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淺論建筑外墻外保溫系統與防火性能

添加時間:2011-11-29 來源:圣大控股

信息來源:中國幕墻工程網  作者:中國建設報  

文章概括 :“外墻外保溫系統”是指依附于建筑外墻上、位于建筑主體結構外墻外側的系統,對建筑起保溫作用。外墻外保溫系統又可采用粘貼、噴涂、澆注和機械錨固等多種施工方法,但保溫材料是直接附著在基層墻體上的,外部的裝飾材料可以是涂料、面磚、石材、金屬板材等,也可以做成帶龍骨的幕墻保溫系統。系統都是有基層墻體作為支撐的,沒有基層墻體的全幕墻系統暫未列入研究內容。根據國外的先進經驗,針對不同類型的外墻外保溫系統采取科學適度的防火構造措施(例如設置防火隔離帶、加厚防火保護層)可以滿足建筑成品整體構造防火安全的要求,確保建筑物在火災發生時火情不會蔓延。  外墻外保溫防火先行

建筑外墻保溫是建筑節能的重要內容之一,其核心是保溫材料。不同類型材料的導熱系數差異較大,導熱系數越小,其保溫隔熱性能越好,一般來說,有機保溫材料熱工性能要優于一般無機保溫材料。

與世界各國一樣,目前我國保溫材料大多采用有機高分子發泡保溫材料,如模塑聚苯板(EPS)、擠塑聚苯板(XPS),硬質發泡聚氨酯等,雖然相應的產品標準都對其阻燃性能提出了要求,但限于目前應用的技術水平和技術條件,其本質上仍屬可燃材料,材料自身的阻燃性能指標尚不能完全滿足建筑防火安全的要求。

“外墻外保溫系統”是指依附于建筑外墻上、位于建筑主體結構外墻外側的系統,對建筑起保溫作用。外墻外保溫系統又可采用粘貼、噴涂、澆注和機械錨固等多種施工方法,但保溫材料是直接附著在基層墻體上的,外部的裝飾材料可以是涂料、面磚、石材、金屬板材等,也可以做成帶龍骨的幕墻保溫系統。系統都是有基層墻體作為支撐的,沒有基層墻體的全幕墻系統暫未列入研究內容。根據國外的先進經驗,針對不同類型的外墻外保溫系統采取科學適度的防火構造措施(例如設置防火隔離帶、加厚防火保護層)可以滿足建筑成品整體構造防火安全的要求,確保建筑物在火災發生時火情不會蔓延。

因此,完善外保溫系統的整體構造應作為提高我國建筑外墻外保溫系統防火安全性能的重要途徑。

防火評價試驗先行

對外保溫系統進行防火安全性能評價是以試驗為基礎的,采用的試驗模型應能夠表征系統在實際火災中的狀態,試驗結果應客觀地反映外保溫系統的防火安全性能。只有選擇正確的試驗方法,才能客觀、科學地評價外保溫系統防火安全性能。

從試樣尺度劃分試驗方法的類別,包括小尺寸試件試驗、中尺寸試件試驗和大尺寸模型火試驗。小尺寸試驗主要是對保溫材料的燃燒性能進行檢驗;中尺寸試驗可以對保溫材料的燃燒性能進行檢驗,也可以針對具有某種構造的外保溫系統進行檢驗,但所涵蓋的系統構造往往十分有限;大尺寸試驗可以對整個外保溫系統的所有構造進行檢驗。

對于外保溫系統整體構造的防火安全性能或火焰傳播性,主要采用大尺寸模型火試驗進行檢驗。目前在我國有試驗基礎的大尺寸試驗方法有兩個:一是美國的UL1040:2000標準,目前國內通稱為“墻角火試驗”;二是英國的BS8414-1:2002標準,目前國內通稱為“窗口火試驗”,也是國際上采用的針對外保溫系統的防火試驗方法。

墻角火試驗以美國的UL1040為代表。試驗時火源位于試驗模型的墻角,試驗模型和試驗結果更適用于內保溫。窗口火試驗以英國的BS8414為代表,試驗時火源位于試驗模型底部模擬窗口的燃燒室內,試驗模型和試驗結果更適用于外保溫。

