酚醛泡沫铝单板幕墙保温系统防火性能研究.doc
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2、被一次又一次的火灾证明了。随着建筑节能的全面推进,建筑节能的防火问题也越来越严峻。在央视大楼的出现火灾后,国家机关以强制性的要求以公安部、住房和城乡建设部发来珠啼悠酮灼本泣蓟灵惑嘿狭撼坤驰歇藐瓮奏蚜戍唤豫谩霹青揭致茁玲奏懊鳃殃佛讳争妇枷炼糖卯爱晰亚泌函菌征塌搞秀鼠团架蚕盏渍跪教肤蛛结玛歉颗衔剥汝茂磕沙尽师堕抬欠慰微军利效惯怂庚兹静察鸿亮芭软啪险提关烈褪普蔗嫉页虾唐符猖恰郑浸砒耶脱推梆论光墟标湃惫绕捐确叭柒持啊邪昧履厚照堂凤直螟只继吸有抠婚泥遂阵徊洲拌马备舶僚钒如肆垦龙综瓢堡四元咏纸褐做辙炼鄂坡厨醋藐廷肆方牺凄郝聂芳芦旧齐溺泥青骤豪醛弃渗库幅抽朱苦蛾隆弗跟镊研泰彪流颓椒视娃管隋香击谋挤粗于零丑砖
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4、综主痉陋朵耻郭蝶宴酚醛泡沫铝单板幕墙保温系统防火性能研究外墙保温已成为引发建筑火灾的一个重要原因,这个已经被一次又一次的火灾证明了。随着建筑节能的全面推进,建筑节能的防火问题也越来越严峻。在央视大楼的出现火灾后,国家机关以强制性的要求以公安部、住房和城乡建设部发布第46号文件,关于外墙保温防火的强制性要求,文件要求住宅或公建建筑高于50米至100米的,保温材料防火性能必须达到A级,这对我国的建筑节能市场将会是一个不小的冲击,同时如何应对建筑节能的防火性问题也将是一个挑战。民用建筑外保温系统及外墙装饰防火规定200946号文件序号非幕墙建筑民用建筑幕墙建筑124米B2级24米B2级24米A级22
5、4米60米B1级24米50米B1或A级360米100米B2级50米A级4100 A级我国目前外墙保温所用的保温材料主要是:EPS、XPS、PU等有机材料,岩棉、玻化微珠等无机材料。这些材料普遍存在节能与防火不能兼顾的缺点。有机材料耐热差、易燃烧,而且在燃烧时释放大量热量、产生大量有毒烟气,不仅会加速大火蔓延、而且容易造成被困人员及救援人员伤亡;无机材料则存在粉尘和细小纤维,既污染空气又易滋生细菌,早已成为危害人们健康的隐患,而且保温隔热性能有限,应用范围受到限制。用于聚苯乙烯泡沫和聚氨酯泡沫都易燃,不耐高温,在一些工业发达国家中正受到消防部门的限制使用,对防火要求严格的场所,政府部门已有明文规
6、定只能用酚醛泡沫及其夹芯板。因而,酚醛泡沫保温材料是更适合于有苛刻要求的环境条件下使用的高性能材料,有着良好的发展前景。酚醛泡沫(Phenolic Foam,简称PF)是新型有机高分子保温材料,被誉为保温之王。酚醛泡沫不仅导热系数低、保温性能好,还具有难燃、热稳定性好、质轻、低烟、低毒、耐热、力学强度高、隔音、抗化学腐蚀能力强等多项优点,酚醛泡沫塑料原料来源丰富,价格低廉,而且生产加工简单,它可以现场浇注发泡、可模制、也可机械加工,可制成板材、管壳及各种异型产品。它克服了传统泡沫塑料型有机高分子保温材料易燃、多烟有毒、遇热变形等缺点,保留了传统泡沫塑料型保温材料质轻、施工方便等特点。由于其本身
7、特殊的结构特点所决定:酚醛树脂分子主链上含有大量的芳基,热解残碳量高,燃烧的炭化层迅速覆盖在燃烧着的复合物表面,从而使火焰熄灭。酚醛树脂所具有的这些优良性能,为将它用于外墙外保温防火保温材料提供了可能性。1、酚醛泡沫优异的防火性能酚醛泡沫无需加入任何阻燃剂,氧指数即可高达40,属B1级难燃材料。添加无机填料的高密度酚醛泡沫塑料氧指数可达6070,燃烧等级可达到A级,酚醛树脂分子结构中碳原子比例高,苯酚分子是良好的自由基吸收剂,在高温分解过程中,由断裂的甲撑桥生成的自由基迅速被苯酚分子吸收,组织反应继续进行,泡沫遇见火时表面能形成结构碳的石墨泡沫层,有效地保护了层内的泡沫结构,在材料一侧着火燃烧
