從建筑設(shè)計和檢測的角度分析建筑外窗的耐火完整性

付 萍，鄧小波，聶來聰

(1.濟(jì)南市消防支隊，山東 濟(jì)南 250100；2.國家消防及阻燃產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(山東),山東 濟(jì)南 250102)

1引言

近年來，由外墻保溫材料引發(fā)的火災(zāi)頻頻發(fā)生，很多是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用的有機(jī)類外墻保溫材料燃燒，大火從窗戶蔓延至室內(nèi)引發(fā)室內(nèi)可燃材料燃燒，造成重大的人員傷亡。

外墻外保溫材料和建筑外窗同屬建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如何確保建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)在施工和使用過程中不發(fā)生火災(zāi)，或者即使發(fā)生火災(zāi)，也不會引發(fā)室內(nèi)的可燃材料燃燒，GB 50016-2014 《建筑設(shè)計防火規(guī)范》6.7 及5.5.32條有明確的要求，歸納起來基本可以分為三類[1]：

一是建筑外墻采用保溫材料與兩側(cè)墻體構(gòu)成無空腔復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)體時，當(dāng)保溫材料的燃燒性能為B1、B2級時，保溫材料兩側(cè)的墻體應(yīng)采用不燃材料且厚度不應(yīng)小于50mm。即采用建筑結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)時，在保證保溫材料兩側(cè)墻體厚度達(dá)到要求時，對建筑外窗的耐火完整性不作要求。

二是采用A級外墻保溫材料的建筑，對建筑外窗的耐火完整性不作要求。

三是除采用B1級保溫材料且建筑高度不大于24m的公共建筑或采用B1級保溫材料且建筑高度不大于27m的住宅建筑外，建筑外墻上窗的耐火完整性不應(yīng)低于0.5h。建筑高度大于54m的住宅，每戶應(yīng)有一個房間的外窗耐火完整性不宜低于1.0h。

除了建筑保溫結(jié)構(gòu)一體化的施工方法外，是否使用A級保溫材料成為人們所關(guān)注的焦點。在無機(jī)外墻保溫材料中，最常見的當(dāng)屬巖棉板和無極材料改性聚苯乙烯泡沫板，上述兩類材料雖然可以達(dá)到A級，但各自弊端也非常明顯。對于巖棉板而言，粘結(jié)強(qiáng)度較低、吸水性較強(qiáng)，吸水后增加外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重量，帶來了安全隱患；無機(jī)材料改性聚苯乙烯泡沫板燃燒性能為A級時，容重和巖棉板相當(dāng)，同時由于其導(dǎo)熱系數(shù)較高，使用厚度通常在100mm以上，需要采用增加托架等特殊工藝，為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)增加了重量。由于其存在較大的安全隱患，目前該類材料部分地區(qū)已經(jīng)限制使用。

由此可見，對于住宅建筑而言，大部分住宅建筑需安裝耐火完整性達(dá)到0.50h和1.00h的建筑外窗。正是上述原因，單片非隔熱防火玻璃和具有耐火完整性要求的建筑外窗需求量劇增。

2 具有耐火完整性要求的建筑外窗和防火窗的區(qū)別

防火窗通常設(shè)在有采光要求的防火墻或防火隔墻上，有采光功能、抗風(fēng)壓、氣密性和耐火性能的要求，但無水密性、保溫性能和隔聲性能的要求。GB 16809-2008《防火窗》中規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)適用于建筑中具有采光功能的鋼質(zhì)防火窗、木質(zhì)防火窗和鋼木復(fù)合防火窗，建筑用其他防火窗可參考執(zhí)行[2]。

具有耐火完整性要求的建筑外窗是在普通建筑外窗上增加了耐火完整性的要求，同時還需具備氣密性、水密性、抗風(fēng)壓、保溫性能以及隔聲性能等要求，因此，用《防火窗》標(biāo)準(zhǔn)判定具有耐火完整性要求的建筑外窗存在一定的不合理性。

3 耐火完整性檢驗用設(shè)備及方法

在進(jìn)行耐火性能測試中，《建筑設(shè)計防火規(guī)范》明確規(guī)定其耐火完整性測試方法，是按照GB/T 12513-2006《鑲玻璃構(gòu)件耐火試驗方法》的要求進(jìn)行，這與《防火窗》標(biāo)準(zhǔn)要求的檢測方法一致。采用的檢驗試驗設(shè)備為建筑構(gòu)件垂直燃燒爐，如圖1所示，滿足GB/T 9978《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》中的相關(guān)規(guī)定，模擬試件受到實際火災(zāi)的火焰作用，全封閉燃?xì)庾詣蛹訜釥t滿足以下溫升條件：T=345lg(8t+1)+20，式中t表示試驗所進(jìn)行的時間，單位為min，T表示升溫到t時間時爐內(nèi)平均溫度，單位為℃。上述函數(shù)曲線為時間-溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖2所示。

