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浅论当前我国外墙外保温防火安全体系的研究方向

2010-04-14 21:23:00 保护色:默认白 牵牛紫 苹果绿 沙漠黄 玫瑰红 字体:小字 中字 大字 点击数:0

  摘 要

  本文重点阐述我国当前外墙外保温防火安全体系的正确研究方向,应当将建筑科学中的防火构造研究同材料科学中有机保温材料接近火灾条件下燃烧性能的研究有机结合起来;同我国公安部根据消防科学研究和已颁布的有机保温材料必须达到消防法规标准研究结合起来;同环保科学中要求有机保温材料按环保法要求、朝无卤化低烟、低毒方向研究有机结合起来。我们认为将上述四大学科结合起来,才能把握外墙外保温防火安全体系研究的正确方向,任何偏离四大学科的研究,均具有相对局限性、片面性。

  关键词

  燃烧性能 耐火极限 耐火等级 防火等级 分级标准

  一、当前我国外墙外保温防火安全体系研究方向上的误区及其研究结论上存在某些片面性、局限性。

  1、 系统防火安全性应为外墙外保温技术的重要条件;

  2、 系统整体构造的防火性能是外保温防火安全的关键;

  3、 无空腔、防火隔断和防火保护面层是系统构造防火的三个关键要素;

  4、 大尺寸窗口火试验和锥型量热计试验是外墙外保温防火试验研究的重要方法;

  5、 对外保温系统进行防火等级的划分及规定适用建筑高度是提高防火安全性的有效途径。

  这5个研究结论,不仅是填补了我国外墙外保温体系防火安全研究领域中的一项空白,而且对我国当前外墙外保温工程领域具有广泛的应用价值及实际意义。

  但此5个研究结论是在3个前提条件下通过试验得出的。这3个前提条件是:①在外墙外保温系统整体防火构造(保护层、无空腔、防火隔断)确定的前提下;②选用接近火灾真实情况的大比例试验方法前提下;③在对有机保温材料没有进行燃烧性能系统研究并加以分级测定的前提下进行的。由于这5项研究结论缺少对有机保温材料(EPS、XPS、PU)燃烧性能系统研究数据和分级数据,因而造成了此项研究成果结论的某些片面性、局限性,并造成我国外墙外保温体系防火安全研究的一个误区:认为当前外墙外保温体系防火安全性研究的关键性问题是系统整体防火构造是否合理,而不是有机保温材料燃烧性能;认为外保温系统整体防火能力提升,主要是依靠外保温系统整体防火构造,而不是靠有机保温材料燃烧性能的提升;认为单纯的提高有机保温材料的阻燃性是一把双刃剑,它不仅带来工艺材料成本的提高,同时阻燃剂在燃烧过程中带来烟毒性,对人民的生命财产构成更大威胁,即使把有机保温材料提升到难燃级别,在火灾发生时,同样会剧烈燃烧。因而有机保温材料不能提升也不能代表整个外墙外保温体系防火安全性。

  由于这种片面的理论观点影响下,原来规定用在墙体上需要一定阻燃级别产品,现在可以降低阻燃级别,甚至可以不要阻燃。国内最明显的例子就是XPS制品,不要阻燃就可以大规模用于外墙保温,造成了我国当前建筑节能保温市场产品混乱,价格混乱,甚至对我国建筑领域中已颁布的一系列对有机保温材料防火阻燃强制性的消防法规不仅不去遵守,反而出现要求修改、降低标准的呼声越来越大。