8、时,另一侧的温度不会升得较高,也不扩散,当火焰撤除后,火自动熄灭。由于石墨层的存在,表面无滴落物、无卷曲、无熔化现象、不具有火焰传播性,燃烧时的最大烟密度(SDR)不超过5,酚醛分子中只有氢、碳和氧分子,在高温分解时,只能产生氢、碳和氧构成的产物,除少量CO外,没有任何其它有毒气体,所以发生火灾时也便于消防员救援。最终固化的酚醛泡沫具有包括数个苯酚环并有甲撑桥连接的结构,由热力学可知,甲撑桥是有机物连接中受温度影响最小最为稳定的连接之一,这使得酚醛泡沫具有优异的热稳定性,可在150长期使用,短时间耐热200。经测定酚醛泡沫在1000火焰温度下,抗火焰能力可达120分钟,因此在耐火板材中得到应用
9、,可制成酚醛泡沫防火墙。利用酚醛泡沫塑料的绝热、抗化学腐蚀性制成的保温材料,广泛用于石油化工、食品、交通运输、宾馆、公寓、医院等高级建筑物的外墙外保温板等行业,节能效果极其明显。2、外墙外保温系统的构造防火研究外墙外保温系统是否具有防火安全性,要考虑点火性和传播性两个方面的问题。点火性是指在火源或火种的条件下,系统是否能够被点燃或引起燃烧的产生,即系统自身的燃烧性能要求。传播性是指当有燃烧或火灾时,系统是否具有传播火焰的能力,即系统对外部火源攻击的抵抗力或抗火性能要求。从防火安全性的角度来看,外保温系统大致分为两类:一类是采用不燃保温材料的外保温系统,系统自身构造具有良好的防火安全性能;另一类
10、是采用有机高分子保温材料的外保温系统,系统自身构造不能完全满足防火安全性要求,或具有较大的火灾危险性,应采取有效的防火构造措施。当外保温系统的保温材料采用不燃性材料或不具有传播火焰的难燃性材料时,外保温系统几乎不存在防火安全性问题。但是,在中国目前的技术条件下,聚苯乙烯泡沫(EPS、XPS)聚氨酯泡沫(PU)等可燃有机高分子保温材料在建筑外保温系统中的使用最为广泛,这是产生外保温系统防火安全性问题的起因,而随着节能标准逐步提高,胶粉聚苯颗粒、膨胀珍珠岩等浆料保温材料因为其导热系数高,无法满足较高节能标准,逐渐被限制和禁止使用。自2005年至今,因为保温材料引发的火灾越来越多,2009年比较典型
11、的火灾有央视新址园区在建的文化中心楼、中央美院宿舍楼、中国科技馆新馆、济南全运会场馆火灾、南京中环国际大厦又是一场大火等。面对外墙外保温材料引发火灾事故的严酷现实,市场对提高保温材料防火性能的呼声也越来越高。触目惊心的火灾案例给我们以足够的警示,因此,高层建筑的外保温防火安全性问题必须提上日程。2.1外墙外保温防火技术现状2007年由北京振利高新技术有限公司、中国建筑科学研究院防火研究所、北京六建公司、清华大学、北京建筑设计标准院、建设部发展促进中心、中国建筑材料科学研究院、北京市消防产品质量监督监测站八家单位共同完成了目前全国唯一一个国家科研成果外墙保温体系防火试验方法、防火等级评价标准及建
12、筑应用范围的技术研究,与2007年9月正式通过专家验收,并明确将外墙外保温系统防火试验方法、防火分级及适用高度列入标准。经建设部正式批准后成为建设部2006年科学技术项目计划研究开发项目编号:06-K5-35。在保温材料燃烧性能等级满足基本要求的条件下,以热释放速率峰值和火焰传播性的技术指标对外保温系统整体构造的防火性能进行分级(热释放速率峰值和总放热量是评价外保温系统抗火能力的关键技术指标,与其火焰传播性具有一定的内在对应关系。从本质上讲,热释放速率的大小与保护层的厚度直接相关,而保护层厚度是影响外保温防火性能的关键要素之一,因此,热释放速率峰值是评价外保温系统整体防火安全性能的主要技术参数
