2硬泡聚氨酯外保温防火报告.docx
- 文档编号:10747597
- 上传时间:2023-05-27
- 格式:DOCX
- 页数:18
- 大小:431.89KB
2硬泡聚氨酯外保温防火报告.docx
《2硬泡聚氨酯外保温防火报告.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2硬泡聚氨酯外保温防火报告.docx(18页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
2硬泡聚氨酯外保温防火报告
硬泡聚氨酯外墙外保温系统
防火性能研究
FirePerformanceofExternalThermalInsulationSystemusingRigidPolyurethanefoam
季广其朱春玲
中国建筑科学研究院建筑防火研究所
JiGuangqiZhuChunling
BuildingFireInstitute,ChinaAcademyofBuildingResearch
从当今的技术发展水平和材料的保温效果来看,我国可用于建筑外墙保温工程的保温材料资源种类有限。
目前我国外墙外保温工程普遍使用可燃的聚苯乙烯泡沫和硬泡聚氨酯,均属有机保温材料,具有不同程度的可燃性,但目前还没有找到完全可以替代它们的材料。
实践证明,针对不同类型的外墙外保温系统,采取科学适度的防火构造措施,强调系统整体构造的防火安全,是解决我国建筑外墙外保温系统防火问题的有效途径。
1.保温材料的燃烧性能等级
根据GB8624–1997建筑材料的燃烧性能等级划分,保温材料的燃烧性能等级被划分为A(不燃)、B1(难燃)、B2(可燃)、B3(易燃),参见表1。
保温材料的防火性能或阻燃能力是客观存在的,而其所属的级别是根据人为划定的分级判定指标划分的。
不同等级的保温材料具有不同的防火性能或阻燃能力。
即使属于同一等级的保温材料,由于内在理化性能、加工方法的不同,其防火性能或阻燃能力也可能存在较大的差异。
在无机类保温材料中,岩棉、玻璃棉虽然也属于A级材料,但如果将其加工成满足外墙外保温系统工程要求的制品,就需采用有机类胶粘剂,从而导致岩棉、玻璃棉制品的燃烧性能达不到A级要求。
胶粉聚苯颗粒保温浆料属于有机无机复合保温材料,其所属的级别取决于浆料中聚苯颗粒的含量,根据试验结果,介于A级和B1级之间。
传统的酚醛泡沫,防火性能好,属于B1级,但其它理化性能不能完全满足外墙外保温的要求,因此近年来从技术上对其进行了改性,而改性后的酚醛泡沫,其燃烧性能等级是否维持在B1级的范围,取决于改性技术和改性程度。
对于硬泡聚氨酯、EPS、XPS等常用保温材料,从目前的试验结果来看,使其达到B1级在技术上是可能的,但也只是处于刚好达到B1级的水平,问题是B1级的产品是否还能满足外墙外保温的所有技术要求。
在实际工程中,对这三种保温材料的基本要求是B2级。
目前我们面临的最大问题是很多B3级的产品在市场上销售、在工程中使用,客观上,这三种保温材料的燃烧性能介于B1和B3级之间。
表1保温材料燃烧性能等级
A级
B1级
B2级
B3级
无机保温浆料
岩棉
玻璃棉
胶粉聚苯颗粒保温浆料
热固:
酚醛
热固:
硬泡聚氨酯
热塑:
EPS
热塑:
XPS
目前我国的外墙外保温系统主要采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬泡聚氨酯,从材料本身的燃烧性能来讲,存在着一定的防火安全隐患。
但从综合性能而言,目前还没有找到完全可以替代它们的材料,今后很长的一段时期内聚苯乙烯泡沫塑料、硬泡聚氨酯仍将作为我国保温材料的主体使用。
因此,如果单从保温材料自身的燃烧性能来考虑建筑外墙外保温系统整体的防火安全,带有一定的局限性,不符合我国的国情。
建筑外墙外保温系统整体的防火安全,需要从外墙外保温系统的防火构造来考虑。
2.外墙外保温系统的防火构造
外墙外保温系统是附着在建筑外墙的非承重构造,由保温层、抹面层、固定材料(胶粘剂、锚固件等)和饰面层构成,采用可燃保温材料时的火灾风险是火焰传播。
具有不同构造的外保温系统,其防火安全性能等级是不同的。
就目前的技术水平而言,影响外保温系统防火安全性能的构造型式有三种:
