一實施例中，將所述樣本暴露至熱源包含根據預定排程增加所述熱源的強度，且因此增加所述熱源的溫度。

在另一實施例中，所述預定排程包含第一階段，在所述第一階段中，所述熱源的所述溫度在預定週期內逐漸增加。

在另一實施例中，所述空穴內的所述預定位置鄰近於但並不接觸所述樣本的表面。

在另一實施例中，所述壁板為包含由石膏製成的核心以及由紙張製成的面的複合結構，且其中所述預定溫度臨限值充分高，以確保已燃盡所述壁板中的有機材料。

在另一實施例中，所述預定臨限溫度是自約250℃至約800℃(約482℉至約1472℉)。

在另一實施例中，所述樣本具有在不同壁板生產批次之間可改變的物理以及化學特性，其中所述樣本表示特定批次的此等特性，其中標準測試中的特定耐火效能為所要的壁板設計參數，且其中用於測試的所述方法為用於所述特定壁板生產批次的生產線末端品質測試的部分。

在另一實施例中，一種用於測試壁板樣本的耐火性及/或耐火效能的方法包括：(a)橫跨具有溫度控制的馬弗爐的腔室的開口安裝所述壁板樣本，其中所述壁板樣本的一側暴露於烘箱溫度；(b)在所述壁板樣本與經組態以封圍所述腔室的烘箱門之間產生空穴；(c)隨時間推移量測所述空穴內的預定位置處的樣本溫度；(d)監控所述樣本溫度且使用電腦可讀儲存媒體相對於時間記錄所述樣本溫度；(e)至少部分藉由產生溫度跡線且藉由判定所述樣本溫度達到預定溫度臨限值的指數時間，分析樣本溫度資訊；(f)使用所述電腦可讀媒體將所述指數時間相關至標準測試的耐火效能；以及(g)基於所述相關性，預測所述標準測試中的所述壁板的所述耐火效能。

在另一實施例中，所述標準測試涉及：暴露藉由將壁板的兩個層與螺柱連接所建構的樣本壁總成；將所述壁總成的一側暴露至火焰源；以及監控所述壁總成的對置側。

在另一實施例中，所述空穴內的所述預定位置對應於所述樣本的幾何中心。

在另一實施例中，根據預定排程增加所述烘箱溫度。

在另一實施例中，所述預定排程包含第一階段，在所述第一階段中，所述烘箱溫度在預定週期內逐漸增加。

在另一實施例中，所述空穴內的所述預定位置鄰近於至少部分界定所述空穴的所述樣本的表面。

在另一實施例中，所述壁板樣本為包含由石膏製成的核心以及由紙張製成的面的複合結構，且其中所述預定溫度臨限值充分高，以確保已燃盡所述壁板中的有機材料。

在另一實施例中，一種用於生產壁板的方法包括：(a)使用特定批次的石膏漿料形成複合壁板結構的核心部分來在製造設施中建置所述複合壁板結構；(b)提取所述複合壁板結構的樣本；(c)在小型測試中測試所述樣本，使得可外推在實物測試中的所述複合壁板結構的耐火效能，藉由進行如下操作進行所述測試：(i)將所述樣本安裝至夾具中，使得所述樣本的一側暴露於熱源；在所述樣本與所述夾具之間產生空穴，其中將所述樣本安置於所述熱源與所述空穴之間；(ii)隨時間推移量測所述空穴內的預定位置處的溫度；(iii)隨時間推移監控所述溫度，且使用電腦可讀媒體記錄一系列溫度讀數；(iv)至少部分藉由產生所述系列溫度讀數隨時間推移的溫度跡線且藉由判定所述空穴內的所述預定位置處的所述溫度達到預定溫度臨限值的指數時間，分析所述系列溫度讀數；(v)使用所述電腦可讀媒體將所述指數時間相關至所述實物測試；以及(vi)基於所述相關性，預測所述實物測試中的所述複合壁板結構的耐火效能；以及(vii)當預測到所述複合壁板結構的所述耐火效能屬於可接受參數內時，釋放所述複合壁板結構以用於銷售至消費者。

