背景介紹
建筑門窗作為建筑物重要的外圍護結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)建筑物美觀、環(huán)保,、節(jié)能,、安全等諸多方面起到非常重要的作用,。比如前些年在建筑節(jié)能和綠色建筑的可持續(xù)發(fā)展要求推動下,，建筑門窗的節(jié)能功能被人們廣泛重視,，并制定和頒布了一系列節(jié)能門窗的標(biāo)準(zhǔn),，用于指導(dǎo)節(jié)能門窗的設(shè)計生產(chǎn),。可以說,，建筑物功能要求不斷提升的過程,，就是建筑門窗的發(fā)展過程。為了滿足人們對建筑物舒適度,、健康度和安全度指標(biāo)日益提升的需求,，建筑門窗在提高已有的各項性能要求的基礎(chǔ)上，也在不斷完善和發(fā)展新的性能要求,。
節(jié)能門窗不具備耐火性能,，是目前高層建筑防火技術(shù)研究中必須面對的一個現(xiàn)實。近年來,，多起因建筑外門窗不具備防火性能而導(dǎo)致的災(zāi)難性火災(zāi)事故頻頻發(fā)生,，例如2010 年11 月15 日上海靜安區(qū)膠州路居民樓火災(zāi)，2011 年 2 月 3 日沈陽皇朝萬鑫酒店火災(zāi),，2014 年4 月 21 日大連星海廣場公寓火災(zāi),，以及 2017 年 6 月14 日倫敦格倫費爾塔公寓大樓火災(zāi)等。為此,，公安部組織編制了 GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》,，對特殊使用部位的建筑外門窗的耐火完整性提出了具體要求。由于傳統(tǒng)意義上的防火門和防火窗不具備建筑外門窗的相關(guān)物理性能，尤其是保溫性能,，因此不能作為建筑外圍護結(jié)構(gòu)的功能使用,。
節(jié)能門窗分類
通常而言，建筑外門窗由玻璃面板,、框架型材,、五金配件、密封膠條,，以及其他輔助配件等組成,，如圖1 所示。在節(jié)能門窗的工程設(shè)計過程中,，依據(jù)不同地區(qū)不同使用部位,，首先對組成門窗的各個材料元素進行選取,，以實現(xiàn)所需要的功能和性能指標(biāo),。對于耐火節(jié)能門窗而言，由于普通節(jié)能窗用材料,，部分不能滿足耐火完整性的要求,，所以其組成材料也相應(yīng)有所同。表1 中列出了按使用的框架型材種類區(qū)分,，目前可以用于耐火節(jié)能門窗的類型,。
耐火節(jié)能門窗用材料
2.1 型材
2.1.1 鋁合金型材
鋁合金型材如圖 2 所示。鋁合金為熱的良導(dǎo)體,，其導(dǎo)熱系數(shù)為160 W/(m
·K),，屬于構(gòu)成門窗型材材料中導(dǎo)熱系數(shù)最高的，且導(dǎo)熱率隨溫度的升高而上升,。工業(yè)用鋁合金的熔點約620～650 ℃,，在火災(zāi)中火場溫度通常遠(yuǎn)高于鋁的熔點。但是鋁合金型材一般在300 ℃ 左右即失去承載能力,，并發(fā)生不可接受的變形而無法使用,。從已有火災(zāi)案例來看，建筑門窗鋁合金型材的破壞多為在高溫下嚴(yán)重變形而無法使用,，完全燒熔的現(xiàn)象相對少見,。
2.1.2 塑料型材
塑料型材如圖3 所示。塑料型材包括PVC-U,、玻璃纖維增強材料,，以及聚氨脂PU 等，導(dǎo)熱系數(shù)非常低,，在0.12～0.16 W/(m·K)之間,。而且雖然材料自身的熔點低，比如PVC 型材的熔點為170 ℃左右，但是通過工藝改進可以實現(xiàn)阻燃,，這些材料在溫度不斷上升過程中,，表面燃燒后形成了一定的碳化層，起到一定的隔熱效果,。
2.1.3 木型材
