淺析建筑外墻保溫隔熱材料與防火性能

徐 晶 貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司工程師

隨著國內(nèi)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，建筑外墻保溫隔熱材料種類繁多，雖然保溫效果越來越好，但是防火性能存在不足，極少有材料可以達到既經(jīng)濟環(huán)保又保溫隔熱防火的效果。因此，建筑外墻保溫隔熱材料的防火性能應(yīng)該引起建筑行業(yè)的重視，保證建筑保溫隔熱材料的良好效果，真正做到建筑保溫工程的安全、環(huán)保、經(jīng)濟、節(jié)能。

1 保溫系統(tǒng)概述

保溫系統(tǒng)可以阻止熱流的內(nèi)外傳遞，保持內(nèi)部溫度，從使用需求來看，需要冬季保持內(nèi)部熱流，夏季隔離外界熱流。保溫系統(tǒng)分為外保溫和內(nèi)保溫，由于內(nèi)保溫在實際應(yīng)用中存在缺陷，因此外保溫在建筑工程中的應(yīng)用比較廣泛。外保溫是把保溫層置于主體墻外面，起到保溫隔熱的作用，同時具有裝修美化的效果，另外還需要配套材料，主要包括砂漿、瓷磚及少量可燃成分的材料，達到降低冷橋影響的作用，并降低溫度變形應(yīng)力。

2 外墻保溫隔熱材料的傳熱原理及分類

2.1 外墻保溫隔熱材料的傳熱原理

傳熱是一種復雜現(xiàn)象，只要一種介質(zhì)內(nèi)或者兩種介質(zhì)之間存在溫度差，就一定會發(fā)生傳熱。根據(jù)不同類型的傳熱過程，將其分為熱傳導、熱對流和熱輻射3種形式。熱傳導是指在無相對位移的情況下，不同溫度的物體直接接觸時所發(fā)生的熱能傳遞現(xiàn)象。熱對流是指流體的宏觀運動而引起的流體各部分相對位移，冷熱流體之間的熱量傳遞過程。建筑材料中的對流傳熱需要有孔道協(xié)助，由于外墻保溫隔熱材料孔道小，因此一般可忽略對流傳熱。熱輻射是以電磁波的形式向四周輻射，不需要孔道協(xié)助，導致熱量散失，此種方式是熱量在環(huán)境中傳播的主要途徑。

由于多孔結(jié)構(gòu)具有質(zhì)輕、導熱系數(shù)小、隔震和吸音等優(yōu)點，因此保溫隔熱材料多選擇該結(jié)構(gòu)材料[1]。多孔保溫隔熱材料由氣相和固相組成，分為氣相相連、固相相連以及氣相和固相均相連3 種結(jié)構(gòu)，具體如圖1、圖2 和圖3 所示。在相同密度下，固相和氣相連續(xù)結(jié)構(gòu)導熱系數(shù)最小，固態(tài)以纖維狀存在，氣相以氣孔方式吸附于固態(tài)材料上，效果最好。

圖1 氣相連續(xù)結(jié)構(gòu)

圖2 固相連續(xù)結(jié)構(gòu)

圖3 固相氣相均連續(xù)結(jié)構(gòu)

2.2 外墻保溫隔熱材料的分類

外保溫隔熱材料要選用熱阻值大、導熱系數(shù)小的材料，同時要求具有防水性能。隨著國家對外墻保溫材料安全性要求的不斷提高，其防火性能引起了施工企業(yè)的重視，選用不燃性材料，不會發(fā)生火災事故。保溫材料在不同的環(huán)境下具有局限性，同時兼?zhèn)浞阑鸷头浪阅艿牟牧陷^少。用于建筑外墻的保溫材料主要分為無機材料和有機材料，無機材料有巖棉板、膨脹珍珠巖保溫板等，有機材料有聚苯乙烯泡沫材料、聚氨酯硬質(zhì)泡沫和酚醛泡沫等[2]。

2.2.1 巖棉板

巖棉板是一種人工無機纖維，用于住宅和公建外保溫工程或者外保溫中的防火隔離帶，具有質(zhì)輕、吸熱和無腐蝕等優(yōu)點，防火等級為A1 級[3]。其主要原料是玄武巖，將玄武巖通過離心設(shè)備制成無機纖維，在無機纖維中摻入粘結(jié)劑和防塵油，通過加溫固化加工成巖棉保溫板制品，導熱系數(shù)小于0.040 W/（m·K）。

