耐火窗的性能及存在的問題與建議

聶來聰，周楊，蘇海通，楊光輝

[山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，國家消防及阻燃產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（山東），山東 濟(jì)南 250102]

0 引言

據(jù)報(bào)道，近年來各地發(fā)生了多起由建筑外墻外保溫系統(tǒng)引發(fā)的嚴(yán)重火災(zāi)事故：2010年11月15日，上海市靜安區(qū)膠州路728號公寓大樓節(jié)能改造時因電焊濺落的焊渣引燃外墻聚氨酯保溫材料，建筑外窗的玻璃受熱破碎導(dǎo)致火焰進(jìn)入室內(nèi)發(fā)生特別重大火災(zāi)事故，直接經(jīng)濟(jì)損失1.58億元；2011年2月3日，沈陽皇朝萬鑫大廈因燃放煙花引燃外墻保溫系統(tǒng)膠條，建筑外窗的玻璃受熱破碎導(dǎo)致火焰進(jìn)入室內(nèi)而發(fā)生重大火災(zāi)事故，直接財(cái)產(chǎn)損失9384萬元；2017年6月14日，英國倫敦的“格蘭菲爾塔”公寓大樓因4層住宅內(nèi)冰箱著火，建筑外窗的玻璃受熱破碎引燃外墻保溫材料，火焰通過外窗進(jìn)入其他戶內(nèi)發(fā)生特別重大火災(zāi)事故，造成巨大人員及財(cái)產(chǎn)損失，頻發(fā)的事故引起各方對建筑外墻外保溫材料及外窗耐火完整性的重視。2015年5月1日，我國開始實(shí)施GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，該規(guī)范對不同建筑功能、不同建筑高度的建筑外墻外保溫材料燃燒性能等級提出嚴(yán)格要求，并對除保溫材料與兩側(cè)不小于50 mm厚不燃墻體構(gòu)成無空腔復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)體的建筑外墻上門窗的完整性做出了嚴(yán)格規(guī)定：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，建筑外墻上門窗的耐火完整性不應(yīng)小于0.50h。具體應(yīng)用要求見表1。

耐火窗概念的引入主要應(yīng)對外墻外保溫系統(tǒng)火災(zāi)。耐火窗是指設(shè)在建筑外墻上，除具備普通外窗三性及保溫性能要求外，還應(yīng)具有耐火完整性的要求，但目前尚無產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T 31433—2015《建筑幕墻門窗通用技術(shù)條件》給出了建筑門窗耐火完整性的定義：在標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)條件下，建筑門

窗某一面受火時，在一定時間內(nèi)阻止火焰和熱氣穿透或在背火面出現(xiàn)火災(zāi)的能力。GB 50016—2014明確規(guī)定其耐火完整性測試方法，是按照GB/T 12513—2006的要求進(jìn)行。在GB/T 12513—2006《鑲玻璃構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》中，非隔熱性鑲玻璃構(gòu)件失去耐火完整性的判定標(biāo)準(zhǔn)為：（1）當(dāng)試件背火面竄火持續(xù)10 s以上時，則認(rèn)為試件失去耐火完整性；（2）當(dāng)試件背火面出現(xiàn)貫通至試驗(yàn)爐內(nèi)的縫隙，直徑（6±0.1）mm的探棒可以穿過縫隙進(jìn)入試驗(yàn)爐內(nèi)且探棒可以沿縫隙長度方向移動不小于150 mm，或直徑（25±0.2）mm的探棒可以穿過縫隙進(jìn)入試驗(yàn)爐內(nèi)，則認(rèn)為試件失去耐火完整性。因此，對于耐火窗的耐火完整性試驗(yàn)，應(yīng)按照GB/T 12513—2006對非隔熱性鑲玻璃構(gòu)件判定準(zhǔn)則的規(guī)定進(jìn)行判定。

表1 GB 50016—2014對建筑功能、建筑高度與建筑外墻外保溫系統(tǒng)及材料、建筑外窗耐火完整性的應(yīng)用要求

1 耐火窗耐火完整性試驗(yàn)設(shè)備

在進(jìn)行耐火窗的耐火完整性試驗(yàn)時，采用的耐火試驗(yàn)設(shè)備為全封閉燃?xì)庾詣蛹訜釥t，如圖1所示，符合GB/T 9978—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定。

圖1 全封閉燃?xì)庾詣蛹訜釥t

（1）爐內(nèi)應(yīng)布置熱電偶，且應(yīng)均布在試件附近以獲得可靠的平均溫度。熱電偶的位置不應(yīng)受燃燒器火焰的直接沖擊，并且距離爐內(nèi)所有側(cè)墻、底面和頂部不應(yīng)小于450 mm。固定的方式要確保在耐火試驗(yàn)期間熱電偶不移動。熱電偶采用符合GB/T 16839.1—2008《熱電偶 第1部分：分度表》規(guī)定的絲徑為0.75～2.30 mm的鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶，外罩耐熱不銹鋼套管或耐熱瓷套管，中間填裝耐熱材料，其熱端伸出套管的長度不少于25 mm。