木質(zhì)型材如圖4 所示,。木質(zhì)型材因種類和產(chǎn)地不同，其組成有很大差別但導(dǎo)熱系數(shù)也非常低,，在0.14 W/(m·K)左右,。木質(zhì)型材低導(dǎo)熱率使其成為節(jié)能窗，尤其受被動房用窗的青睞,。同時,，木質(zhì)型材燃燒過程中，表面形成的碳化層導(dǎo)熱率比基材更低,，因此具有非常好的耐火完整性,，甚至比鋼結(jié)構(gòu)更耐燃燒。
2.1.4 增強型鋼
增強型鋼如圖5 所示,。增強型鋼通常為碳素鋼,，屬于建筑不燃材料，導(dǎo)熱系數(shù)為13.8 W/(m·K),，熔點在1500 ℃左右,。在耐火節(jié)能門窗中，通常作為塑料類門窗型材用內(nèi)襯材料,，以增強塑料類門窗的整體結(jié)構(gòu)強度,。鋼材在溫度升高時，其導(dǎo)熱率下降至750 ℃時,，基本恒定而不再發(fā)生變化
2.2 玻璃
玻璃為熱的不良導(dǎo)體,，導(dǎo)熱系數(shù)在0.9～1.13 W/(m·K)之間，是建筑窗所占面積比重最多的材料,。玻璃面板耐火性能的好壞,，直接關(guān)系到門窗整體耐火完整性的好壞。為了保證建筑門窗達(dá)到耐火完整性的要求,，GB/T 31433-2015《建筑幕墻,、門窗通用技術(shù)條件》提出：對有耐火完整性要求的外門窗，所用玻璃最少有一層應(yīng)符合 GB 15763.1-2009《建筑用安全玻璃第1部分：防火玻璃》的規(guī)定,。耐火門窗用防火玻璃,，按照構(gòu)造型式不同，分為單片和復(fù)合兩類防火玻璃,。
2.2.1單片防火玻璃
單片防火玻璃,，按其在耐火試驗中表現(xiàn)耐火原理不同,，分為低膨脹率防玻璃、高強度銫鉀防火玻璃,、鈉鈣硅系列防火玻璃,。而微晶防火玻璃雖然防火性能優(yōu)越，但是價格昂貴,，不適用于在建筑外門窗上推廣使用,。
1)低膨脹率防火玻璃。低膨脹率防火玻璃制品在25～300 ℃ 溫度范圍內(nèi),，其熱膨脹系數(shù)比普通玻璃低 2～3 倍,，約為 4×10-6/℃，里特軟化點可以達(dá)到820 ℃
以上,。由于低膨脹率和高軟化點的特性,，使得其在受熱后較長時間都不會發(fā)生軟化變形，避免了因膨脹后與門窗邊框的擠壓作用,，可有效地延長耐火時間,，提高耐火完整性。
2)高強度銫鉀防火玻璃,。高強度銫鉀防火玻璃是由普通浮法玻璃經(jīng)特殊化學(xué)工藝處理后形成,。因其表面形成了高強的壓應(yīng)力,，所以極大地提高了抗沖擊性能,，強度是普通玻璃的6～12 倍，可以很好地滿足門窗在火災(zāi)條件下的面板耐火完整性要求,。處理后的玻璃導(dǎo)熱系數(shù)比普通玻璃高,，約為 1.13 W/m?K，受熱膨脹率與普通玻璃相近,，約為8.5×10-6～9.5×10-6/℃,。
3)鈉鈣硅系列防火玻璃。鈉鈣硅系列防火玻璃是在普通浮法玻璃成分基礎(chǔ)上,，通過調(diào)整成分組成,，提高了玻璃面板的硬度和密度，增加了結(jié)構(gòu)的微觀緊密程度,，進而導(dǎo)致受熱后膨脹系數(shù)下降,，軟化點增高，可以達(dá)到 780 ℃左右,。
2.2.2復(fù)合防火玻璃
分為夾層復(fù)合防火玻璃和夾絲網(wǎng)復(fù)合防火玻璃,。
1)夾層復(fù)合防火玻璃。夾層復(fù)合防火玻璃,，按其構(gòu)造形式不同,，可分為灌注型和夾層型,。夾層型復(fù)合防火玻璃是一種建筑用安全玻璃，是兩層平板玻璃用膨脹阻燃膠黏結(jié)在一起,，在一定溫度和壓力下,，即使受到?jīng)_擊，玻璃碎了仍然連成一體,。正常使用情況下,，夾層型復(fù)合防火玻璃具有很好的透光和裝飾性。一旦受火后,，其向火面的玻璃面板會首先遇高溫后炸裂,，中間的
膨脹阻燃膠會迅速硬結(jié)并形成白色不透明板，大量吸收燃燒產(chǎn)生的熱量,。灌注型復(fù)合防火玻璃是首先將兩片單層平板玻璃四周先用邊框條密封好,，然后由灌注口灌入防火液，經(jīng)膠結(jié),、封口制成,。