2.2.2 膨脹珍珠巖保溫板

膨脹珍珠巖保溫板具有良好的吸聲效果，符合當前節(jié)能環(huán)保的要求，用于高品質(zhì)的居住建筑，具有質(zhì)輕、無毒、耐腐蝕等優(yōu)點，防火等級為A1 級。其輕骨料是膨脹珍珠巖，然后摻入無機膠凝材料和功能性外加劑，通過模壓成型工序加工成保溫板制品，小于0.068 W/（m·K）的導熱系數(shù)。

2.2.3 聚苯乙烯泡沫

聚苯乙烯泡沫是一種常用的緩沖材料，具有吸水性小、密度小、機械強度好、加工性好、著色性好及抗放射性等優(yōu)點，在外墻保溫隔熱材料中占有率高，防火等級為B 級。因其全部由碳氫元素組成，易燃燒并釋放大量熱量，同時放出污染環(huán)境的苯乙烯氣體，燃燒后會縮合熔化，保溫系統(tǒng)內(nèi)形成空腔，發(fā)生轟燃。聚苯乙烯泡沫的主料為聚苯乙烯樹脂，然后摻入發(fā)泡劑等外加劑，最終制成熱塑性高分子保溫隔熱材料，0.041 W/（m·K）為導熱系數(shù)。

2.2.4 聚氨酯硬質(zhì)泡沫

聚氨酯是一種高分子熱固性材料，應(yīng)用范圍廣泛，具有多孔性、相對密度小、比強度高等優(yōu)點，在外墻有機保溫材料中的使用效果最佳，防火等級為B 級。但屬于易燃材料，202 ℃以下不會分解，強制點燃溫度為310 ℃，受熱后產(chǎn)生氰化氫、CO 等有毒氣體。聚氨酯硬質(zhì)泡沫的主要原料是異氰酸酯和聚醚，摻入發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑等外加劑，通過專用設(shè)備高壓噴涂現(xiàn)場發(fā)泡，導熱系數(shù)為0.024 W/（m·K）。

2.2.5 酚醛樹脂泡沫材料

酚醛樹脂泡沫材料是一種合成塑料，具有耐熱性、耐水性和絕緣性良好等優(yōu)點，在外墻有機保溫材料中阻燃性最優(yōu)，防火等級為B 級[4]。該材料不易燃燒，400 ℃以上陰燃，發(fā)煙量小，主要原料是酚醛樹脂，摻入阻燃劑、抑煙劑、發(fā)泡劑和固化劑等外加劑，最終制成閉孔硬質(zhì)泡沫塑料，導熱系數(shù)為0.025 W/（m·K）。

3 建筑外墻保溫隔熱材料的防火性能分析

在獲得良好經(jīng)濟效益的同時，安全問題也引起人們的重視，因此應(yīng)該同時抓安全、環(huán)保、節(jié)能工作，促進我國社會和諧穩(wěn)定發(fā)展。

3.1 外墻保溫隔熱材料的燃燒性能

不同保溫隔熱材料具有不同的燃燒性能，應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境選擇不同的保溫隔熱材料。外保溫隔熱材料按照燃燒難易程度分為A 級和B 級。A 級為不燃材料，火災危險性低，通常指無機材料。B 級分為B1 級（難燃材料）、B2 級（普通燃燒材料）和B3 級（易燃材料）。B1 級指添加阻燃劑的聚苯乙烯泡沫、聚氨酯硬質(zhì)泡沫和酚醛樹脂泡沫；B2 級指一般有機材料，有較大火災危險性；B3 級指易點燃、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、火災危險性非常大的保溫材料，應(yīng)杜絕使用[5]。

3.2 外墻保溫隔熱材料防火中熱值試驗參數(shù)的測定

熱值是外保溫隔熱材料防火性能的指標之一，熱值參數(shù)的測定對保溫防火性能具有重要意義[6]。依據(jù)《建筑材料及制品的燃燒性能燃燒熱值的測定》（GB/T 14402—2007）標準，將待測物質(zhì)放入恒定容器內(nèi)完全燃燒，燃燒釋放的熱量被容器內(nèi)的水吸收，通過容器內(nèi)水溫變化計算得出待測物質(zhì)的燃燒熱值。試驗樣品為巖棉板、膨脹珍珠巖保溫板、聚苯乙烯泡沫、聚氨酯硬質(zhì)泡沫和酚醛樹脂泡沫材料，對每種試驗樣品做3次試驗，取平均值作為最終結(jié)果，具體數(shù)據(jù)見表1。試驗過程是取試驗樣品和苯甲酸各0.5 g，將兩者均勻混合后放入坩堝中，點火絲連接兩端電極，將10 mL 蒸餾水倒入氧彈桶，并充氧升壓至3.0 MPa，放入熱量計進行試驗。