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,对系统层面构造的抗火能力起着决定性作用。
不同的防护层材质和构造,不同的施工质量,其抗火能力是不同的。
饰面层以饰面涂料和面砖为主。
当饰面层采用饰面涂料且其厚度不大于0.6mm或单位面积质量不大于300g/m2时,可不考虑饰面涂料对基材燃烧特性的影响。
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。
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,热塑性保温材料,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,对系统的阻火性产生不利的影响。
图1外墙外保温系统受火状态示意图
只有保温层与保护层整体的对火反应性能良好,系统的构造方式合理,才能保证建筑外保温系统的防火安全性能满足要求。
如何使外保温系统的整体对火反应性能满足要求,对工程应用才具有广泛的实际意义。
2.1外墙外保温系统受火状态
外墙外保温系统的受火状态,参见图1。
<1>火灾发生后,火焰从窗口或洞口溢出。
<2>窗口或洞口上方直接受火的外保温系统,自表及里受到热辐射、热传导、热对流的综合作用。
<3>窗口或洞口上方或下方未直接受火的外保温系统,自表及里主要受到热辐射、热传导的综合作用。
<4>系统内的空气受热膨胀,达到一定温度后,开始产生热解气体,压力过高时,受热气体溢出保护面层。
系统保护面层的厚度影响系统内保温材料的受损状态和程度。
2.2采用热固性保温材料的外墙外保温系统受火状态特性
热固性保温材料(thermosettinginsulatingmaterials):
遇火表面形成炭化层、不熔化,无燃烧滴落物的保温材料。
采用热固性保温材料的外墙外保温系统受火状态,参见图2。
实际照片
图2采用热固性保温材料的外墙外保温系统受火状态
采用热固性保温材料的系统受火后,直接受火区域的保护层被烧损开裂后,保温材料燃烧、炭化,炭化体具有一定的阻火作用,随着系统烧损面积的增加,能够阻火的炭化体面积随之相应增加。
临近直接受火区域的保温材料,受到高温火的热作用,未完全燃烧,在系统保温层内形成轻度炭化过渡区。
而远离直接受火区域的保温材料,由于直接受火区域保温材料燃烧形成的炭化层的阻火隔热作用,不会出现明显的理化性能改变,基本是完好的。
由于在受火状态下热固性保温材料炭化层的存在,保证了直接受火区域系统保护面层的相对稳定和远离直接受火区域保护面层的稳定,因而保证了系统整体在实际火灾中不具有火焰传播性。
2.3采用热塑性保温材料的外墙外保温系统受火状态特性
热塑性保温材料(thermoplasticinsulatingmaterials):
遇火熔化、熔融,有燃烧滴落物产生的保温材料。
采用热塑性保温材料的外墙外保温系统受火状态,参见图3。
采用热塑性保温材料的系统受火后,直接受火区域的保温层收缩、熔化并附着在保护面层和基层墙体上。
由于保温材料的熔化收缩,使系统的保护面层悬空,易于失去稳定性,当保护面层被烧损开裂后,保温材料遇火燃烧,进而导致保温材料的熔化收缩向未直接受火区域扩展。
因此采用热塑性保温材料的系统传播火焰的风险较大。
系统保护层的厚度与稳固性以及贯通的空腔,直接影响火焰蔓延的速度和保温材料的烧损程度。
当设置合理的防火隔离带时,会阻止或减缓火焰沿系统自身的传播。
实际照片
图3采用热塑性保温材料的外墙外保温系统受火状态
3.提高外墙外保温系统防火性能的构造措施
不同的外墙外保温系统,具有不同的防火构造。
对于采用可燃保温材料且系统自身不具有阻止火焰传播能力的外保温系统,应根据系统的具体构造,相应采取科学适度有效的防火构造措施,改善或提高系统整体构造的防火安全性能,以期满足防火安全的要求。
外保温系统的防火构造措施可以是多种多样的。
对于在我国应用面最广泛的粘贴聚苯板薄抹灰外保温系统,通常要考虑的两个问题是:
火灾条件下维持系统稳固性的能力和系统阻止火焰传播的能力。
常见的措施包括:
<1>防火隔离带:
在建筑外墙外保温系统中,水平或垂直设置的能阻止火焰蔓延的带状防火构造。
<2>挡火梁:
一种门窗洞口的隔火隔离措施,与防火隔离带类似,环状设置在门窗洞口的四周、或水平设置在门窗洞口上边缘的带状防火构造。