2)夾絲網(wǎng)復(fù)合防火玻璃。夾絲網(wǎng)復(fù)合防火玻璃是在夾層型復(fù)合防火玻璃生產(chǎn)過程中,，將金屬絲網(wǎng)加入兩層玻璃中間的阻燃膠中,。加入金屬絲網(wǎng)后，不僅可以提高防火玻璃的整體抗沖擊強度,，還對玻璃的透光性不產(chǎn)生影響,。
2.3 密封膠條
密封膠條如圖6 所示。建筑門窗用密封膠條,，主要成分為三元乙丙橡膠,，其導(dǎo)熱系數(shù)低，為0.24 W/m?K,。當(dāng)用于耐火節(jié)能門窗時,，應(yīng)選用防火隔熱和防火膨脹膠條產(chǎn)品，起到火災(zāi)時密封,、隔熱與阻礙火災(zāi)蔓延的功效,。在耐火節(jié)能門窗上，主要用在防火玻璃四周與型材之間的防火膨脹密封,，以及開啟窗扇密封部位的防火隔熱密封,。通常防火膠條產(chǎn)品帶有自粘結(jié)膠帶，可以直接粘貼到防火玻璃四周或型材的適當(dāng)位置,。受火膨脹時,，可膨脹到原來的 15～50 倍，形成一種良好的隔熱層,，可以全方位填充周圍的縫隙和空洞,，從而形成極為有效的防火防煙屏障,。
2.4 防火五金
建筑門窗五金配件，起到固定和支撐開啟窗扇的作用,。對于承重類五金配件,，如合頁或者滑撐等，為了保證開啟窗扇在受火狀態(tài)下不脫落,，通常采用耐火性能好的鋼質(zhì)材料五金產(chǎn)品,。而對于起到鎖閉密封作用的五金類產(chǎn)品，如傳動鎖閉器,、執(zhí)手等,，也應(yīng)采用鋼質(zhì)或具有耐火功能的產(chǎn)品，以降低因受火后性能失效導(dǎo)致密封性能,。降低,，影響到整窗的耐火完整性能。
2.5 輔助配件
在耐火節(jié)能門窗的材料設(shè)計中,，除了主要的構(gòu)成材料外,，一些必要的輔助配件的合理使用，也是耐火性能滿足要求的關(guān)鍵因素,。
2.5.1玻璃面板卡件
在耐火窗產(chǎn)品設(shè)計中,，玻璃面板卡件是必不可少的一個輔助配件。由于型材在高溫條件下,，其受火面會發(fā)生變形,、熔化等現(xiàn)象，從而失去部分或全部的支撐作用,。在這種情況下,，即使防火玻璃自身可以滿足耐火性能的要求，也會因為失去型材的支撐而整體坍塌脫落,。為了防止這種情況發(fā)生，必須在耐火節(jié)能門窗的玻璃面板和框架型材之間,，配置卡件,。目前，根據(jù)所夾持玻璃面板的類型不同,，實踐中有多種型式的卡件,，如圖7 所示。
玻璃 面板卡 件通常為不銹 鋼 材質(zhì),，導(dǎo)熱系數(shù)為 13.8 W/(m·K),，熔點大約為1500 ℃，不會發(fā)生熔解和變形問題,，可以滿足高溫下支撐強度的要求,。在塑料類門窗中,，由于受火后型材不再具有支撐強度，因此卡件須與內(nèi)部襯鋼可靠連接,。在鋁合金斷熱門窗中,，由于受火后隔熱條靠近火災(zāi)一側(cè)的鋁合金型材受熱熔化，無法承擔(dān)支撐玻璃面板的作用,，因此卡件須與隔熱條遠(yuǎn)離火災(zāi)一側(cè)的鋁合金型材可靠連接,，以提高耐火性能。
2.5.2 玻璃墊片
防火玻璃用墊片應(yīng)用如圖8 所示,。其導(dǎo)熱系數(shù)低,， 一般≤0.30 W/(m·K)，熱變形低,，具有耐高溫,、耐腐蝕、易于加工等特點,。其常規(guī)厚度通常為5 mm 和10 mm,，是一種抗壓強度高、硬度適中的不燃防火板材,，在高溫條件下,，不會變軟或粉化，不會造成對玻璃棱邊的損傷,，保證耐火窗整體的高溫穩(wěn)定性,。玻璃墊片主要墊在防火玻璃下方的承重位置，常溫下和受火時防止玻璃棱邊與型材接觸,，降低玻璃爆裂的風(fēng)險,。
2.5.3 防火板條