  二、当前我国外墙外保温防火安全体系的研究,其关键性问题不仅是整体防火构造的研究,更重要的是要开展有机保温材料在接近火灾条件下燃烧性能研究。

  目前,国内对有机保温材料燃烧性能的研究,尙处在初级阶段,对有机保温材料的要求也仅仅停留在实验室小规模测定下的氧指数和可燃性试验(水平、垂直)指标,因而无法全面地评价有机保温材料(EPS、XPS、PU)燃烧性能。这种实验室的小规模测定,可从各种不同条件、各种不同角度制定各种不同测试方法,测出有机保温材料各种燃烧性能参数:点燃性、火灾蔓延性、可燃性、能量释放性、燃烧产物烟、毒性等。如果人们用这些特性参数,来预测有机保温材料在真实火灾中特性,不仅具有一定距离,而且会出现低估或错估了有机保温材料在实际使用过程中造成火灾的危险性。最明显的例子是PVC塑料,由于含氯量高达56%,氧指数可达42.5%,属难燃材料,但在真实建筑火灾中,受高温、高热辐射作用时,不仅剧烈燃烧,并进一步会释放大量的热和有毒Hcl气体,增大火灾程度和火灾危害,在国内已被PVC引发火灾的大量案例所证实。同样在目前国内,EPS泡沫正在大量用于外墙外保温体系中。EPS泡沫燃烧性,其氧指数达到30%,属难燃材料,但在实际使用中,由电焊作业引发EPS保温层燃烧的事故频频发生。由于XPS导热系数好,闭孔结构抗压强度好,所以,目前国内在外墙外保温工程中,正在大规模推广,并取代隔热性差的EPS材料。从国内质量监督检测报告看,XPS氧指数只有24.8%,易着火,但却能通过GB8625-2005中型比例燃烧竖炉试验及GB/T 20284-2006SBI級试验,达到难燃级防火性能。按旧的GB8624-1997分级标准,获得难燃B1級。按新的GB82624-2006分级标准获得难燃C级,取得C-S2do级燃烧性能等级标识。但实际使用过程中,同EPS一样,由于氧指数低,不阻燃,引发火灾事故,XPS比EPS更频繁。对燃烧性能较好的PU泡沫,在实际使用过程中,虽然氧指数达到26%甚至更高,火灾事故照样发生。

  从上述分析可看出,目前国内外从不同角度、不同规定出发,凡属中、小试验所得出有机保温材料燃烧特性参数,用来预测有机保温材料在真实火灾中燃烧特性往往具有一定距离。这是由于测定这些有机保温材料燃烧特性参数时,所规定的试验条件与真实火灾的环境条件相差甚远。因此,所测得的有机保温材料燃烧特性与其真实火灾中燃烧特性,无法从材料燃烧特性中正确预测其真实火灾燃烧特性。由于真实火灾条件及真实火灾的发展具有很大不确定性,因而真实火灾试验无法也很难去重复。要获得有机保温材料在真实火灾中燃烧特性参数,中小规模试验是无法获取的,只有从接近真实火灾大型试验中获取。从已取得薄沫灰防火构造EPS外墙外保温体系试验成果充分说明了这一点。

  当外墙外保温EPS体系确定采用薄沫灰防火构造方式,如采用中比例试验(SBI试验燃烧竖炉试验)可取得EPS薄沫灰复合结构材料燃烧性能,难燃、接近不燃级燃烧性能数据。如采用接近真实火灾条件大型试验(墙角火试验、窗口火试验),外墙外保温体系中EPS薄沫灰复合结构材料发生轰燃,说明在真实火灾中,EPS薄沫灰复合结构材料从难燃级变成了易燃级材料,这就是薄沫灰EPS复合结构材料在真实火灾中燃烧性能。因此,我们认为,在外墙外保温体系整体防火安全性关键,是在整体防火构造确定前提下,在外墙外保温体系测试方法确定为大型试验前提下,有机保温复合结构材料燃烧性能好坏是决定外墙外保温系统整体防火安全性的关键。因而我国外墙外保温体系整体防火安全性研究重点,应当在外墙外保温体系整体防火构造研究的基础上,进一步大力开展外墙外保温有机保温(EPS、XPS、PU)复合结构体系在接近火灾条件下燃烧性能研究。小比例锥型热计试验可用来研究外墙外保温体系中有机保温材料在接近火灾条件下燃烧特性,这是目前在试验室研究外墙外保温体系防火安全最有价值、最为科学的重要试验方法。