應注意，先前內容僅為實施例的實例。自本文中的全部描述顯而易見其他例示性實施例。一般技術者亦將理解，此等實施例中的每一者可以各種組合與本文中所提供的其他實施例一起使用。

以下實例進一步說明本發明，但當然不應將其解釋為以任何方式限制其範疇。為說明測試系統200在預測實物測試中的壁板樣本耐火效能方面的效果，將論述三個例示性測試結果。

實例1

在此第一實例中，設法判定測試結果的可重複性。如所已知，良好的可重複性為接受新的測試方法以用於科學研究或品質控制的先決條件。對於此項目，要求極好的可重複性，以偵測由調配物以及結構所引起的較小溫度改變。在改良新的小型耐火測試的可重複性的過程中，發現對於減少測試結果中的溫度量變曲線變化而言，熱電偶(例如，熱電偶218(圖2))的位置是重要的。關於圖2中所繪示的測試配置，判定空穴214內存在自門208至樣本212的表面215的範圍為10℃至26.67℃(50℉至80℉)的顯著溫度梯度。若熱電偶218的位置並不固定，則量測結果將歸因於此溫度梯度而發生變化。

為最佳地量測樣本的性質且減少通過空穴214的熱傳遞的影響，將熱電偶218的感測尖端置放為接近樣本的表面215但並不進入所述表面中。對試驗樣本的量測指示小型耐火測試具有極好的可重複性。

圖4的曲線圖中以圖形形式繪示自圖2中所繪示的測試設置所獲取的關於四個不同樣本的一個資料集。在曲線圖中，沿著水平軸以小時：分鐘：秒的格式標繪時間，且沿著垂直軸標繪以華氏度表達的溫度。對於每一樣本，由熱電偶218(圖2)獲取溫度，且烘箱202在相同條件下運行。如在曲線圖中可見，四個溫度跡線中的每一者實質上重疊，或關於所獲取的較高溫度讀數彼此相差在±2%內。所測試的四個樣本由自不同生產批次獲得的壁板片件組成。量測每一樣本的性質以及尺寸，且將其連同對如圖4中所繪示的彼樣本的對應溫度跡線的識別一起提供於下文的表1中。

對四個樣本的測試指示小型耐火測試200(圖2)具有極好的可重複性。

實例2

對於第二實例，藉由考慮溫度跡線判定定量地表徵受測試樣本的預期或預測耐火效能的時間相關參數(其在本文中被稱為耐火指數(FEI))。FEI用於預測在實物耐火測試下根據ASTM E119測試的每一對應樣本的耐火性。FEI經定義為在小型耐火測試中測試樣品的背面達到315.6℃(600℉)所要求的時間。315.6℃(600℉)的溫度是任意的，且可出於不同目的而變化。舉例而言，預定臨限溫度可自約250℃至約800℃(約482℉至約1472℉)。在本發明所揭露的實施例中，選擇315.6℃(600℉)的臨限溫度，此是因為其為確保將已充分燃盡存在於壁板核心中的大部分可燃物質使得將最大量的熱傳遞通過板的充分高的溫度。亦在此溫度下，將最大化橫跨實物耐火測試總成的壁總成內的壁空穴的任何溫度梯度。至少自此等態樣，將測試樣本212(圖2)的背表面達到大約315.6℃(600℉)所要求的時間選擇為樣本耐火效能的代表性指示。

圖5中繪示四個不同樣本的FEI(藉由使用根據本發明的小型耐火測試所判定)與根據UL^®U419標準測試所進行的實物耐火測試之間的相關性。在此圖式中，相對於兩個軸標繪標記為A、B、C以及D的四個點。沿著水平軸標繪以分鐘表達的FEI，且沿著垂直軸標繪每一樣本的UL^®U419耐火性。因此，每一點表示四個樣本中的每一者的FEI以及UL^®U419耐火性兩者。直線E配合於四個點之間。線E具有R²=0,9565的配合品質(其指示良好配合)，及因此，針對每一樣本所判定的FEI與對應UL^®U419耐火性之間的良好相關性。以相同方式，可判定其他類型的標準測試(諸如，關於UL^®U305以及UL^®U423測試)的相關性。