為了將BS8414-1:2002標準轉化為適合我國外墻外保溫系統應用的試驗和評價方法,2008年,中國建筑科學研究院建筑防火研究所申請了住房和城鄉建設部建工行業標準《建筑外墻外保溫系統防火試驗方法》的編制任務。經過幾十次大比例窗口火的試驗研究,確立了非等效采用英國BS8414-1:2002的編制原則,目前已進入報批階段。在《建筑外墻外保溫系統防火試驗方法》規定的窗口火試驗中,試驗模型模擬垂直的建筑面由主墻和與之垂直的副墻構成。外保溫系統安裝在建筑面上。試驗模型底部燃燒室的開口模擬實際建筑中樓層的窗口或洞口,點燃的木材或燃氣的火焰從窗口溢出,模擬房間內發生轟燃后的火焰從窗口或洞口溢出時對外保溫系統的攻擊,檢驗外保溫系統的受損程度,并對其火焰傳播性進行判定。試驗用火源采用約400kg的木材,30分鐘內釋放的總熱量約為4500MJ,熱釋放速率峰值約為(3±0.5)MW,比正常使用條件下建筑內可燃燒物的量要大很多,試驗條件非常苛刻。

從實際火災對建筑物的攻擊概率來看,中國建筑科學研究院建筑防火研究所與相關科研團隊一起,選擇了窗口火試驗這一具有普遍意義的方法。從2006年3月開始至2011年11月,研究團隊針對不同構造的外墻外保溫系統,先后進行了56次外保溫系統的大尺寸模型火試驗,其中,墻角火試驗10次,窗口火試驗46次。

試驗結果

1.EPS外墻外保溫系統

(1)對于采取巖棉防火隔離帶的EPS薄抹灰系統,試驗后判定系統火焰傳播性較低,20cm的巖棉防火隔離帶有效地阻止了火焰垂直向上的蔓延作用,特別是試驗的EPS板的厚度達到20cm,具有足夠的可燃物質。因此可以分析得出,在窗口火試驗條件下,系統中設置20cm的巖棉防火隔離帶足以起到抑制火焰蔓延的作用。

(2)對于采取了巖棉擋火梁的EPS薄抹灰系統,試驗后判定系統火焰傳播性較低,可見巖棉擋火梁也具有一定的阻止火焰垂直向上蔓延的作用。

(3)對于采用聚氨酯復合構造作為防火隔離帶的EPS薄抹灰系統,試驗后判定系統火焰傳播性較低,30cm的聚氨酯復合構造防火隔離帶有效地阻止了火焰垂直向上的蔓延作用,將火焰傳播范圍限制在第一條防火隔離帶以下,作用比較突出。但如果系統自身的質量存在較大問題時,防火隔離帶的阻火作用有限。如試驗10表現為具有火焰傳播性,原因與施工質量有關。在試驗10進行至點火開始后17分20秒時,抹面膠漿中的玻璃纖維網格布發生了斜向斷裂。點火開始后17分55秒時,懸空的面層自邊緣上部開始被點燃,11秒后發生轟燃。因此可以認為,防火隔離帶的阻火作用是相對的,它有效阻止火焰傳播的前提應是EPS薄抹灰外保溫系統的質量滿足相關標準的要求。

(4)對于酚醛保溫復合板防火隔離帶EPS薄抹灰系統,試驗后判定系統火焰傳播性較低,30cm的酚醛防火復合板隔離帶有效地阻止了火焰垂直向上的蔓延作用;對于泡沫水泥挑沿復合巖棉防火隔離帶的EPS薄抹灰系統,試驗后判定系統火焰傳播性較低,進一步證明了巖棉防火隔離帶的阻火作用;對于膠粉聚苯顆粒貼砌聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統,試驗后判定系統火焰傳播性較低。

(5)對于對EPS采用厚保護層的保護方式,包括膠粉聚苯顆粒保溫漿料、膨脹玻化微珠保溫防火砂漿、鋼絲網瓷磚飾面,以及玻纖網瓷磚飾面等試驗。結果表明,已經做過試驗的厚保護層系統,在試驗狀態下火焰傳播性較低。

2.硬泡聚氨酯外墻外保溫系統

(1)對于沒有采取任何構造措施的硬泡聚氨酯薄抹灰系統,試驗后判定系統火焰傳播性較低。可以認為,在窗口火試驗條件下,硬泡聚氨酯薄抹灰系統火災風險較小,可以不必設置防火隔離帶。

(2)對于采用厚保護層的硬泡聚氨酯系統,共進行了5次試驗:包括噴涂聚氨酯硬泡外墻外保溫系統、高強耐火植物纖維復合保溫板現場澆注發泡聚氨酯外墻外保溫系統、噴涂聚氨酯硬泡加巖棉帶封堵空腔幕墻保溫系統、8cm硬泡聚氨酯板材-2cm膨脹珍珠巖砂漿抹面等。在5次試驗中,系統火焰傳播性均較低,表現出良好的對火反應性能。可以認為,硬泡聚氨酯采用厚保護層時火災風險較小。

3.XPS外墻外保溫系統

XPS外墻外保溫系統共進行3次試驗:包括擠塑聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統-巖棉板防火隔離帶、膠粉聚苯顆粒貼砌XPS板抹面系統、擠塑聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統(本試驗采用B1級擠塑聚苯板)。

