建筑耐火節(jié)能門窗材料的設(shè)計(jì)選擇路徑研究

趙良碩 朱小路 東營市建筑設(shè)計(jì)研究院

1 前言

為了保證建筑門窗物理性能優(yōu)良，尤其是保溫性能，通常需要在其框架或其他部位使用高分子有機(jī)材料，以保證具備較高的節(jié)能性能。由于這些有機(jī)材料通常具有可燃特性，導(dǎo)致建筑門窗的耐火完整性基本無法滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。因此，對建筑門窗進(jìn)行耐火性能改造，調(diào)整構(gòu)造設(shè)計(jì)和材料選擇，是提高節(jié)能門窗耐火性能的唯一途徑。本文在分析不同節(jié)能門窗種類的基礎(chǔ)上，從材料設(shè)計(jì)選擇方面，進(jìn)行了全面系統(tǒng)的分析總結(jié)，為提高建筑門窗耐火完整性指標(biāo)，提出了具體的解決方案。

2 建筑耐火節(jié)能門窗材料設(shè)計(jì)概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，越來越多高層建筑在城市中涌現(xiàn)。為城市帶來亮麗風(fēng)景的同時，也帶來了緊迫的消防安全隱患。材料的選擇，是建筑節(jié)能門窗實(shí)現(xiàn)耐火完整性要求的必要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。為了保證建筑門窗的節(jié)能要求，選擇傳熱系數(shù)相對較低的塑料、木質(zhì)或斷熱鋁合金型材等作為框架型材，仍然是現(xiàn)階段耐火節(jié)能門窗的最好選擇。因此，為了彌補(bǔ)框架型材在耐火性能上的不足，需要對門窗關(guān)鍵的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)部位，采用特殊材料。

防火窗在我國有比較長的使用歷史，最初指設(shè)計(jì)安裝在防火墻上或者避難間、消防控制室、消防水泵房等特殊場所的窗，相比于建筑外窗，防火窗更是一種消防產(chǎn)品。按照耐火性能劃分，防火窗可分為隔熱型和非隔熱型，按照耐火時間大致可劃分為甲級、乙級、丙級?！澳突鸫啊鳖櫭剂x泛指具備一定耐火性能的建筑外窗，按材質(zhì)可分為塑鋼耐火窗和鋁合金耐火窗，但在我國的眾多產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中并未對“耐火窗”進(jìn)行定義，“耐火窗”是建筑行業(yè)對該類產(chǎn)品的一個約定俗成的稱呼。

3 建筑耐火節(jié)能門窗材料選擇

3.1 鋁合金型材

隔熱斷橋鋁合金型材具有自重輕、韌性好、外觀設(shè)計(jì)精致，且表面涂漆工藝較成熟，顏色豐富等特點(diǎn)，鋁材有較好抗銹蝕特性，使用維護(hù)成本相對較低。型材設(shè)計(jì)國標(biāo)、歐標(biāo)通用五金槽口，設(shè)計(jì)安裝便捷靈活，輔助配件通用齊全，使用功能更豐富，建筑外表更美觀。斷橋隔熱鋁合金窗在建筑門窗市場占比非常大，已經(jīng)得到廣大用戶認(rèn)可。鋁材熱傳導(dǎo)性好、熔點(diǎn)較低，做耐火材料并不占優(yōu)勢。在耐火試驗(yàn)中，爐內(nèi)平均溫度在600℃~680℃時，型材向火面開始軟熔，隔熱穿條已經(jīng)融化，包裹防火玻璃的鋁材翅邊和局部受力部位開始變形失去支撐。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定升溫曲線，在30min時爐內(nèi)平均溫度超過800℃，顯然主型材不做相應(yīng)耐火處理時，防火玻璃質(zhì)量再優(yōu)越，也很難滿足≥30min耐火完整性測試。例如：受承重力較大窗扇五金鉸鏈，應(yīng)盡量設(shè)置在背火面或采取內(nèi)部加固措施，避免受熱后窗扇下垂出現(xiàn)躥火現(xiàn)象。

3.2 窗框

當(dāng)前國內(nèi)常用的門窗材料主要包括木材、鋼材、鋁材和塑料。從剛性來看，鋼材的剛性最強(qiáng)，塑料的剛性最差；從阻熱性來看，木材和塑料都具有良好的阻熱性，但是鋁合金和鋼材的阻熱性較差；從耐火性來看，鋼材還具有較好的耐火性，鋁合金的耐火性一般，木材和塑料的耐火性較差；從耐腐蝕性來看，鋁合金和塑料的耐腐蝕性強(qiáng)，木材和鋼材的耐腐蝕性差；從導(dǎo)熱系數(shù)來看，木材和塑料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，鋼材的導(dǎo)熱性居中，鋁合金的導(dǎo)熱性較高。