實例3

在此第三實驗中，基於使用本文中所描述的小型測試所判定的FEI，判定並確認對板的抗火性處理效果，以及實物測試結果的可預測性。因此，在製造線上生產厚度為0.617吋、基本重量為762.5千克(1681lbs)/1000ft²且密度為14.84千克(32.72lbs)/ft³密度的控制樣本。自控制樣本的4ft×10ft板切割量測為6.625吋×6.125吋的兩個樣本片件。兩個樣本片件中的一者經受抗火性處理以減小其熱傳遞速率，且受到調節歷時至少24小時。接著，使用本文中所描述的小型耐火測試在系統200(圖2)中測試經處理以及未經處理樣本片件，以判定其各別FEI。圖6中繪示兩個樣本中的每一者的溫度跡線，其中沿著水平軸標繪時間，且沿著垂直軸標繪每一樣本的背面溫度。在圖6的圖表中，實線302表示未經處理樣本的溫度跡線，虛線304表示經處理樣本的溫度跡線，且「FEI」線自315.6℃(600℉)的溫度水平地延伸，以表示兩個樣本的FEI指數。

如可自圖6的曲線圖所計算，對於未經處理的樣本片件(亦即，控制樣本)，FEI為48.0分鐘，且對於經處理樣本片件，FEI為52.0分鐘。基於小型測試，預測到由於所應用處理的4分鐘耐火性改良。亦進行使用試驗板的實物UL^®U419測試，以確認4分鐘改良預測。對於實物測試，使用相同於用於小型耐火測試的板調配物，在相同於先前製成控制樣本的製造設施處製成試驗壁板。用於實物測試的樣本板經量測及判定為具有0.620吋的板厚度、781.5千克(1723 lbs)/1000ft²的基本重量以及15.13千克(33.35lbs)/ft³的密度。某些樣本板以相同於小型測試中所使用的樣本的方式經受抗火性處理且受到調節歷時24小時。接著，經處理以及未經處理板兩者經受具有用於UL^®U419測試的適當總成設計的標準全尺寸耐火測試。圖7中繪示使用經處理以及未經處理板樣本的實物UL^®U419耐火測試的耐火性結果，其中相對於水平軸標繪測試時間，且沿著垂直軸標繪樣本的未暴露表面的溫度。

在圖7中，虛線曲線306表示未經處理樣本的溫度跡線，且實線曲線308表示經處理樣本的溫度跡線。如先前所提到，UL^®U419測試的耐火性為板的未暴露表面達到高於環境溫度的121.1℃(250℉)的時間。基於測試的條件，判定控制板(曲線306)具有49分53秒的耐火性，而經處理板(曲線308)具有53分16秒的耐火性。換言之，處理似乎將板耐久性增加約3分23秒。此實例中的耐火測試結果依據絕對值以及經處理與未經處理樣本之間的差異兩者驗證小型耐火測試。

大體而言，本發明適用於小型地測試諸如壁板的建築材料的耐火性及/或抗火性。在實物測試中，使用建築材料的兩個表層以及支撐層組裝具有預定尺寸的壁總成。將此等壁總成暴露於點火源，以判定建築材料的抗火性及/或耐火性。此等標準化測試程序的時間以及費用使得其不適於由建築材料製造商(諸如，壁板製造商)定期用於在製造環境中定期地進行品質控制以及測試。此外，現存的小型測試不能產生帶有與標準測試結果的相關性的結果。

本發明涉及得到可重複結果的小型耐火測試系統以及方法，所述結果有利地帶有與由標準測試技術所產生的結果的緊密相關性，但要求彼等標準測試所要求成本以及時間的一小部分。以此方式，小型測試可用以快速且成本有效地進行用於研究目的的測試(例如，當開發新的建築材料抗火性技術時)，且亦可用於執行所製造產品的週期性測試以確保一致品質以及效能，此情況迄今為止是並不可能的。