其中,采用巖棉防火隔離帶的系統,火焰傳播性較低;采用膠粉聚苯顆粒厚保護層的系統,火焰傳播性較低。

分析認為,使用B1級XPS板又不設置防火隔離帶時,保證系統具有足夠的防火安全性能具有一定難度。

4.酚醛-鋁單板幕墻系統

對于酚醛-鋁單板幕墻系統共進行2次試驗,試驗27和試驗29。

試驗27采用酚醛薄抹灰復合鋁單板幕墻系統,7cm的酚醛保溫板,點框粘的粘結方式(粘結面積≥40%),系統內部未采取其它的防火構造方式,在試驗狀態下破壞較為嚴重,具有一定的火焰傳播性。試驗29采用貼砌法粘貼酚醛保溫板的施工方式,滿粘(粘結面積100%),在保溫板內部進行分倉、表面抹1cm膠粉聚苯顆粒,并在幕墻龍骨處用膠粉聚苯顆粒進行封堵,在試驗狀態表現出了很好的防火安全性能,火焰傳播性較低。

試驗結論與建議

課題組綜合試驗結果及對各種外保溫材料系統類型的防火性能分析,初步得出以下結論:

1.外保溫系統的防火性能

(1)B2級的EPS板-薄抹灰系統具有一定的抗火能力。在系統中設置防火隔離帶(也可設置擋火梁)后,可以使系統整體的防火安全性能進一步提高,傳播火焰的風險降低。

(2)20cm的巖棉防火隔離帶可以滿足防火隔離的需要,具有足夠的阻火能力。

(3)B2級的硬泡聚氨酯板薄抹灰系統火焰傳播性較低,可不設置防火隔離帶。

(4)采用厚保護層的外墻外保溫系統火焰傳播性較低,在系統內可不設置防火隔離帶。

(5)外保溫系統中,保溫層外部如存在空腔,必須進行有效的封堵以減小火災蔓延的風險。

2.施工質量對外保溫系統防火性能的影響

外保溫系統防護層的施工質量對于系統的防火性能至關重要。

2008年10月21日進行的膨脹聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統-聚氨酯硬泡保溫板防火隔離帶試驗和2009年3月18日進行的膨脹聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統-挑沿試驗,在試驗過程中都出現了防護面層瞬間大面積掀開的現象,導致系統內部保溫材料外露在空氣中,進而產生急劇的燃燒,增加了系統火焰傳播的風險。

因此,施工過程中必須嚴格按照相關標準進行施工操作,避免增強網干搭接。施工最好遵循自上而下或自下而上的順序方式,以保證外保溫系統內的連接部位不存在大的縫隙,從而減少在火災條件下產生破壞的風險。

3.對保溫材料的基本要求

應用于外墻外保溫的保溫材料的燃燒性能不應低于B2級,并嚴格按照相關材料的產品標準要求進行現場見證取樣檢驗。對于硬泡聚氨酯,燃燒性能要求B2級加氧指數≥26%;對于EPS,燃燒性能要求B2級加氧指數≥30%;對于XPS,燃燒性能要求為B2級。

在現有的生產技術水平能夠達到的條件下,建議對XPS增加氧指數的要求,以控制材料的燃燒性能,其技術指標可規定為:氧指數≥26%。

在設計和施工時采取有效的防火構造措施,通過大比例窗口火試驗檢驗構造措施的有效性,并結合對保溫材料燃燒性能等級不得低于B2級和對材料氧指數的限制,來保證建筑圍護結構的防火安全,是一條簡便易行的新途徑,在我國具有廣泛的應用研究前景。

4.防火試驗的意義

外墻外保溫系統的墻角火試驗和窗口火試驗,尤其是窗口火試驗可以同時模擬建筑室內、外火災對建筑物的攻擊,模型尺寸能夠涵蓋包括防火隔斷在內的所有系統構造,試驗狀態能夠充分反應外墻外保溫系統在實際火災中的抗火能力,能夠用于評價外墻外保溫系統整體的引燃性和傳播性。從實際火災對建筑物的攻擊概率來看,窗口火試驗更具有普遍意義,窗口火試驗應該成為今后的研究重點。

行業標準《建筑外墻外保溫系統防火試驗方法》將英國標準BS8414-1:2002轉換成了適應我國國情的、更具操作性的外墻外保溫系統防火試驗方法,是我國編制的第一部用于外墻外保溫系統的大型防火試驗方法標準,將為我國外墻外保溫系統的防火安全性能評價提供科學統一的試驗方法,對研究提高我國外保溫系統的防火性能、推動外保溫系統的技術進步、引導外保溫行業健康發展都具有積極的作用。


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