当水平设置在门窗洞口上边缘时,应伸出门窗洞口竖向边缘一定的长度。
<3>为维持火灾条件下系统保护面层的稳固,保障系统不具有火焰传播性,可考虑使用金属固件。
防火隔离带的作用是阻止外保温系统内的火焰传播。
挡火梁的主要作用是阻止或减缓外部火焰对外保温系统内可燃保温材料的攻击。
这就要求防火隔离带和挡火梁在火灾条件下,能够维持自身阻火构造体的稳固存在以及维持系统保护面层的基本稳固。
例如EPS薄抹灰外保温系统的防火隔离带采用硬泡聚氨酯、酚醛泡沫作为保温层时,由于保温层与基层墙体是满粘贴的,在受火条件下,硬泡聚氨酯、酚醛泡沫产生的炭化层的体型能够保持基本的稳定状态并具有足够的阻火能力,从而保证防火隔离带整体阻火构造的基本稳定,同时也维持了EPS外保温系统保护面层的基本稳定,达到有效阻止火焰沿EPS薄抹灰外保温系统传播的目的。
玻璃棉虽然也属于不燃性保温材料,但玻璃棉受火后熔化,不能用于防火隔离带。
外保温系统防火构造措施的有效性,应以试验数据和试验结果为依据进行科学评价。
防火构造措施应作为外保温系统的组件,要充分考虑防火构造措施与原有外保温系统的性能一致性。
图4防火构造措施作用区域示意图
3.1防火构造措施要合理
外保温系统的火灾风险是火焰传播,对于不具有阻止火灾蔓延的外保温系统,采取防火构造措施是十分必要的,并且防火构造措施一定要合理,合理才能保证措施的有效性。
防火构造措施包括防火隔离带和“挡火梁”。
防火构造措施的作用有两个,一是阻止或减缓火源对直接受火区域外保温系统的攻击,更主要的是阻止火焰通过外保温系统自身的传播。
如图4所示。
防火隔离带阻止火焰传播的能力是相对有限的,有效阻火的前提是要求系统有基本的抗火能力或承受热辐射的能力,即系统要有基本厚度的保护面层,取决于保护面层内可燃保温材料的热值以及保护面层在火灾条件下的稳定性。
假设外保温系统没有保护面层,裸板上墙,即使设置了隔离带,也未必能阻止火焰的传播。
当外保温系统中可燃的保温层厚度较薄时,被点燃后放出的热量较少,所产生的火焰不足以攻破具有基本厚度的保护面层,火焰不会沿外保温系统自身传播。
因此,德国规定当EPS超过10cm时才设置防火隔离带。
抹灰层的施工质量非常重要。
火灾条件下,窗口部位的防火隔离带或挡火梁不会完全阻止火焰对外保温系统的攻击,窗口上部的受火区域为火源的直接受火区域,外保温系统受到来自窗口的火源的攻击。
外保温系统自身被引燃后产生的火焰可视为二次火焰,可能会进一步通过外保温系统自身向上传播,此时上层隔离带的作用是阻止外保温系统自身燃烧所产生的火焰。
隔离带的带宽可通过试验或计算确定。
3.2避免贯通的空腔构造
窗口模型火的试验结果表明,火灾条件下,外保温系统内贯通的空腔会增加系统出现火焰蔓延的风险。
对于采用热塑性保温材料的系统,防火隔离带的设置,可以避免火灾条件下,由于保温材料的熔化收缩而导致的烟窗效应。
这里需要特别注意的是,按照建筑层与层之间竖向防火分区的概念,防火隔离带的作用是阻止火焰蔓延到另一个防火分区,而防火分区的分隔层是在楼板的位置,不是在窗口的地方,因此,防火隔离带设置在窗口上方的楼板位置较为合理。
4.试验结果
4.1锥型量热计试验
锥型量热计试验属于小尺寸试件试验。
针对外墙外保温系统保护面层对系统内可燃保温材料的保护作用,我们进行了锥型量热计试验,结果见表2和表3。
表2锥型量热计试验单组试验结果(ISO5660–1)
保温材料
保护层厚度(mm)
点火时间(s)
热释放速率(kW/m2)
总放热量(kJ)
峰值
平均值
PU
彩钢板
2
280.9
71.6
349.0
PU
3
50
112.5
34.1
153.7
PU
5
65
101.0
11.4
129.1
PU
10
未点火
4.2
1.4
1.8
EPS
5
995
24.6
6.9
8.6
EPS
10
未点火
5.0
1.2
1.6
XPS
10
未点火
3.7
1.2
1.5
XPS
10
未点火
3.4
1.1
1.4
水泥砂浆
——
未点火
3.9
2.0
2.4
表3保护面层厚度为10mm时的锥型量热计试验结果(ISO5660–1)
试件
编号
保温
材料
试件
类型
点火
性能
热释放速度
峰值平均值
总放热量
总烟量
CO
总量
CO2
总量
(kW/m2)
(MJ/m2)
(m2)
