耐火窗的性能及存在的问题与建议

聂来聪，周杨，苏海通，杨光辉

[山东省产品质量检验研究院，国家消防及阻燃产品质量监督检验中心（山东），山东 济南 250102]

0 引言

据报道，近年来各地发生了多起由建筑外墙外保温系统引发的严重火灾事故：2010年11月15日，上海市静安区胶州路728号公寓大楼节能改造时因电焊溅落的焊渣引燃外墙聚氨酯保温材料，建筑外窗的玻璃受热破碎导致火焰进入室内发生特别重大火灾事故，直接经济损失1.58亿元；2011年2月3日，沈阳皇朝万鑫大厦因燃放烟花引燃外墙保温系统胶条，建筑外窗的玻璃受热破碎导致火焰进入室内而发生重大火灾事故，直接财产损失9384万元；2017年6月14日，英国伦敦的“格兰菲尔塔”公寓大楼因4层住宅内冰箱着火，建筑外窗的玻璃受热破碎引燃外墙保温材料，火焰通过外窗进入其他户内发生特别重大火灾事故，造成巨大人员及财产损失，频发的事故引起各方对建筑外墙外保温材料及外窗耐火完整性的重视。2015年5月1日，我国开始实施GB 50016—2014《建筑设计防火规范》，该规范对不同建筑功能、不同建筑高度的建筑外墙外保温材料燃烧性能等级提出严格要求，并对除保温材料与两侧不小于50 mm厚不燃墙体构成无空腔复合保温结构体的建筑外墙上门窗的完整性做出了严格规定：除采用B1级保温材料且建筑高度不大于24m的公共建筑或采用B1级保温材料且建筑高度不大于27m的住宅建筑外，建筑外墙上门窗的耐火完整性不应小于0.50h。具体应用要求见表1。

耐火窗概念的引入主要应对外墙外保温系统火灾。耐火窗是指设在建筑外墙上，除具备普通外窗三性及保温性能要求外，还应具有耐火完整性的要求，但目前尚无产品标准。

GB/T 31433—2015《建筑幕墙门窗通用技术条件》给出了建筑门窗耐火完整性的定义：在标准耐火试验条件下，建筑门

窗某一面受火时，在一定时间内阻止火焰和热气穿透或在背火面出现火灾的能力。GB 50016—2014明确规定其耐火完整性测试方法，是按照GB/T 12513—2006的要求进行。在GB/T 12513—2006《镶玻璃构件耐火试验方法》中，非隔热性镶玻璃构件失去耐火完整性的判定标准为：（1）当试件背火面窜火持续10 s以上时，则认为试件失去耐火完整性；（2）当试件背火面出现贯通至试验炉内的缝隙，直径（6±0.1）mm的探棒可以穿过缝隙进入试验炉内且探棒可以沿缝隙长度方向移动不小于150 mm，或直径（25±0.2）mm的探棒可以穿过缝隙进入试验炉内，则认为试件失去耐火完整性。因此，对于耐火窗的耐火完整性试验，应按照GB/T 12513—2006对非隔热性镶玻璃构件判定准则的规定进行判定。

表1 GB 50016—2014对建筑功能、建筑高度与建筑外墙外保温系统及材料、建筑外窗耐火完整性的应用要求

1 耐火窗耐火完整性试验设备

在进行耐火窗的耐火完整性试验时，采用的耐火试验设备为全封闭燃气自动加热炉，如图1所示，符合GB/T 9978—2008《建筑构件耐火试验方法》的相关规定。

图1 全封闭燃气自动加热炉

（1）炉内应布置热电偶，且应均布在试件附近以获得可靠的平均温度。热电偶的位置不应受燃烧器火焰的直接冲击，并且距离炉内所有侧墙、底面和顶部不应小于450 mm。固定的方式要确保在耐火试验期间热电偶不移动。热电偶采用符合GB/T 16839.1—2008《热电偶 第1部分：分度表》规定的丝径为0.75～2.30 mm的镍铬-镍硅（K型）热电偶，外罩耐热不锈钢套管或耐热瓷套管，中间填装耐热材料，其热端伸出套管的长度不少于25 mm。

（2）应能控制和监视炉内热烟气压力。炉内设有压力测量探头，应安装在便于压力条件测量和监控炉内压力的位置，不应位于受火焰气流直接冲击的位置或排烟管路上。并且探头测量管在炉内和穿过炉墙的部分应保持水平。沿炉内高度方向存在着线性压力梯度，尽管压力梯度随炉内温度的改变会有轻微变化，仍要保证沿炉内高度处每米的压力梯度值为8 Pa。炉内压力应进行连续测量和记录，或是在控制点时间间隔不超过5 min测量记录1次。

（3）耐火性能试验采用明火加热，模拟试件受到实际火灾的火焰作用，全封闭燃气自动加热炉满足以下温升条件：

式中：t——试验所进行的时间，min；

T——升温到t时间时炉内平均温度，℃。

上述函数曲线如图2所示。耐火试验时，以时间间隔不超过1 min测量记录温度值1次。30 min时试验炉内温度达到842℃，60 min时试验炉内温度达到945℃。