13、),并确定不同等级外保温系统的适用建筑高度,是解决我国外保温防火问题的必由之路。外保温系统防火等级划分是提高防火安全性的有效途径。表一非幕墙式居住建筑外墙外保温系统对火反应性能外保温系统防火级别对火反应性能热释放速率峰值(kW/m2)窗口火试验水平准位线温度()烧损面积(m2)J-5 T2200且T1300或T2300(当选用保温燃烧性能等级为A级时)5 J-10 T2200且T150010 J-25 T230020 J-100 T250040表二非幕墙式公共建筑外墙外保温系统对火反应性能外保温系统防火级别对火反应性能热释放速率峰值(kW/m2)窗口火试验墙角火试验水平准位线温度()烧损面积(
14、m2)横向火焰传播距离烧损面积(m2)G-5 T2200且T1300或T2300(当选用保温燃烧性能等级为A级时)51.5210 G-10 T2200且T1500103.0420 G-25 T2300205.4940表三幕墙式建筑外墙外保温系统对火反应性能要求外保温系统防火级别对火反应性能热释放速率峰值(kW/m2)窗口火试验墙角火试验水平准位线温度()烧损面积(m2)横向火焰传播距离烧损面积(m2)M-5 T2200且T1300或T2300(当选用保温燃烧性能等级为A级时)51.5210 M-10 T2200且T1500103.0420 2.2外保温系统防火试验方法对外保温系统进行防火安全性
15、能评价是以试验为基础的,试验方法所采用的试验模型应能够表征系统在实际火灾中的状态,试验结果应客观地反映外保温系统的防火安全性能。只有选择正确的试验方法,才能客观、科学地评价外保温系统防火安全性能。从试样尺度划分试验方法的类别,包括小尺寸试件试验、中尺寸试件试验和大尺寸模型火试验。表四外保温系统的防火安全性试验方法表不同比例模型火试验试验方法试验核心小比例的模型火试验锥型量热计试验ISO5660针对局部构造或单一材料可燃性试验GB/T8626针对单一材料氧指数试验GB/T2406针对单一材料泡沫垂直燃烧GB/T8333针对单一材料中比例的模型火试验SBI试验EN13823针对局部构造或单一材料燃
16、烧竖炉试验GB/T8625针对局部构造或单一材料大比例的模型火试验墙角火试验UL1040针对整个构造系统窗口火试验BS 8414-1针对整个构造系统2.3外墙外保温防火构造三种形式热量传递的三种基本方式:热辐射、热传导、热对流;与外保温系统整体防火构造三种形式具有一定的内在对应关系:保护层:包括防护层和饰面层。防护层以抹面浆料为主,其厚度和质量稳定性,决定系统层面构造的抗火能力。不同的保护层材质和构造,不同的施工质量,其抗火能力是不同的。防火保护层的存在能有效减少热释放速率峰值,并改善火焰传播性,提高系统防火等级。防火分隔:系统防火分隔构造或分仓构造的存在,能够有效地阻止火焰的蔓延。防火分隔包
17、括建筑层的防火隔离带、门窗洞口的隔火构造、系统自身的分仓构造等。作为防火隔离带和挡火梁的保温材料,要求在火灾条件下,具有阻隔火焰和热量传播的能力,并在高温火焰条件下仍具有良好的尺寸稳定性。空腔构造:空腔构造的存在可能为系统中保温材料的燃烧及火焰的蔓延提供充足的氧。外保温系统中贯通的空腔构造和封闭的空腔构造对系统的防火安全性能的影响程度是不同的。特别指出的是,在火灾条件下,由于系统中热塑性保温材料受火后的收缩、熔化甚至燃烧,可能导致空腔的形成或封闭空腔的贯通,有空腔的系统会有利于火焰传播,对系统的阻火性产生不利的影响。3、大尺寸模型火试验简介-窗口火试验BS 8414 3.1试验目的模拟外墙外保
18、温系统在窗口火试验下的受火状态,确定外墙外保温构造系统阻止火焰蔓延的能力,以及在火作用下构造系统中保温材料的破损状态。3.2试验依据英国BS 8414-1:2002 Fire Performance of External Cladding Systems Part 1:Test method for Non Load Bearing External Cladding Systems Applied to the Face of the Building(外部包覆系统的防火性能-第1部分:建筑外部非承载包覆系统试验方法)。3.3试验模型(见图1所示)1试验装置应代表建筑的墙面,由砌筑体或砌筑