(mg)
(mg)
AP
聚氨酯
平板
未点火
3.4
1.8
1.0
50
847
AU
聚氨酯
槽型
未点火
4.2
1.8
0.9
64
1761
BP–1
EPS
平板
未点火
3.5
1.8
0.5
118
1368
BU–1
EPS
槽型
未点火
3.8
1.0
1.1
67
2250
BP–2
EPS
平板
未点火
4.1
1.6
0.0
51
848
BU–2
EPS
槽型
未点火
5.0
1.6
0.1
50
836
SP
XPS
平板
未点火
3.7
1.5
0.3
49
830
SU
XPS
槽型
未点火
3.4
1.4
0.9
49
834
C
水泥砂浆
均匀
未点火
3.9
2.4
0.5
44
723
试验结果表明,不同的保护面层厚度,对可燃保温材料的保护作用是不同的,保护面层越厚,试件整体的抗火能力越强。
当保护面层的厚度达到10mm时,硬泡聚氨酯和聚苯乙烯两种试件的锥型量热计试验结果无明显差异,热释放速率峰值小于10kW/m2,总放热量小于5MJ/m2,总体上与相同状态普通水泥砂浆的对火反应性能是等效的。
4.2燃烧竖炉试验
燃烧竖炉试验属于中尺寸试件试验。
为了检验外保温系统在燃烧竖炉试验条件下,保护面层厚度对可燃保温材料烧损范围的影响以及状态变化,我们进行了燃烧竖炉试验,见图5和图6。
图5燃烧竖炉试验后的薄抹灰试件状态
图6燃烧竖炉试验后的硬泡聚氨酯试件状态
燃烧竖炉试验的结果表明,保护面层越厚,试件的烧损高度越小;保护面层的厚度相同时,热固性保温材料和热塑性保温材料的烧损状态是不同的。
这与锥型量热计的试验结果和大尺寸模型火的试验结果是一致的。
4.3窗口火试验结果
自2007年5月至今,先后进行了22次外保温系统的窗口模型火试验,其中硬泡聚氨酯外墙外保温系统的试验5次,硬泡聚氨酯防火隔离带系统的试验3次。
试验编号见表4,系统的构造特点见表5,试验结果见表6。
根据《建筑外墙外保温系统防火试验方法》(报批稿),窗口火试验中外保温系统火焰传播性的判定条件如下:
当同时满足下列要求时,可判定外保温系统不具有火焰传播性。
否则,应判定系统具有火焰传播性。
(1)水平准位线2的任何一个内部热电偶的温升未超过500℃,或超过500℃但持续时间不大于20s;
(2)试验后的检查结果表明,系统的每个可燃层的垂直燃烧高度未超过水平准位线2上方300mm。
表4外保温系统窗口火–试验编号–(硬泡聚氨酯)
试验编号
试验名称
试验日期
试验1
TH硬泡聚氨酯复合板外墙外保温系统
2007年5月30日
试验2
喷涂聚氨酯硬泡外墙外保温系统
2007年7月16日
试验3
浇注聚氨酯硬泡外墙外保温系统
2007年9月6日
试验4
聚氨酯硬泡复合板薄抹灰外墙外保温系统
2009年8月20日
试验5
膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统-聚氨酯硬泡保温板防火隔离带
2008年4月23日
试验6
膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统-聚氨酯硬泡保温板防火隔离带
2008年10月21日
试验7
膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统-聚氨酯硬泡保温板防火隔离带
2009年6月3日
试验8
BaySystems喷涂聚氨酯硬泡幕墙保温系统
2009年11月22日
表5外保温系统窗口火–试验系统构造–(硬泡聚氨酯)
试验编号
系统构造特点
防火隔离带
保温层
厚度(mm)
抹面层
厚度(mm)
保温粘结
面积(%)
保温层
厚度(mm)
保护层
厚度(mm)
保温粘结
面积(%)
带宽
(mm)
试验1
PU板,20
6
≥40%
无
无
无
无
试验2
喷涂PU,20
10
100%
无
无
无
无
试验3
浇注PU,30
5
100%
无
无
无
无
试验4
PU板,50
3~5
≥40%
无
无
无
无
试验5
EPS板,50
3~5
≥40%
PU板,30
23~25
100%
300
试验6
EPS板,80
3~5
≥40%
PU板,45
38~40
100%
300
试验7
EPS板,80
3~5
≥40%
PU板,40
43~45
100%
300
试验8