圖8中繪示用於根據本發明的測試方法的流程圖。將在壁板測試的情境下論述所描述測試方法以作為例示性實施例，但應瞭解，所述方法適用於諸如水泥板、吊頂板材以及其他建築產品的其他產品測試。根據所述方法，在步驟402中獲得具有預定尺寸的待測試樣本。在步驟404中，將樣本安裝至烘箱腔室中與封圍烘箱腔室的烘箱門成隔開關係，使得在樣本的背面與烘箱門之間界定空穴。在一個實施例中，將隔片安置於樣本與門之間以圍繞樣本密封烘箱腔室。在步驟406中，操作烘箱以加熱樣本的正面。在加熱樣本的正面期間，熱量將傳遞通過樣本以增加樣本背面的溫度。在一個實施例中，根據在第一週期內逐漸增加且接著在第二週期內大體上保持不變的預定加熱概況加熱烘箱腔室。

不管樣本與烘箱門之間的空穴中的任何溫度梯度，在步驟408中，感測空穴內的預定位置處的溫度。在步驟410中，將所感測溫度提供至相對於時間記錄所感測溫度的資料獲取單元。在步驟412中，分析溫度資訊，以判定所感測溫度達到預定臨限值所要求的週期。在一個實施例中，預定溫度為315.6℃(600℉)。在測試程序中，在步驟414中作出是否已達到預定臨限溫度的決策。在溫度低於臨限溫度時，繼續加熱程序，且持續收集以及分析溫度資訊。當已達到或超過預定溫度時，將直至達到預定溫度為止的週期記錄為(例如)所謂的耐火指數(FEI)(步驟416)，且測試以完成來終止。

對於具有典型組成以及厚度的壁板樣本，如建築行業中所使用，樣本達到預定溫度的典型時間可在自45分鐘至60分鐘或60分鐘以上範圍內的任何時間處，此情況意謂完成本文中所描述的小型測試(包含樣本以及過度製備)的時間可少於四小時。此情況意謂單一技術員可在單一輪班中進行約兩個至三個完整測試，此情況使得此測試適於在如用於壁板生產設施的生產線末端品質控制測試的製造環境中使用。具體言之，預期可在壁板製造設施處定期地使用本文中所描述的小型測試，以測試所生產的每一批壁板來確保關於耐火性及/或抗火性的一致品質。

如所已知，壁板製造程序包含各種步驟。大部分市售石膏板(吊頂面板或壁板)為由石膏核心以及板的每一側上的覆蓋片製成的複合結構。核心通常包含石膏以及澱粉黏合劑。覆蓋片可為纖維素紙抑或玻璃纖維墊。板的正側(其為當將板建置至壁中時可見的側)上的紙張具有適於塗漆或其他表面精整的平滑紋理。板的背側(亦即，連接至螺柱或其他建築結構的板側)上的紙張可具有較粗糙紋理。板的正側上的紙張可不同於板的背側上的紙張，此是因為其表面上具有白色襯墊。

在石膏板的形成期間，藉由以預定比率混合水與灰泥(經煅燒石膏)、澱粉、加速劑及/或其他添加劑而製備漿料。將連續的紙張網片物或玻璃墊作為第一覆蓋片置放於輸送機上。將漿料沈積至網片物上，且橫跨網片物的寬度以預定厚度擴展以形成板的核心。將第二薄片置放於潤濕漿料的頂部以形成所謂的「包封」。在板沿著輸送機行進時，灰泥逐漸水合且「包封」中的漿料硬化。將至少部分硬化漿料連同紙張覆蓋層切割成具有所要大小的板，且將其載運至窯爐中以用於乾燥。

在窯爐中，將潤濕板乾燥至所要含量的自由水分內含物。可進一步將所得板處理成不同大小。石膏板的典型厚度為1.27公分(½吋)以及1.587公分(5/8吋)，但可介於0.635公分(¼吋)至2.54公分(1吋)的範圍內。預期在窯爐乾燥以及(視情況)靜置週期之後可切割板樣本，且使用本文中描述為控制所製造板的耐火性及/或抗火性品質的部分的小型測試對樣本進行測試。