（2）應(yīng)能控制和監(jiān)視爐內(nèi)熱煙氣壓力。爐內(nèi)設(shè)有壓力測量探頭，應(yīng)安裝在便于壓力條件測量和監(jiān)控爐內(nèi)壓力的位置，不應(yīng)位于受火焰氣流直接沖擊的位置或排煙管路上。并且探頭測量管在爐內(nèi)和穿過爐墻的部分應(yīng)保持水平。沿爐內(nèi)高度方向存在著線性壓力梯度，盡管壓力梯度隨爐內(nèi)溫度的改變會有輕微變化，仍要保證沿爐內(nèi)高度處每米的壓力梯度值為8 Pa。爐內(nèi)壓力應(yīng)進(jìn)行連續(xù)測量和記錄，或是在控制點(diǎn)時間間隔不超過5 min測量記錄1次。

（3）耐火性能試驗(yàn)采用明火加熱，模擬試件受到實(shí)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：

式中：t——試驗(yàn)所進(jìn)行的時間，min；

T——升溫到t時間時爐內(nèi)平均溫度，℃。

上述函數(shù)曲線如圖2所示。耐火試驗(yàn)時，以時間間隔不超過1 min測量記錄溫度值1次。30 min時試驗(yàn)爐內(nèi)溫度達(dá)到842℃，60 min時試驗(yàn)爐內(nèi)溫度達(dá)到945℃。

圖2 耐火試驗(yàn)的時間-溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線

2 耐火窗常見結(jié)構(gòu)

2.1 按玻璃結(jié)構(gòu)分類

為滿足建筑外窗保溫性能要求，國內(nèi)耐火窗玻璃結(jié)構(gòu)一般為雙玻一腔或三玻兩腔結(jié)構(gòu)，如圖3所示。2種玻璃結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于三玻兩腔的玻璃結(jié)構(gòu)具有更好的隔聲和保溫性能。

圖3 常見耐火窗玻璃結(jié)構(gòu)示意

2.2 按防火玻璃類型分類

為滿足耐火完整性要求，耐火窗玻璃結(jié)構(gòu)中至少包含1層防火玻璃，防火玻璃按結(jié)構(gòu)可分為單片防火玻璃和復(fù)合防火玻璃。目前國內(nèi)常見單片防火玻璃主要有單片銫鉀防火玻璃，是指普通玻璃通過特殊化學(xué)處理在高溫狀態(tài)下進(jìn)行離子交換，加入了銫鉀等離子，同時通過物理鋼化處理，提高了玻璃的抗沖擊強(qiáng)度[1]；另外，一些企業(yè)為應(yīng)付耐火性能檢測，采用高硼硅玻璃、微晶玻璃等制成特種防火玻璃，也屬于單片防火玻璃，但由于成本較高在工程上應(yīng)用較少。常見復(fù)合防火玻璃是指在2片玻璃之間加一層透明且具有阻燃性能的凝膠，凝膠遇到高溫時會發(fā)生吸熱分解反應(yīng)，變?yōu)椴煌该?，有阻隔火焰的能力，目前國?nèi)主要采用海綿硅防火玻璃。不同防火玻璃結(jié)構(gòu)的耐火窗試驗(yàn)照片如圖4所示。

采用全封閉燃?xì)庾詣蛹訜釥t試驗(yàn)過程中，對于單片銫鉀防火玻璃耐火窗，在300℃左右向火面鋼化玻璃破裂脫落，耐火完整性可以達(dá)到1 h[見圖4（a）]；對于復(fù)合防火玻璃耐火窗，在300℃左右向火面鋼化玻璃破裂脫落，然后復(fù)合防火玻璃向火面層的白玻破裂，膠片受火膨脹，膠片背火面顏色隨時間逐漸變白、變黃、變黑[見圖 4（b）]。

圖4 不同防火玻璃耐火窗耐火試驗(yàn)

2.3 按型材分類

耐火窗按型材主要分為塑鋼耐火窗和鋁合金耐火窗。塑鋼耐火窗是指外框都采用PVC樹脂為主要原料，經(jīng)擠出成型材、切割、焊接等方式制成門窗的框扇，配裝上密封膠條、五金件、玻璃等附件制成窗，為增強(qiáng)型材的剛性，超過一定長度的型材空腔內(nèi)加入增強(qiáng)型鋼。