表1 外墻外保溫隔熱材料的燃燒熱值（單位：MJ/kg）

由表1 可以看出，巖棉板和膨脹珍珠巖的熱值最小，為A1 級材料。酚醛泡沫材料的平均熱值為31.7 MJ/kg，具有很高的火災危險性。聚氨酯硬質(zhì)泡沫和酚醛泡沫材料熱值差不多，火災危險性也很高。聚苯乙烯泡沫材料的平均熱值為45.5 MJ/kg，火災危險性最高。

試驗得出，無機保溫隔熱材料燃燒熱值較低，具有良好的防火性能，有機保溫隔熱材料燃燒熱值大，應(yīng)該添加阻燃劑或者設(shè)置防火隔離帶，降低火災隱患。

3.3 外墻保溫隔熱材料的燃燒性能與適用建筑

在選擇外保溫隔熱材料時，要從材料的燃燒性能入手，根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016—2014）區(qū)分不同外墻保溫隔熱材料適用的建筑，見表2[7]。

表2 外墻保溫隔熱材料的燃燒性能與適用建筑

4 建筑項目外墻保溫隔熱材料應(yīng)用案例

4.1 工程概況

某住宅項目總建筑面積為22 萬m2，共計38 棟，除幾棟別墅外，其余為多層和小高層建筑，共容納住戶2 000 多人，冬季平均溫度為-10 ℃，夏季平均氣溫為32 ℃。由于聚氨酯硬質(zhì)泡沫在相同體積條件下的保溫性能優(yōu)于其他材料，因此通過把聚氨酯硬質(zhì)泡沫噴涂在建筑外墻能夠達到保溫隔熱效果。

本工程采用的建筑材料有普通硅酸鹽水泥32.5、聚氨酯硬質(zhì)泡沫、涂料耐堿玻纖維布、聚合物砂漿和界面處理劑。外保溫體系具體施工過程為先噴聚氨酯硬質(zhì)泡沫和聚合物砂漿的組合物，然后增加涂料耐堿玻纖維布，簡單經(jīng)濟且環(huán)保節(jié)能。

4.2 外墻保溫隔熱材料燃燒性能分析

本工程中的聚氨酯硬質(zhì)泡沫保溫性能良好，并在其中添加了阻燃劑，提高防火性能，降低火災風險。阻燃劑為阻燃聚醚，著火后會在外保溫表面形成保護層，阻止火勢蔓延。另外，聚氨酯硬質(zhì)泡沫噴涂后會大大降低保溫材料的孔隙率，降低內(nèi)部燃燒程度。為保證使用效果，要做好材料進場、施工和使用3個階段的管理，切實提高施工質(zhì)量。

4.3 外墻保溫隔熱材料的防火性能分析

本工程采用聚氨酯硬質(zhì)泡沫噴涂保溫層，形成了分倉構(gòu)造和無空腔構(gòu)造，提高了整體防火性能，優(yōu)點如下。第一，聚氨酯硬質(zhì)泡沫容易與粘結(jié)物結(jié)合，施工程序簡單，形成無接縫和無空腔的結(jié)構(gòu)，避免外界物質(zhì)進入，防火效果良好。第二，聚氨酯硬質(zhì)泡沫與粘結(jié)物結(jié)合后形成連續(xù)保溫層，阻止燃燒，防火效果良好。第三，聚氨酯硬質(zhì)泡沫中加入阻燃劑，具有聚氨酯和阻燃劑“1+1 ＞2”的共同特點，防火性能優(yōu)良。第四，聚氨酯硬質(zhì)泡沫的防水性能好，能夠阻斷外面物質(zhì)進入，保證腔體內(nèi)部穩(wěn)定，避免熱量交換?？傊?，本工程外保溫隔熱材料采用聚氨酯硬質(zhì)泡沫噴涂的施工方式，可以起到良好的保溫防火效果。

5 結(jié)語

保溫隔熱材料已廣泛應(yīng)用到建筑領(lǐng)域，取得了良好的效果，但卻忽視了防火性能方面的要求，因此本文以外墻保溫隔熱材料的種類和防火性能研究為出發(fā)點，尋找更好的防火材料。本文通過應(yīng)用聚氨酯硬質(zhì)泡沫得到以下結(jié)論：（1）硬質(zhì)泡沫聚氨酯噴涂施工簡便，做好材料的進場、施工和使用3 個階段的管理可以達到優(yōu)良的效果；（2）由于聚氨酯硬質(zhì)泡沫噴涂施工方式先天有著無空腔的基本優(yōu)勢，能夠避免外界物質(zhì)進入，防火性能更佳；（3）聚氨酯硬質(zhì)泡沫中加入了阻燃劑，不僅能夠阻止熱量傳遞，而且降低了燃燒程度，值得推廣。