將瞭解，前述描述提供所揭露系統以及技術的實例。然而，預期本發明的其他實施可在細節上不同於前述實例。對本發明或其實例的所有參考意欲在彼點處參考所論述的特定實例，且更大體而言並不意欲暗示關於本發明範疇的任何限制。關於某些特徵的區別以及貶低的所有語言意欲指示缺乏對彼等特徵的偏好，但除非另外指示，否則並不自本發明的範疇完全排除此等特徵。

除非本文中另外指示，否則本文中值範圍的敍述僅意欲充當個別地提及屬於所述範圍的每一單獨值的速記方法，且每一單獨值併入本說明書中，如同在本文中個別地敍述一般。除非本文中另外指示或另外明顯與上下文矛盾，否則本文中所描述的所有方法可以任何適合次序執行。

除非本文中另外指示或明顯與上下文矛盾，否則在描述本發明的上下文中(尤其在以下申請專利範圍的上下文中)，應將術語「一」以及「所述」以及「至少一個」及類似指示詞的使用理解為涵蓋單數個與複數個兩者。除非本文中另外指示或與上下文明顯矛盾，否則應將繼之以一或多個項目的清單的術語「至少一個」(例如，「A以及B中的至少一者」)的使用理解為意謂選自所列出項目的一個項目(A或B)或所列出項目中的兩者或兩者以上的任何組合(A以及B)。

因此，本發明包含如適用法律所准許的隨附於本文的申請專利範圍中所敍述的標的物的所有修改以及等效物。此外，除非本文另外指出或另外明顯與上下文矛盾，否則本發明涵蓋上文所描述要素在其所有可能變化中的任何組合。

402、404、406、408、410、412、414、416‧‧‧步驟

Claims

一種用於在標準測試中預測壁板耐火效能的方法，其包括：將一待測試壁板(212)的樣本安裝至一夾具(200)中，使得所述樣本的一側暴露於一熱源(210)；在所述樣本與所述夾具之間產生一空穴(214)，其中將所述樣本安置於所述熱源與所述空穴之間；隨時間推移量測所述空穴(218)內的預定位置處的溫度；隨時間推移監控所述溫度，且使用一電腦可讀媒體(220)記錄一系列溫度讀數；至少部分藉由產生所述系列溫度讀數隨時間推移的溫度跡線且藉由判定所述空穴內的所述預定位置處的所述溫度達到預定溫度臨限值的指數時間，分析所述系列溫度讀數；使用所述電腦可讀媒體將所述指數時間相關至所述標準測試的所述耐火效能；以及基於所述相關性，預測在所述標準測試中的所述壁板的所述耐火效能。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述標準測試涉及：暴露一藉由將壁板的兩個層與螺柱連接所建構的樣本壁總成；將所述壁總成的一側暴露至一熱源；以及監控所述壁總成的對置側。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中進行所述方法係用於測試壁板樣本的所述耐火性及/或耐火效能，所述方法更包括基於所述相關性而判定所述壁板的所述耐火性。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述夾具包含具有經受加熱的一內部腔室(206)的一馬弗箱以及封圍所述內部腔室的一門(208)，其中安裝所述樣本，使得其橫跨所述內部腔室的開口延伸，且與門開口相距偏移距離，且其中當所述門處於封閉位置時，沿著所述偏移距離在所述樣本與所述門之間界定所述空穴。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中將所述樣本暴露至熱源包含：根據預定排程以增加所述熱源的強度，且因此增加所述熱源的溫度。
如申請專利範圍第5項所述之方法，其中所述預定排程包含一第一階段，在所述第一階段中，所述熱源的所述溫度在預定週期內逐漸增加。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述空穴內的所述預定位置鄰近於但並不接觸所述樣本的一表面。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述壁板為包含由石膏製成的核心以及由紙張製成的面的複合結構，且其中所述預定溫度臨限值充分高，以確保已燃盡所述壁板中的有機材料。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述預定臨限溫度是自約250℃至約800℃(約482℉至約1472℉)。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述樣本具有在不同壁板生產批次之間可改變的物理以及化學特性，其中所述樣本表示特定批次的此等特性，其中標準測試中的特定耐火效能為所要的壁板設計參數，且其中用於測試的所述方法為用於所述特定壁板生產批次的生產線末端品質測試的部分。