鋁合金耐火窗是由鋁合金建筑型材制作框、扇結(jié)構(gòu)的窗。目前國內(nèi)主要是指斷橋鋁合金門窗，是在普通鋁合金窗基礎(chǔ)上為了提高門窗保溫性能而推出的改進(jìn)型，原理是利用PA66尼龍將室內(nèi)外2層鋁合金既隔開又緊密連接成一個整體，構(gòu)成一種新的隔熱型的鋁型材。

采用不同型材的外框，對于耐火窗的性能有一定的影響。由于鋁合金為金屬材料，因此鋁合金耐火窗的強(qiáng)度、防火性優(yōu)于塑鋼耐火窗；而塑鋼耐火窗的耐腐蝕性、隔熱性優(yōu)于鋁合金耐火窗。

3 耐火窗耐火性存在的問題

耐火窗主要由玻璃、型材、密封材料、五金件等組成，任一部件出現(xiàn)問題都會影響耐火窗的耐火完整性。以下是筆者在進(jìn)行耐火窗耐火試驗(yàn)過程中遇到的問題（見圖5）：

（1）耐火窗中玻璃結(jié)構(gòu)裝反：即防火玻璃裝在向火面（室外側(cè)），鋼化玻璃裝在背火面（室內(nèi)側(cè)）。對于采用單片防火玻璃的耐火窗，在耐火試驗(yàn)5 min左右，玻璃破裂，耐火窗失去耐火完整性[見圖5（a）]；對于采用復(fù)合防火玻璃耐火窗，經(jīng)多次試驗(yàn)，耐火時間均在20 min左右，也達(dá)不到GB 50016—2014 規(guī)范要求[見圖 5（b）]。

（2）耐火窗外框型材問題：①外框型材內(nèi)部隔熱處理不到位。在進(jìn)行耐火試驗(yàn)過程中，因外框型材的隔熱處理不當(dāng)，導(dǎo)致耐火窗背火面型材燃燒，都發(fā)生在塑鋼耐火窗中，如圖5（c）所示；②耐火窗外框型材結(jié)構(gòu)中沒有防止玻璃脫落措施，尤其是塑鋼型材耐火窗，塑鋼型材軟化易導(dǎo)致玻璃脫落[見圖5（d）]。

圖5 在試驗(yàn)中耐火窗遇到的問題

（3）耐火窗中使用的密封材料問題：在耐火試驗(yàn)過程中密封材料燃燒，密封材料燃燒多發(fā)生在耐火試驗(yàn)進(jìn)行到30 min之后，向火面溫度達(dá)800℃之后出現(xiàn)[見圖5（e）]。

（4）耐火窗中使用的五金件問題：如鎖閉點(diǎn)位不足或塑鋼型材耐火窗鎖閉點(diǎn)僅固定在塑鋼型材上，型材軟化導(dǎo)致鎖閉失效[見圖 5（f）]。

4 耐火窗裝配注意事項(xiàng)和建議

目前，耐火窗的標(biāo)準(zhǔn)不完善，在耐火窗試驗(yàn)過程中會遇到各種問題。因此我們應(yīng)當(dāng)加快耐火窗標(biāo)準(zhǔn)的制定，規(guī)范耐火窗產(chǎn)品的質(zhì)量，為達(dá)到耐火窗耐火完整性的要求，對耐火窗的裝配提出以下幾點(diǎn)建議，為企業(yè)的生產(chǎn)提供參考。

（1）單片防火玻璃耐火窗綜合成本較低，穩(wěn)定性較差，需要找到更合適生產(chǎn)工藝；復(fù)合防火玻璃較單片防火玻璃質(zhì)量穩(wěn)定，但成本高，壽命短，不能直接用于外墻，難于深加工，長期處于紫外線照射下易起泡、發(fā)黃甚至失去透光性，后期維護(hù)費(fèi)用較高。企業(yè)可綜合考慮選擇合適的玻璃。

（2）耐火窗是為阻止外墻火焰的蔓延，為保證耐火完整性的要求，在耐火窗的裝配過程中一定要正確安裝鋼化玻璃和防火玻璃，即鋼化玻璃應(yīng)安裝在向火面，防火玻璃安裝在背火面。若防火玻璃安裝在向火面，背火面為鋼化玻璃，其耐火時間基本不超過20 min，且背火面玻璃容易炸裂傷人。

（3）在耐火窗耐火試驗(yàn)時，試驗(yàn)爐內(nèi)溫度遠(yuǎn)超型材熔點(diǎn)，樣品向火面型材易融化，所以窗體內(nèi)腔應(yīng)填充防火隔熱材料以維持窗框整體穩(wěn)定。常見填充材料有耐火泥、防火密封膨脹密封條等。

（4）耐火窗五金件均應(yīng)安裝在背火面一側(cè)，如有鋼質(zhì)骨架，可固定在鋼質(zhì)骨架上以保證其功能。

（5）鑒于型材本身特性，建議塑鋼耐火窗的耐火時間為30 min，鋁合金耐火窗的耐火時間為60 min。