图2 耐火试验的时间-温度标准曲线

2 耐火窗常见结构

2.1 按玻璃结构分类

为满足建筑外窗保温性能要求，国内耐火窗玻璃结构一般为双玻一腔或三玻两腔结构，如图3所示。2种玻璃结构的主要区别在于三玻两腔的玻璃结构具有更好的隔声和保温性能。

图3 常见耐火窗玻璃结构示意

2.2 按防火玻璃类型分类

为满足耐火完整性要求，耐火窗玻璃结构中至少包含1层防火玻璃，防火玻璃按结构可分为单片防火玻璃和复合防火玻璃。目前国内常见单片防火玻璃主要有单片铯钾防火玻璃，是指普通玻璃通过特殊化学处理在高温状态下进行离子交换，加入了铯钾等离子，同时通过物理钢化处理，提高了玻璃的抗冲击强度[1]；另外，一些企业为应付耐火性能检测，采用高硼硅玻璃、微晶玻璃等制成特种防火玻璃，也属于单片防火玻璃，但由于成本较高在工程上应用较少。常见复合防火玻璃是指在2片玻璃之间加一层透明且具有阻燃性能的凝胶，凝胶遇到高温时会发生吸热分解反应，变为不透明，有阻隔火焰的能力，目前国内主要采用海绵硅防火玻璃。不同防火玻璃结构的耐火窗试验照片如图4所示。

采用全封闭燃气自动加热炉试验过程中，对于单片铯钾防火玻璃耐火窗，在300℃左右向火面钢化玻璃破裂脱落，耐火完整性可以达到1 h[见图4（a）]；对于复合防火玻璃耐火窗，在300℃左右向火面钢化玻璃破裂脱落，然后复合防火玻璃向火面层的白玻破裂，胶片受火膨胀，胶片背火面颜色随时间逐渐变白、变黄、变黑[见图 4（b）]。

图4 不同防火玻璃耐火窗耐火试验

2.3 按型材分类

耐火窗按型材主要分为塑钢耐火窗和铝合金耐火窗。塑钢耐火窗是指外框都采用PVC树脂为主要原料，经挤出成型材、切割、焊接等方式制成门窗的框扇，配装上密封胶条、五金件、玻璃等附件制成窗，为增强型材的刚性，超过一定长度的型材空腔内加入增强型钢。

铝合金耐火窗是由铝合金建筑型材制作框、扇结构的窗。目前国内主要是指断桥铝合金门窗，是在普通铝合金窗基础上为了提高门窗保温性能而推出的改进型，原理是利用PA66尼龙将室内外2层铝合金既隔开又紧密连接成一个整体，构成一种新的隔热型的铝型材。

采用不同型材的外框，对于耐火窗的性能有一定的影响。由于铝合金为金属材料，因此铝合金耐火窗的强度、防火性优于塑钢耐火窗；而塑钢耐火窗的耐腐蚀性、隔热性优于铝合金耐火窗。

3 耐火窗耐火性存在的问题

耐火窗主要由玻璃、型材、密封材料、五金件等组成，任一部件出现问题都会影响耐火窗的耐火完整性。以下是笔者在进行耐火窗耐火试验过程中遇到的问题（见图5）：

（1）耐火窗中玻璃结构装反：即防火玻璃装在向火面（室外侧），钢化玻璃装在背火面（室内侧）。对于采用单片防火玻璃的耐火窗，在耐火试验5 min左右，玻璃破裂，耐火窗失去耐火完整性[见图5（a）]；对于采用复合防火玻璃耐火窗，经多次试验，耐火时间均在20 min左右，也达不到GB 50016—2014 规范要求[见图 5（b）]。

（2）耐火窗外框型材问题：①外框型材内部隔热处理不到位。在进行耐火试验过程中，因外框型材的隔热处理不当，导致耐火窗背火面型材燃烧，都发生在塑钢耐火窗中，如图5（c）所示；②耐火窗外框型材结构中没有防止玻璃脱落措施，尤其是塑钢型材耐火窗，塑钢型材软化易导致玻璃脱落[见图5（d）]。

图5 在试验中耐火窗遇到的问题

（3）耐火窗中使用的密封材料问题：在耐火试验过程中密封材料燃烧，密封材料燃烧多发生在耐火试验进行到30 min之后，向火面温度达800℃之后出现[见图5（e）]。

（4）耐火窗中使用的五金件问题：如锁闭点位不足或塑钢型材耐火窗锁闭点仅固定在塑钢型材上，型材软化导致锁闭失效[见图 5（f）]。

4 耐火窗装配注意事项和建议

目前，耐火窗的标准不完善，在耐火窗试验过程中会遇到各种问题。因此我们应当加快耐火窗标准的制定，规范耐火窗产品的质量，为达到耐火窗耐火完整性的要求，对耐火窗的装配提出以下几点建议，为企业的生产提供参考。

（1）单片防火玻璃耐火窗综合成本较低，稳定性较差，需要找到更合适生产工艺；复合防火玻璃较单片防火玻璃质量稳定，但成本高，寿命短，不能直接用于外墙，难于深加工，长期处于紫外线照射下易起泡、发黄甚至失去透光性，后期维护费用较高。企业可综合考虑选择合适的玻璃。

（2）耐火窗是为阻止外墙火焰的蔓延，为保证耐火完整性的要求，在耐火窗的装配过程中一定要正确安装钢化玻璃和防火玻璃，即钢化玻璃应安装在向火面，防火玻璃安装在背火面。若防火玻璃安装在向火面，背火面为钢化玻璃，其耐火时间基本不超过20 min，且背火面玻璃容易炸裂伤人。

（3）在耐火窗耐火试验时，试验炉内温度远超型材熔点，样品向火面型材易融化，所以窗体内腔应填充防火隔热材料以维持窗框整体稳定。常见填充材料有耐火泥、防火密封膨胀密封条等。

（4）耐火窗五金件均应安装在背火面一侧，如有钢质骨架，可固定在钢质骨架上以保证其功能。

（5）鉴于型材本身特性，建议塑钢耐火窗的耐火时间为30 min，铝合金耐火窗的耐火时间为60 min。