  三、防火构造的研究是替代不了材料燃烧性能的研究。当前我国外墙外保温体系防火安全性正确研究方向应当将建筑科学中防火构造研究同材料科学研究进行有机结合,任何偏离两大学科的研究,均具有相对局限性和片面性。
我们认为,从建筑科学中采用防火构造办法解决了外墙外保温体系整体防火安全性问题,在建筑上具有广泛的现实意义,但此项研究结论不能替代引发外墙外保温复合结构体系中占到80%以上体积的有机保温材料(EPS、XPS、PU)防火安全性的全部研究。采用防火构造办法,在易燃有机保温层加上不燃保护层,解决了有机保温材料燃烧性能中易燃被 点燃从而引发火灾事故的缺陷。在外墙外保温系统中采用防火隔离、无空腔等做法,解决了有机保温材料燃烧特性中火焰易被传播、易扩散的缺陷,从而避免了由易燃有机保温材料引发火焰扩散、传播所引发的火灾事故。但防火构造的研究解决不了有机保温材料复合在墙体结构上的耐温性、耐燃性研究,解决不了有机保温材料释放火灾中头号杀手烟毒气的研究,解决不了热塑性有机保温材料EPS、XPS在燃烧过程中自身产生熔融、滴落等等问题。这些有机保温材料自身特有的燃烧性能,是造成外墙外保温系统中整体防火安全性差的主要根源。只有从高分子材料科学上通过引入难燃结构对易燃有机分子结构进行改性研究,从分子结构本质上提升其防火性能。

  20多年PU应用实验经验告诉我们,按照目前传统的运用添加高效阻燃剂阻燃化技术,来攻关解决PU泡沫塑料的防火阻燃问题,以达到我国颁布的一系列PU防火安全国家标准,这似乎是不可能的。经过20多年攻关研究,已找到使原易燃的PU泡沫达到氧指数高、火焰传播性小,烟雾小、毒性小、耐燃性好,火焰贯穿强的难燃化技术路线。核心技术是采用化学结构改性技术,选用目前国际先进的无卤化、结碳膨胀性阻燃化技术路线。

  其主要技术创新点为:

  在PU易燃的氨基甲酸酯分子结构中,引入难燃、耐温、低发烟、低毒性的环状结构化合物(异氰脲酸环、哑唑烷酮、芳香族环、碳化亚二胺键),或引入具有难燃结构聚合物纳米颗粒。这样一方面大大提高了泡沫阻燃性、耐温性,同时大大地降低泡沫释放烟雾毒性的难题。

  没有经过化学结构改性的PU泡沫,其氧指数在17-18%,它的闪点和自燃点分别为310oC和415o,C,在空气中极易燃烧。在200oC至250oC,就开始逸出挥发物,释放有毒气体,并开始进行热分解反应,放出大量有毒气体及烟尘。

  经过化学结构改性的采用上述难燃化技术路线PU泡沫,温度即使达到400oC时,几乎无挥发物逸出。在高温下,泡沫在燃烧过程中,首先在PU泡沫表面生成具有焦碳皮结构的发泡阻隔层,此阻隔层起到了大大減少泡沫燃烧过程中产生的烟雾和毒性气体的作用。

  这一发泡阻燃层,主要产生下述的几种功能:

  1、具有隔热功能,能防止提供继续燃烧的热量传递;

  2、具有隔气功能,一方面阻止对PU泡沫继续供氧,另一方面阻止PU泡沫继续燃烧;

  3、具有吸附PU燃烧产生热熔融滴落物,防止二次起火。

  这一发泡阻燃层起到的三重作用,达到防火、阻燃功能,起到了在火灾发生时的真正防火功能。

  在这20多年内,研制PU泡沫,采用上述难燃化技术路线,攻克了PU泡沫耐燃、耐温中一系列技术难关,其技术指标可达到目前PU在国际上也难以达到的下列一系列难燃、耐温高指标:

  1、使PU耐温性从120oC提高到150oC,甚至达到170oC;

  2、使PU由氧指数17-18%提高到30%以上,甚至高达35%;

  3、使PU泡沫由原来烟雾大的状况大大降低,可使烟雾密度等级分别达到SDR≤75、SDR≤50、SDR≤30;;

  4、使PU泡沫由原来无火焰贯穿能力,达到耐半小时甚至高达一小时。
20多年来,已积累PU防火应用研究和实践的经验,表明目前中国建筑节能保温材料中,急需攻关的具有抗火灾功能的新型PU泡沫材料是能搞出来的。PU泡沫采用研制的化学结构改性技术,走无卤化、结碳膨胀型难燃化技术路线是能够研制出来的。