19、填充物构成,具有垂直的主试验墙和在其一面并与之成90角的回转墙(副墙),主墙应提供符合条件的燃烧室。试验设备应持久耐用,不影响试验进程,设备自身不要出现不适当的损坏和失真。2主试验墙垂直并至少高出燃烧室顶部6000mm,最小宽度为2600mm。3回转墙(副墙)垂直并与主试验墙高度相同,最小宽度为1500mm;副墙应与主墙垂直建造,距燃烧室开口边缘(25010)mm。4燃烧室位于主垂直试验墙的底部,火焰能够从其开口喷出。开口尺寸高为(2000100)mm、宽为(2000100)mm;燃烧室应至少4.275 m3,内部尺寸至少宽为1900 mm、深为1000mm、高为2250mm。将符合规定的合适
20、热源放置在燃烧室内。图1窗口火试验模型图图2-1测点位置示意图图2-2构造测温布点示意图3.4试验方案表五第1轮试验选用点框粘酚醛泡沫板薄抹灰铝单板幕墙系统窗口火试验窗的试验方案:基层墙体系统的基本构造构造示意图粘结层保温层抗裂防护层和饰面层砌体墙酚醛泡沫板粘结砂浆70mm厚酚醛泡沫板(600*1200)5mm抹面砂浆复合耐碱网布(用塑料锚栓与基层固定)2.5mm铝单板1系统用点框法粘贴,粘贴面积大于40%,保温板与基层墙体的粘贴(保温板之间相互贴实)有空腔构造,在非火灾条件下,空腔是不贯通的,系统无分仓防火构造。2试验模型墙体的边角部位玻璃纤维网格布翻包加强。系统内部未设置防火隔离带。3酚醛
21、泡沫板面抹5mm抗裂砂浆作防火保护层。表六第2轮试验选用胶粉聚苯颗粒贴砌酚醛泡沫板铝单板幕墙系统窗口火试验窗的试验方案:基层墙体系统的基本构造构造示意图粘结层保温层找平层饰面层砌体墙基层界面砂浆+15mm胶粉聚苯颗粒贴砌浆料经防火界面剂处理70mm酚醛泡沫板(600*400)20mm胶粉聚苯贴砌浆料找平层抹面砂浆复合耐碱网布+2.5mm铝单板饰面施工时每根龙骨后面的空腔用胶粉聚苯颗粒贴砌浆料封堵,窗口上檐20cm和侧边10cm均抹胶粉聚苯颗粒贴砌浆料做防火隔离带,饰面层统一做,墙体上下和侧边用铝单板全部覆盖3.5试验条件1试验开始时的环境温度应在(2015)的范围内,雾天或时间仓促时不能进行试
22、验,试验前任何方向的空气流速不得大于2 m/s。2试验火源:试验用火源为规则码放的方木条,码放后的尺寸为1.5 m1.0 m1.0 m。点火采用经石油溶剂油浸泡后的纤维板条,点燃堆积的木材(云杉、松木、杉木等)。3温度测点:根据BS 8414-1,水平线1、2分别设有8个测点,如上图2-1所示。对于每个测温点位置有3个热电偶,分别位于保温层中心(编号I)、保护层中心(编号M)、整体构造外部(编号E),如上图2-2所示。另外在燃烧室的窗口及内部分别设置了6个热电偶,环境设置了2个热电偶。温度测点总数为56个。4试验监测:试验过程中,除温度测点外,还从3个不同的方位对火源和墙体的受火面进行了摄像。
23、3.6试验结果1试验进程与观察现象点火开始后,数据采集与观测约40分钟。点框粘酚醛泡沫板薄抹灰铝单板幕墙系统(主墙龙骨处空腔厚度为11cm,副墙为17cm),燃烧10分钟时,部分酚醛泡沫板碳化,靠火焰部位酚醛泡沫板被阴燃,热对流通过龙骨空腔部位迅速向竖直方向上窜,空腔结构在受火攻击后很容易开裂,火焰直接攻击,火焰的温度很高(这是燃烧条件之一-达到有机物燃点),而空腔中有空气(这是燃烧条件之二-供氧),因此有机保温材料酚醛泡沫板就会燃烧。当空腔的空气受热迅速膨胀,在空腔中风速会很大,会增大热对流速度,导致有机保温材料温度上升快,到达着火点后燃烧。热量积聚到一定程度,致使铝板开始融化。对胶粉聚苯颗
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