从建筑设计和检测的角度分析建筑外窗的耐火完整性

付 萍，邓小波，聂来聪

(1.济南市消防支队，山东 济南 250100；2.国家消防及阻燃产品质量监督检验中心(山东),山东 济南 250102)

1引言

近年来，由外墙保温材料引发的火灾频频发生，很多是外围护结构使用的有机类外墙保温材料燃烧，大火从窗户蔓延至室内引发室内可燃材料燃烧，造成重大的人员伤亡。

外墙外保温材料和建筑外窗同属建筑的外围护结构，如何确保建筑外围护结构在施工和使用过程中不发生火灾，或者即使发生火灾，也不会引发室内的可燃材料燃烧，GB 50016-2014 《建筑设计防火规范》6.7 及5.5.32条有明确的要求，归纳起来基本可以分为三类[1]：

一是建筑外墙采用保温材料与两侧墙体构成无空腔复合保温结构体时，当保温材料的燃烧性能为B1、B2级时，保温材料两侧的墙体应采用不燃材料且厚度不应小于50mm。即采用建筑结构一体化技术时，在保证保温材料两侧墙体厚度达到要求时，对建筑外窗的耐火完整性不作要求。

二是采用A级外墙保温材料的建筑，对建筑外窗的耐火完整性不作要求。

三是除采用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，建筑外墙上窗的耐火完整性不应低于0.5h。建筑高度大于54m的住宅，每户应有一个房间的外窗耐火完整性不宜低于1.0h。

除了建筑保温结构一体化的施工方法外，是否使用A级保温材料成为人们所关注的焦点。在无机外墙保温材料中，最常见的当属岩棉板和无极材料改性聚苯乙烯泡沫板，上述两类材料虽然可以达到A级，但各自弊端也非常明显。对于岩棉板而言，粘结强度较低、吸水性较强，吸水后增加外围护结构的重量，带来了安全隐患；无机材料改性聚苯乙烯泡沫板燃烧性能为A级时，容重和岩棉板相当，同时由于其导热系数较高，使用厚度通常在100mm以上，需要采用增加托架等特殊工艺，为外围护结构增加了重量。由于其存在较大的安全隐患，目前该类材料部分地区已经限制使用。

由此可见，对于住宅建筑而言，大部分住宅建筑需安装耐火完整性达到0.50h和1.00h的建筑外窗。正是上述原因，单片非隔热防火玻璃和具有耐火完整性要求的建筑外窗需求量剧增。

2 具有耐火完整性要求的建筑外窗和防火窗的区别

防火窗通常设在有采光要求的防火墙或防火隔墙上，有采光功能、抗风压、气密性和耐火性能的要求，但无水密性、保温性能和隔声性能的要求。GB 16809-2008《防火窗》中规定，该标准适用于建筑中具有采光功能的钢质防火窗、木质防火窗和钢木复合防火窗，建筑用其他防火窗可参考执行[2]。

具有耐火完整性要求的建筑外窗是在普通建筑外窗上增加了耐火完整性的要求，同时还需具备气密性、水密性、抗风压、保温性能以及隔声性能等要求，因此，用《防火窗》标准判定具有耐火完整性要求的建筑外窗存在一定的不合理性。

3 耐火完整性检验用设备及方法

在进行耐火性能测试中，《建筑设计防火规范》明确规定其耐火完整性测试方法，是按照GB/T 12513-2006《镶玻璃构件耐火试验方法》的要求进行，这与《防火窗》标准要求的检测方法一致。采用的检验试验设备为建筑构件垂直燃烧炉，如图1所示，满足GB/T 9978《建筑构件耐火试验方法》中的相关规定，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：T=345lg(8t+1)+20，式中t表示试验所进行的时间，单位为min，T表示升温到t时间时炉内平均温度，单位为℃。上述函数曲线为时间-温度标准曲线，如图2所示。

图1 建筑构件垂直燃烧炉

图2 标准温升曲线

4 具有耐火完整性要求的建筑外窗的常见结构的主要部件

具有耐火完整性要求的建筑外窗的主要部件和普通建筑外窗类似，主要由玻璃、型材、隔热及密封材料、五金配件、辅助配件等组成。

常见的玻璃结构多为中空玻璃，其中至少有一片防火玻璃，如5mm单片防火玻璃、6mm单片防火玻璃、夹胶防火玻璃(3+1+5)等，早期的结构中常见夹胶防火玻璃，但此类玻璃长期暴露在阳光下，容易产生发花、起雾的现象，截止到目前为止没有该类玻璃使用10年以上不影响透光率的案例，因此，该类结构的玻璃使用越来越少，其结构见图3。该类玻璃在遇火后，胶片膨胀成炭层，阻隔热量的传递，起到隔热性能，燃烧后现象见图4。

图3 夹胶防火玻璃

图4 夹胶防火玻璃燃烧后现象

型材主要有铝合金、断桥铝、塑钢、铝塑复合、实木等，由于不同型材的传热系数不同，其结构也不尽相同。普通的PVC窗型材(2-3腔)，其传热系数为(1.8～2.2)W/m2K，无断桥构造的铝合金型材，其传热系数为(5.5～5.9)W/m2K，有断桥构造的铝合金型材，其传热系数为(3.0～3.9)W/m2K。上述主要型材的熔点均不是很高，如铝合金熔点在620℃～650℃，在300℃左右即开始变形失去承载力，PVC型材熔点在170℃，遇火即发生熔化，因此，通常需要在型材腔体填充适当的隔热材料。