3.3 夾層防火玻璃

在節(jié)能門窗設(shè)計(jì)中主要采用的是夾層玻璃，和單層玻璃相比，夾層玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)要低很多，因此其阻熱性更好。夾層玻璃和普通玻璃相比，中間增加了一層空氣?？諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)很低，因此能夠大幅降低玻璃的熱阻性。夾層玻璃的導(dǎo)熱性受夾層空氣厚度影響，在一定范圍內(nèi)，空氣厚度越大，夾層玻璃的阻熱性越強(qiáng)。但是，超過一定厚度之后空氣就會產(chǎn)生對流，將夾層增厚的傳熱阻抵消，此時傳熱阻會降低。同時，在玻璃夾層中充填惰性氣體或者絕熱氣體也有利于提高其阻熱性。智能玻璃門窗也是現(xiàn)代建筑節(jié)能門窗的主要種類之一。

智能玻璃門窗屬于體重新型門窗，主要由玻璃和電致變色系統(tǒng)構(gòu)成，通過電致變色材料的電場作用對透光、吸收性能進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到人為控制光照度的目的。此外，還有光致變色玻璃，是通過太陽光等的照射來改變玻璃的顏色，從而對透光性進(jìn)行調(diào)整，在夏季起到遮陽的作用。光致變色玻璃被廣泛應(yīng)用于汽車與建筑物上，可以實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)或者室內(nèi)光線的自動調(diào)節(jié)。

3.4 防火灌注料

吸熱型防火灌注料，是一種用水固化的無毒的環(huán)境友好型、吸熱性防火灌注料，高溫下具有吸熱冷卻和隔熱屏障的功效。固化后，導(dǎo)熱系數(shù)為0.10W/（m·K），且固化后能夠提高型材結(jié)構(gòu)的整體機(jī)械強(qiáng)度，便于型材的加工及裝配。用于型材空腔的灌注填充，遇火時通過大量吸熱和隔熱作用延緩可熔化型材的熔化速度，降低系統(tǒng)背火面的溫度，阻隔熱量的傳遞。

3.5 五金

傳統(tǒng)防火門窗五金多為鋼制，采用焊接或螺接工藝安裝，開扇出現(xiàn)磨損下垂后不便調(diào)節(jié)。鋁合金窗型材多為國標(biāo)或歐標(biāo)槽口，五金采用卡入式安裝，裝配精度高，且方便調(diào)試和維修。耐火節(jié)能窗框扇的受力和承重部件，應(yīng)采用不銹鋼或鍍鋅鋼材質(zhì)，安裝在背火面主型材或內(nèi)置增強(qiáng)龍骨上，以確保開關(guān)運(yùn)動持久性和高溫條件下不脫落。背火面非承重和裝飾性五金部件可以采用鋁制，不易采用鋅合金制品，鋅材化學(xué)性質(zhì)較活潑，在100℃~150℃時變軟，超過200℃后又變脆，在400℃~450℃時瞬間熔化流淌，高溫環(huán)境下使用非常不安全。

4 建筑耐火節(jié)能門窗材料的設(shè)計(jì)優(yōu)勢

4.1 外窗耐火完整性實(shí)現(xiàn)途徑

防止火災(zāi)的發(fā)生可稱為“防火”，限制火災(zāi)造成影響的措施也可稱為“防火”，包括對材料添加物質(zhì)或進(jìn)行處理以抑制其燃燒，如聚合物中添加阻燃劑來實(shí)現(xiàn)難燃產(chǎn)品，在聚丙烯中添加一定比例的聚磷酸銨、三聚氰胺、三（2-羥乙基）異氰脲酸酯可得到（UL94）V0級，氧指數(shù)為29%的阻燃PP。在顯著減弱或延緩其在燃燒時火焰的擴(kuò)展也是阻燃。例如防火涂料的防火作用就是阻燃。對制造產(chǎn)品所需和各種材料有一定了解后，實(shí)現(xiàn)外窗一定時限的耐火完整性，途徑基本清晰。