圖1 建筑構(gòu)件垂直燃燒爐

圖2 標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線

4 具有耐火完整性要求的建筑外窗的常見結(jié)構(gòu)的主要部件

具有耐火完整性要求的建筑外窗的主要部件和普通建筑外窗類似，主要由玻璃、型材、隔熱及密封材料、五金配件、輔助配件等組成。

常見的玻璃結(jié)構(gòu)多為中空玻璃，其中至少有一片防火玻璃，如5mm單片防火玻璃、6mm單片防火玻璃、夾膠防火玻璃(3+1+5)等，早期的結(jié)構(gòu)中常見夾膠防火玻璃，但此類玻璃長期暴露在陽光下，容易產(chǎn)生發(fā)花、起霧的現(xiàn)象，截止到目前為止沒有該類玻璃使用10年以上不影響透光率的案例，因此，該類結(jié)構(gòu)的玻璃使用越來越少，其結(jié)構(gòu)見圖3。該類玻璃在遇火后，膠片膨脹成炭層，阻隔熱量的傳遞，起到隔熱性能，燃燒后現(xiàn)象見圖4。

圖3 夾膠防火玻璃

圖4 夾膠防火玻璃燃燒后現(xiàn)象

型材主要有鋁合金、斷橋鋁、塑鋼、鋁塑復(fù)合、實木等，由于不同型材的傳熱系數(shù)不同，其結(jié)構(gòu)也不盡相同。普通的PVC窗型材(2-3腔)，其傳熱系數(shù)為(1.8～2.2)W/m2K，無斷橋構(gòu)造的鋁合金型材，其傳熱系數(shù)為(5.5～5.9)W/m2K，有斷橋構(gòu)造的鋁合金型材，其傳熱系數(shù)為(3.0～3.9)W/m2K。上述主要型材的熔點均不是很高，如鋁合金熔點在620℃～650℃，在300℃左右即開始變形失去承載力，PVC型材熔點在170℃，遇火即發(fā)生熔化，因此，通常需要在型材腔體填充適當(dāng)?shù)母魺岵牧稀?/p>

隔熱材料主要用于填充型材的空腔，增強(qiáng)型材的隔熱性。主要分為膨脹型和非膨脹型兩種，對于隔熱型膨脹材料，如膨脹石墨，在遇熱后膨脹10倍以上，形成的炭層將腔體充滿，同時又有較強(qiáng)的粘結(jié)性能，在正壓作用下保持強(qiáng)度，起到防火隔熱的作用，如圖5所示；對于灌注料，多以硅酸鹽水泥為基材，可以隔熱并有效提高外窗的機(jī)械強(qiáng)度，但部分填充料具有腐蝕性且重量較重，因此需要做防腐處理，填充料如圖6所示。只要填充適當(dāng)?shù)母魺岵牧?，其耐火完整性均可達(dá)到0.5h甚至是1.0h。

圖5 膨脹型隔熱材料示意圖

圖6 無機(jī)填充料示意圖

除了玻璃、型材和隔熱材料外，密封材料、玻璃托架及玻璃墊片對有耐火完整性要求的建筑外窗是不可或缺的，密封材料膨脹可以填充窗扇和窗框的縫隙，阻止火焰和煙氣的蔓延；玻璃托架能夠防止防火玻璃在高溫下變形脫落；玻璃墊片可以防止玻璃在遇火狀態(tài)下棱邊與型材接觸受力，降低玻璃爆裂的風(fēng)險。

5 常見不合格現(xiàn)象

建筑外窗是由玻璃、型材、隔熱材料、密封材料、玻璃托架、墊片、密封膠、五金件及其它材料構(gòu)成的一個整體，只要有一個部位出現(xiàn)問題，都會影響整體的耐火完整性，下面重點介紹幾種不合格現(xiàn)象及原因。

5.1防火玻璃出現(xiàn)問題

玻璃是建筑外窗最重要的結(jié)構(gòu)之一，從檢驗統(tǒng)計結(jié)果看，約有70%左右的不合格現(xiàn)象發(fā)生在玻璃上。目前，使用在建筑外窗的防火玻璃多為5mm或6mm的單片非隔熱防火玻璃，這類玻璃是由普通玻璃通過離子置換或者覆膜等鋼化工藝生產(chǎn)出來的，本身有一定的自爆率，如果工藝不完善的話，很可能出現(xiàn)爆裂的現(xiàn)象，如圖7所示。此外，防火玻璃在復(fù)合中空玻璃的位置也很重要，較好的安裝方式為普通鋼化玻璃在向火面，防火玻璃在背火面，該類結(jié)構(gòu)的復(fù)合玻璃耐火完整性可高達(dá)1.0h；如果防火玻璃直接暴露在向火面，沒有經(jīng)過預(yù)熱過程，直接加熱，其耐火完整性將出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，甚至達(dá)不到0.5h，如圖8所示。