  但是,有机保温材料毕竟是一个易燃材料,用分子结构改进,加入阻燃剂等有效办法,只能提高有机保温材料阻燃等级,延缓、减少火灾发生几率,不能完全消除发生火灾的危险。所以,单纯依靠有机材料保温材料防火性能的提升,以此来建立外墙外保温防火安全体系,不仅不科学,而且也是片面的。因此,必须同建筑科学中防火构造体系有机结合起来,将有机保温材料的防火性能提升同有机保温材料在防火构造中所形成的复合结构体系防火性能的提升有机结合起来,才能真正建立外墙外保温防火安全体系,任何偏离两大学科的研究,其结论都具有片面性。

  四、当前我国外墙外保温防火安全体系的研究,其中有机保温材料燃烧特性研究必须按我国已颁布的消防法规标准进行。首先取得有机保温材料燃烧性能分级的数据,以及按耐火极限(h)数据取得耐火等级分级的数据,然后再按外墙外保温体系在一定的防火构造条件下进行大型防火安全试验,取得接近火灾中有机保温材料燃烧性能数据,按此方法程序得出研究结论才具有真正的推广应用价值。

  首先,应当对外墙外保温体系中占到80%以上体积的有机保温材料燃烧性能作出全面研究,按我国已颁布的消防法规进行评估、评价,并进行分级。外墙外保温体系防火安全性研究,应首先采用其燃烧特性已通过我国颁布的消防法规测试研究过的有机保温材料。我们认为,按此研究方向得出研究结论,对工程应用才具有广泛的实际意义。离开了我国消防法规来研究有机保温材料燃烧特性,容易造成阻燃有机保温材料产品混乱,不易规范市场。离开了我国消防法规来研究外墙外保温体系防火安全性,工程应用会出现难以贯彻的局面。

  目前,我国颁布的消防法规有下述两种类型:

  第一种类型属强制性的,同建筑节能外保温有关的有三个:

  ⑴GB50016-2006建筑设计防火规范(简称“低规”)

  ⑵GB50045-95高层民用建筑设计防火规范(简称“高规”)

  ⑶GB20286-2006公共场所阻燃制品及组件燃烧性能要求和标识。

  第二种类型属非强制性的燃烧性能等级标识。有新老两种:

  老的标准:GB8624—1997

  新的标准:GB8624—2006

  建筑材料及制品燃烧性能分级:

  我国新颁布的GB8624-2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》标准,是目前世界上最为科学、最为合理、同国际先进标准直接接轨的国家标准。
我国已颁布的GB8624-1997国家标准,虽其指标是目前世界最高、最为苛刻的,但其采用试验方法大多数是小尺寸试验,其火焰传播特性:水平燃烧法、垂直燃烧法,均采用单火焰点火方式,装置小巧简单,根本难以准确预测PU泡沫材料在真实实际火灾条件下的燃烧特性。尤其是氧指数法,其试验方法是采用长条状的试验样树立在氧氮气流中。点火方法是从试样顶端点火,火焰向下蔓延,这与实际火灾中的火焰传播方式不同,并且在实际火灾中的PU泡沫材料不是在富氧情况下燃烧,而是在氧气浓度越来越低情况下燃烧。烟密度测定只是累计数,也无法测定在真实火灾中PU泡沫烟毒气释放速率。因而旧的GB8624-1997标准体系很难真实地反映PU泡沫材料在实际火灾场景下的燃烧特性。旧的GB8624-1997标准体系是非等同采用德国工业标准DIN4102-81第一部分,主要是针对发生火灾时,材料表面的火焰传播和蔓延。随着火灾科学和消防工程科学领域研究不断深入和发展,对燃烧特性的内涵也从单纯的火焰传播和蔓延,扩展到材料在真实火灾中实际燃烧特性参数:燃烧热释放量(热值)、燃烧热释放速率、烟密度(SDR)、烟气生成速率、燃烧产物烟气毒性,以及火焰传播等。