隔热材料主要用于填充型材的空腔，增强型材的隔热性。主要分为膨胀型和非膨胀型两种，对于隔热型膨胀材料，如膨胀石墨，在遇热后膨胀10倍以上，形成的炭层将腔体充满，同时又有较强的粘结性能，在正压作用下保持强度，起到防火隔热的作用，如图5所示；对于灌注料，多以硅酸盐水泥为基材，可以隔热并有效提高外窗的机械强度，但部分填充料具有腐蚀性且重量较重，因此需要做防腐处理，填充料如图6所示。只要填充适当的隔热材料，其耐火完整性均可达到0.5h甚至是1.0h。

图5 膨胀型隔热材料示意图

图6 无机填充料示意图

除了玻璃、型材和隔热材料外，密封材料、玻璃托架及玻璃垫片对有耐火完整性要求的建筑外窗是不可或缺的，密封材料膨胀可以填充窗扇和窗框的缝隙，阻止火焰和烟气的蔓延；玻璃托架能够防止防火玻璃在高温下变形脱落；玻璃垫片可以防止玻璃在遇火状态下棱边与型材接触受力，降低玻璃爆裂的风险。

5 常见不合格现象

建筑外窗是由玻璃、型材、隔热材料、密封材料、玻璃托架、垫片、密封胶、五金件及其它材料构成的一个整体，只要有一个部位出现问题，都会影响整体的耐火完整性，下面重点介绍几种不合格现象及原因。

5.1防火玻璃出现问题

玻璃是建筑外窗最重要的结构之一，从检验统计结果看，约有70%左右的不合格现象发生在玻璃上。目前，使用在建筑外窗的防火玻璃多为5mm或6mm的单片非隔热防火玻璃，这类玻璃是由普通玻璃通过离子置换或者覆膜等钢化工艺生产出来的，本身有一定的自爆率，如果工艺不完善的话，很可能出现爆裂的现象，如图7所示。此外，防火玻璃在复合中空玻璃的位置也很重要，较好的安装方式为普通钢化玻璃在向火面，防火玻璃在背火面，该类结构的复合玻璃耐火完整性可高达1.0h；如果防火玻璃直接暴露在向火面，没有经过预热过程，直接加热，其耐火完整性将出现降低的现象，甚至达不到0.5h，如图8所示。

图7 防火玻璃爆裂

图8 防火玻璃位置安装不正确

5.2型材隔热材料处理不当

上文提过，无论是铝合金型材还是塑料型材，由于其熔点均较低(耐火完整性试验0.5h的温度达到842℃,1.0h的温度达到945℃)，因此，如果试验过程中，型材出现问题，很可能是隔热处理不到位或者采取过多的隔热处理措施。如果隔热处理不到位，型材向火面燃烧后，背火面也受热软化，出现缝隙后遇空气燃烧，这类现象多见于塑料窗，不合格现象[3]见图9；但如果型材腔体中的膨胀材料填充过于密实，膨胀材料在急剧膨胀时造成炸膛现象，对型材和玻璃棱边产生影响，导致玻璃破裂，如图10所示。

图9 塑料型材隔热处理不到位

图10 型材腔体填充过多隔热材料造成炸膛现象

5.3 密封材料处理不当

密封材料包括隔热密封条、密封胶和填充在玻璃和型材间的无机防火棉条等，在试验进行一段时间后，向火面型材熔融或者燃烧后，隔热材料和密封材料没有起到充分的作用，如果填充在玻璃和型材间的无机防火棉条填充不密实，当背火面型材和玻璃产生空隙时，有可能造成密封材料燃烧，这种现象一般产生于试验后期温度较高的阶段，不合格现象见图11，图12为送检样品粘贴过多的密封条。

图11 密封材料处理不当燃烧

图12 粘贴过多的密封胶条

5.4 五金件锁闭点位不足和玻璃托架设置不当

型材在高温下熔融或软化后，失去部分承载力，如果锁闭点位置仅仅在型材上，试验过程中由于正压的影响，有可能造成锁点开启的现象，失去耐火完整性，不合格现象见图13；试验过程中，向火面型材失去承载力后，无法对玻璃进行有效支撑，在型材或玻璃达到软化点后，失去支撑的玻璃会发生软化甚至脱落等现象，不合格现象见图14。

图13 锁闭点位不足

图14 玻璃缺少支撑托架

6 建议

具有耐火完整性要求的建筑外窗是近几年兴起的，产品相对来讲还不是很成熟，相关标准规范和图集不是很全，但无机类外墙保温材料有其不可弥补的缺点，因此，只要有耐火完整性要求的建筑外窗工艺合理、质量可靠、价格适中，该类外窗和有机类外墙保温材料的外围护体系一定是今后外围护结构的首选。下面对该类建筑外窗的制作过程提出建议：

6.1受生产工艺所限，目前国内生产的5mm或者6mm单片防火玻璃，仍不能保证100%合格，因此，需进一步加强单片隔热防火玻璃的研制。另外，在安装复合防火玻璃时，注意防火玻璃的安装位置，如果玻璃装反，则可能影响窗户整体的耐火完整性。

6.2型材和隔热材料的处理要到位，如果采用膨胀型的隔热材料，使用部位和使用数量直接决定了隔热材料在膨胀后的隔热性能，只有膨胀倍数适中，同时又有较强的粘结性能，在正压作用下不裂不散。

6.3除了玻璃和隔热材料外，选择适当的玻璃垫片、五金件、玻璃托架、密封材料等均会对耐火性能产生影响，需要不断探索和试验。

6.4铝合金型材处理好，其窗户耐火完整性可达到1.0h，塑料窗由于受材质所限，较难达到1.0h，建议可进行0.5h耐火完整性的试验。