4.2 聚氨酯耐火節(jié)能窗的耐火性

建筑構(gòu)建要想加大耐火性能必須要達(dá)到兩個方面的指標(biāo)，首先是耐火完整性，對于部分不需要具備隔熱性能的門窗而言，只需要有良好的耐火性能即可滿足耐火性的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，對非隔熱性耐火窗進(jìn)行耐火性檢測，只需要對背火面的狀態(tài)進(jìn)行檢測，通過對材料進(jìn)行持續(xù)燃燒，觀察背火面的實(shí)際情況便可以得出結(jié)論。在對聚氨酯耐火節(jié)能窗進(jìn)行耐火性試驗(yàn)時，通過1h的持續(xù)燃燒并未發(fā)生完整性破壞，僅僅表現(xiàn)為受火面的鋼化玻璃出現(xiàn)碎裂，受火面發(fā)生了部分燃燒現(xiàn)象并持續(xù)到實(shí)驗(yàn)的結(jié)束。

4.3 良好的表面裝飾性

由于材料的纖維含量高，所以在使用過程中需要選用合適的涂料來滿足美觀的要求，同時也可以保護(hù)材料不受到損害，新型的水性環(huán)保聚氨酯涂料就是專門針對玻纖增強(qiáng)聚氨酯型材研制的一種涂料，能夠很好地為型材提供保護(hù)和裝飾。首先該涂料可以實(shí)現(xiàn)均勻的覆蓋大大提升材料的平整性，并且能夠很好地進(jìn)行附著，實(shí)現(xiàn)持久性的防護(hù)。這種材料屬于環(huán)保材料，無毒、無污染能夠保證使用者的健康，還可以很好地吸收紫外光，對材料起到良好的保護(hù)作用。作為裝飾性涂料，材料在顏色、光澤以及實(shí)際效果上都可以進(jìn)行很好的搭配，使用者可以根據(jù)自己的需求隨意搭配，從而實(shí)現(xiàn)更好的美化效果。

4.4 材料的強(qiáng)化

玻纖增強(qiáng)聚氨酯型材是在聚氨酯的基礎(chǔ)上強(qiáng)化得到的一種材料，有著比聚氨酯更優(yōu)良量的耐火性，就材料而言玻璃纖維本身就是很好的阻燃劑，這是一種無機(jī)纖維熔點(diǎn)往往在1000℃以上，聚氨酯材料在遇火后會形成碳化層，從而阻止了火焰的進(jìn)一步擴(kuò)散。在將這兩者結(jié)合之后便得到了玻纖增強(qiáng)聚氨酯型材，在明火的灼燒之下也很難被點(diǎn)燃，大大提高了材料的耐火性，不僅如此，遇火面承受的高溫也很難傳導(dǎo)到另一面，所以極大地提高了材料的耐火性能。

5 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，各種各樣的新式材料也層出不窮，因此為了更好地滿足國家的要求，做好建筑節(jié)能門窗耐火性的設(shè)計(jì)，需要選擇優(yōu)良的材料。材料的選擇，是建筑節(jié)能門窗實(shí)現(xiàn)耐火完整性要求的必要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。為了保證建筑門窗的節(jié)能要求，選擇傳熱系數(shù)相對較低的塑料、木質(zhì)或斷熱鋁合金型材等作為框架型材，仍然是現(xiàn)階段耐火節(jié)能門窗的最好選擇。

因此，為了彌補(bǔ)框架型材在耐火性能上的不足，需要對門窗關(guān)鍵的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)部位，采用特殊材料。比如，在型材空腔部位，填充防火灌注膠，填塞防火板條等；在框扇開啟的密封部位，采用防火阻燃膠條；在玻璃面板與型材接觸部位，放置防火棉條，并施以防火硅酮膠固定密封。安裝在型材上的五金配件，尤其是起到承重功能的配件，宜采用防火五金產(chǎn)品，以提高整窗耐火性能。

與此同時，國家相關(guān)部門也要加大對于市場的監(jiān)管，加強(qiáng)對于工程質(zhì)量的檢測與管理。節(jié)能耐火窗受耐火材料性狀、制作工藝水平等因素影響較大，只有實(shí)際使用工況與檢測試件相同時，才能保證達(dá)到預(yù)期效果。這需要生產(chǎn)企業(yè)有完善的管理制度與較高的生產(chǎn)水平，實(shí)際使用時非常有必要對生產(chǎn)廠家進(jìn)行實(shí)地考察。綜合考慮門窗的各項(xiàng)性能，在保證門窗的各項(xiàng)物理性能基礎(chǔ)之上，還要協(xié)調(diào)耐火性和美觀性，在諸多優(yōu)良性能的支持下，這一材料必定會成為未來發(fā)展的新方向，必定會大大推動節(jié)能防火型門窗的發(fā)展。