  新的GB8624-2006分级体系是完全参照欧盟EN13501-1:2002标准,它有规定其试验方法及等级标准。并对部分级别另规定了附加燃烧生成物的毒性试验要求。新的分级体系是基于材料在真实火灾场景中的燃烧特性的一套评价体系,试验的设计和数据的采集是建立在火灾基础理论之上的,并以实际火灾为参考场景。新的分级体系以墙角实体试验(ISO-9705)为参考场景。主要采用ISO-1182不燃性试验(SBI)。ISO-9239铺地材料燃烧性能测定——辐射热源法试验,以及CA.132-1996规定的毒性试验,用于对材料产烟毒性评价,火灾场景毒性评价以及由成分分析结果推测烟气毒性危险等。通过上述一系列测试标准,以实体火灾为参考场景,可测得一系列与潜在火灾危险性相关参数:燃烧热释放速率、产烟量、产烟速率、烟气毒性、火焰传播等多项参数。用这些参数可以全面地、系统地、描述火灾发生的三个阶段的三个火灾情景。第一阶段:是指制品被新燃的着火阶段,即用小火焰施加于制品的局部区域;第二阶段:是指火灾逐步增长发展直至轰燃阶段;第三阶段:轰燃后,所有可燃制品成了火灾荷载。用这些参数可将建筑材料分为A1、A2、B、C、D、E和F七个级别。因此新的分级体系中的试验方法对材料的燃烧性更为科学、更为合理。新的GB8624-2006国家标准中,规定了一些试验方法的考虑,要有实际火灾场景,又考虑材料的最终用途。也就是PU泡沫在不同建筑和建筑物的不同部位使用时,其火灾危险性是不一样的。

  因此,我国新颁布的GB8624-2006国家标准是目前世界上最为科学、最为合理,同国际先进标准直接接轨的国家标准。此标准一方面能正确评价有机泡沫塑料在真正火灾中,真正地燃烧性能,同时也能预测有机泡沫在火灾中危险程度,从而找到如何正确、安全使用这种易燃有机泡沫塑料的合理科学根据。

  外墙外保温体系是复合在结构墙体外侧的保温装饰系统,可视作为墙体构件,是墙体的一部分,是属外墙外保温有机保温(EPS、XPS、PU)复合材料。其燃烧性能,应按“高规”、 “低规”2个防火设计规范中各类建筑构件的燃烧性能和耐火极限执行。

  五、当前我国外墙外保温体系中有机保温材料研究方向应当突出有机保温材料在外墙复合结构状态下的耐温性、耐燃性及其结构稳定性方向的研究,并按绿色的环保要求开展无卤化、低烟、低毒方向研究。只有对有机保温材料按环保法的研究要求,才能全面阐明我国当前外墙外保温安全防火体系正确研究方向。应当将建筑科学、材料科学、消防科学和环保科学四大学科有机结合起来。任何偏离四大学科的研究,均具有相对的片面性和局限性。

  在外墙外保温系统中,有机保温材料在里层是复合在结构墙体外侧,在外层同抹面砂桨类保护层复合在一起,因而有机保温材料在外墙结构中是以复合结构体存在。因而有机保温材料本身燃烧性能和耐火极限无论是抵抗相邻建筑火灾侵害,还是阻止本身建筑火势进一步蔓延都是很重要的问题。由于有机保温材料体积在复合结构体中要占到80%以上,因而作为外墙体一部分,在研究外墙外保温体系防火安全性时,必须考虑在真实火灾发生时,有机保温材料必须要具有对热稳定性,在对热反应过程中,有机保温材料强度不能降低太多。体积重量不能损失降低太多。从宏观上要求在火灾情况下,面层无爆裂、结构无塌落。EPS、XPS这一类热塑性保温材料耐温性极差,在800C以上,就发生强度下降变软,进一步就会融化、滴落,这种材料应用在外墙上是很危险的。上述对有机保温材料应用在外墙防火安全性提出要有特殊耐温、耐燃性,强度热稳定性能好的要求。这是属于材料科学研究范畴,建筑科学中用防火构造是无法解决也无法取代的。

  六、结束语

  中国建筑规模世界第一,中国建筑结构体系不同于国外建筑。目前中国外墙外保温防火安全体系研究工作还刚刚开始。中国政府坚持科学发展观、以人为本,从国家和人民利益高于一切的原则出发,颁布了一系列始终要高于国外标准的公安消防法规,并推出强制执行的“问责制”制度。中国绿色环保政策、法规的出台,给中国人民在公共场所活动和居住防火安全带来福祉,也为建立具有中国特色的具有自主知识产权的中国式外墙外保温安全体系,创造了一个发展平台和机遇。我们愿以自己领先的科研优势和成果与有远见的中国企业家共襄大业,为中国建筑节能环保防火安全事业作出贡献!

文章来源:上海精洽科贸有限公司教授级高级工程师-杨宗焜

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