圖7 防火玻璃爆裂

圖8 防火玻璃位置安裝不正確

5.2型材隔熱材料處理不當(dāng)

上文提過，無論是鋁合金型材還是塑料型材，由于其熔點均較低(耐火完整性試驗0.5h的溫度達(dá)到842℃,1.0h的溫度達(dá)到945℃)，因此，如果試驗過程中，型材出現(xiàn)問題，很可能是隔熱處理不到位或者采取過多的隔熱處理措施。如果隔熱處理不到位，型材向火面燃燒后，背火面也受熱軟化，出現(xiàn)縫隙后遇空氣燃燒，這類現(xiàn)象多見于塑料窗，不合格現(xiàn)象[3]見圖9；但如果型材腔體中的膨脹材料填充過于密實，膨脹材料在急劇膨脹時造成炸膛現(xiàn)象，對型材和玻璃棱邊產(chǎn)生影響，導(dǎo)致玻璃破裂，如圖10所示。

圖9 塑料型材隔熱處理不到位

圖10 型材腔體填充過多隔熱材料造成炸膛現(xiàn)象

5.3 密封材料處理不當(dāng)

密封材料包括隔熱密封條、密封膠和填充在玻璃和型材間的無機(jī)防火棉條等，在試驗進(jìn)行一段時間后，向火面型材熔融或者燃燒后，隔熱材料和密封材料沒有起到充分的作用，如果填充在玻璃和型材間的無機(jī)防火棉條填充不密實，當(dāng)背火面型材和玻璃產(chǎn)生空隙時，有可能造成密封材料燃燒，這種現(xiàn)象一般產(chǎn)生于試驗后期溫度較高的階段，不合格現(xiàn)象見圖11，圖12為送檢樣品粘貼過多的密封條。

圖11 密封材料處理不當(dāng)燃燒

圖12 粘貼過多的密封膠條

5.4 五金件鎖閉點位不足和玻璃托架設(shè)置不當(dāng)

型材在高溫下熔融或軟化后，失去部分承載力，如果鎖閉點位置僅僅在型材上，試驗過程中由于正壓的影響，有可能造成鎖點開啟的現(xiàn)象，失去耐火完整性，不合格現(xiàn)象見圖13；試驗過程中，向火面型材失去承載力后，無法對玻璃進(jìn)行有效支撐，在型材或玻璃達(dá)到軟化點后，失去支撐的玻璃會發(fā)生軟化甚至脫落等現(xiàn)象，不合格現(xiàn)象見圖14。

圖13 鎖閉點位不足

圖14 玻璃缺少支撐托架

6 建議

具有耐火完整性要求的建筑外窗是近幾年興起的，產(chǎn)品相對來講還不是很成熟，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和圖集不是很全，但無機(jī)類外墻保溫材料有其不可彌補(bǔ)的缺點，因此，只要有耐火完整性要求的建筑外窗工藝合理、質(zhì)量可靠、價格適中，該類外窗和有機(jī)類外墻保溫材料的外圍護(hù)體系一定是今后外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的首選。下面對該類建筑外窗的制作過程提出建議：

6.1受生產(chǎn)工藝所限，目前國內(nèi)生產(chǎn)的5mm或者6mm單片防火玻璃，仍不能保證100%合格，因此，需進(jìn)一步加強(qiáng)單片隔熱防火玻璃的研制。另外，在安裝復(fù)合防火玻璃時，注意防火玻璃的安裝位置，如果玻璃裝反，則可能影響窗戶整體的耐火完整性。

6.2型材和隔熱材料的處理要到位，如果采用膨脹型的隔熱材料，使用部位和使用數(shù)量直接決定了隔熱材料在膨脹后的隔熱性能，只有膨脹倍數(shù)適中，同時又有較強(qiáng)的粘結(jié)性能，在正壓作用下不裂不散。

6.3除了玻璃和隔熱材料外，選擇適當(dāng)?shù)牟Ａ|片、五金件、玻璃托架、密封材料等均會對耐火性能產(chǎn)生影響，需要不斷探索和試驗。

6.4鋁合金型材處理好，其窗戶耐火完整性可達(dá)到1.0h，塑料窗由于受材質(zhì)所限，較難達(dá)到1.0h，建議可進(jìn)行0.5h耐火完整性的試驗。