喷涂PU,40
6
100%
岩棉,150
0
机械固定
100
备注
<1>表中符号:
PU–硬泡聚氨酯,EPS–模塑聚苯乙烯,XPS–1挤塑聚苯乙烯。
<2>试验8中,干挂石材的厚度为25mm,龙骨空腔层的公称厚度为15cm。
表6外保温系统窗口火–试验结果–(硬泡聚氨酯)
试验编号
火源
测点最高温度
(℃)
水平准位线2
可燃保温层
测点最高温度
(℃)
可燃保温层
烧损高度
系统火焰传播性
判定
备注
试验1
985
264
水平准位线2上方10cm
无
---
试验2
870
130
水平准位线2上方5cm
无
---
试验3
1003
101
水平准位线2下方10cm
无
---
试验4
956
166
水平准位线2上方15cm
无
---
试验5
895
166
最高防火隔离带下边缘
无
---
试验6
1039
1010
全部烧损
有
详述
试验7
1046
172
最高防火隔离带下边缘
无
---
试验8
994
94
水平准位线1
无
---
从表6可以看出,只有“试验6”的结果判定为具有火焰传播性,其它试验的结果判定均为不具有火焰传播性。
图7掀下的角形面层录像照片
“试验6”为2008年10月21日进行的“膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统-硬泡聚氨酯保温板防火隔离带”试验。
通过对试验全过程的观测分析,我们认为EPS薄抹灰外保温系统存在质量问题,是导致试验条件下火焰蔓延的直接原因。
“试验6”的质量问题:
试验观测结果如下:
(1)点火开始后5分05秒时,第2条防火隔离带下面的主墙受火区域表层开始出现明显的燃烧现象;
(2)点火开始后6分15秒时,第2条防火隔离带下面的副墙受火区域表层开始出现明显的燃烧现象;
(3)点火开始后15分45秒时,第2条防火隔离带下面的主墙受火区域表层开始破裂并燃烧,区域在主墙第2条防火隔离带下面逐渐扩大;
(4)点火开始后15分55秒时,窗口正上方第2条防火隔离带上边缘表面开始出现明显断续火焰,其下方直接受火区域悬空的抹面层和饰面层继续燃烧;
(5)点火开始后17分20秒时,水平准位线2上方模型主副墙垂直夹角处自上而下沿主副墙表面斜向掀下角形面层(抹灰层或饰面层),并迅速扩展至主副墙的竖向边缘。
此时,试验墙体上悬空的面层处于火源的直接作用之下,如图7所示;
(6)点火开始后17分55秒时,悬空的面层自边缘上部开始被点燃,11秒后脱落悬空的面层全面燃烧,迅速引燃其上部脱离的外露面层,并迅速蔓延至水平准位线2上下主副墙表面未破坏的部位,燃烧极为剧烈。
从“试验6”的观测结果来看,点火开始后17分20秒时,水平准位线2上方沿模型墙角斜向掀下的角形面层(抹灰层或饰面层),表明抹面胶浆中的玻璃纤维网格布发生了斜向断裂,并非是玻璃纤维网格布搭接部位的脱开,而此时水平准位线2的测点温度没有超过400℃,这至少说明施工时所使用的玻璃纤维网格布质量差。
另外,我们也对现场残留的EPS保温板进行了点火试验,见图8。
假如我们在水平准位线2上方玻璃纤维网格布断裂的部位也设置了一条防火隔离带,由于防火隔离带对EPS薄抹灰外保温系统保护面层的固定作用,或许试验结果不会这么差。
但在实际火灾中,怎能准确地判断使用质量差的玻璃纤维网格布的断裂位置,从而预先设置防火隔离带。
因此,防火隔离带的阻火作用是相对的,防火隔离带有效阻止火焰传播的前提是EPS薄抹灰外保温系统的质量满足相关标准的要求。
图8“试验6”现场残留EPS保温板点火试验
5.结论
试验结果表明:
燃烧性能不低于B2级的硬泡聚氨酯,属于热固性保温材料,遇火不熔化、表面形成致密碳化层、无燃烧滴落物,具有较好的阻火性能。
采用燃烧性能不低于B2级的硬泡聚氨酯为保温层的外墙外保温系统,只要其保护层(抹面层)的厚度不小于3~5mm,系统整体构造不具有火焰传播性,具有良好的防火性能,实际工程中可不设置防火隔离带。
燃烧性能不低于B2级的硬泡聚氨酯表面覆以一定厚度的保温砂浆或保温浆料后组成的带状复合构造,也能有效地阻止聚苯板薄抹灰外墙外保温系统的火焰传播,可以作为EPS薄抹灰外保温系统的防火隔离带使用。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 聚氨酯 保温 防火 报告