防火板條應(yīng)用如圖9 所示。防火板條為A 級不燃性產(chǎn)品,，導(dǎo)熱系數(shù)低,，約為0.12 W/(m·K)，且受火膨脹后導(dǎo)熱系數(shù)降低,。遇火時,，其膨脹并形成一層硬質(zhì)的硅酸鹽泡沫隔熱層，同時兼具吸熱冷卻,、膨脹密封和隔熱的作用,。遇火膨脹溫度為150～200 ℃，可膨脹到原來的10～40 倍,，全方位填充周圍的縫隙和孔洞,，從而形成極為有效的防火防煙屏障。防火板條主要應(yīng)用于耐火節(jié)能門窗的防火薄弱部位,，比如型材內(nèi)部的小空腔,、開啟扇的四周,、五金配件周圍等部位。
2.5.4 防火灌注料
吸熱型防火灌注料,，是一種用水固化的無毒的環(huán)境友好型,、吸熱性防火灌注料，高溫下具有吸熱冷卻和隔熱屏障的功效,。固化后,，導(dǎo)熱系數(shù)為 0.10 W/(m·K)， 且固化后能夠提高型材結(jié)構(gòu)的整體機械強度,，便于型材的加工及裝配,。用于型材空腔的灌注填充，遇火時通過大量吸熱和隔熱作用延緩可熔化型材的熔化速度,，降低系統(tǒng)背火面的溫度,，阻隔熱量的傳遞。
2.5.5 防火棉條
防火棉條應(yīng)用如圖10 所示,。其基質(zhì)材料為陶瓷纖維,，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.12 W/(m·K)，具有優(yōu)異的隔熱性能,。應(yīng)用于防火玻璃兩側(cè)邊緣,，與框材或玻璃壓條接觸部位，具有柔軟可壓縮的特點,，可保護防火玻璃邊角,，不受機械擠壓而破碎，同時有效阻隔熱量通過玻璃與材縫隙從向火面向背火面?zhèn)鬟f,。同時,，為了防止玻璃卡件與玻璃表面的硬性接觸，在卡件與玻璃之間也需設(shè)置防火棉條,，有效緩沖玻璃高溫膨脹后和型材或金屬接觸而產(chǎn)生的應(yīng)力,，防止防火玻璃爆裂。
2.5.6 防火硅酮膠
防火硅酮膠導(dǎo)熱系數(shù)為0.19 W/(m·K),，是一種高性能,，富有彈性的單組分中性硅酮膠。在耐火窗產(chǎn)品設(shè)計中,，主要應(yīng)用在防火玻璃與防火棉條的接觸部位，以及防火玻璃與型材或壓條之間的縫隙部位,，常溫下用于保障耐火節(jié)能門窗的氣密性能和水密性能,，同時在火災(zāi)發(fā)生時，不會因熱輻射產(chǎn)生的高溫而發(fā)生自燃,。
結(jié)語
材料的選擇,，是建筑節(jié)能門窗實現(xiàn)耐火完整性要求的必要設(shè)計環(huán)節(jié),。為了保證建筑門窗的節(jié)能要求，選擇傳熱系數(shù)相對較低的塑料,、木質(zhì)或斷熱鋁合金型材等作為框架型材,，仍然是現(xiàn)階段耐火節(jié)能門窗的最好選擇。因此,，為了彌補框架型材在耐火性能上的不足,，需要對門窗關(guān)鍵的構(gòu)造節(jié)點部位，采用特殊材料,。比如,，在型材空腔部位，填充防火灌注膠,，填塞防火板條等;在框扇開啟的密封部位,，采用防火阻燃膠條;玻璃面板與型材接觸部位，放置防火棉條,，并施以防火硅酮膠固定密封,。安裝在型材上的五金配件，尤其是起到承重功能的配件,，宜采用防火五金產(chǎn)品,，以提高整窗耐火性能。
玻璃面板的耐火性能好壞,，直接關(guān)系到整體門窗的耐火完整性水平,。由于普通鋼化玻璃受熱后短時間內(nèi)就會發(fā)生爆裂，因此,，不能作為耐火門窗用面板使用,。耐火門窗在面板的選擇時，應(yīng)根據(jù)型材構(gòu)造和具體需求,，考慮單片或復(fù)合防火玻璃,。而且，玻璃面板與型材的接觸部位,，應(yīng)設(shè)置防火墊片,，以保證玻璃受火膨脹后與框架型材的柔性接觸。為了保證玻璃面板不發(fā)生整體脫落,，玻璃面板與框架之間應(yīng)進行可靠的固定連接,，通常采用玻璃面板卡件作為連接部件。
當(dāng)然,，節(jié)能門窗耐火完整性的提高,，還必須依賴對節(jié)點構(gòu)造的改造設(shè)計。但是，科學(xué)地進行材料的設(shè)計選擇,，并合理應(yīng)用于關(guān)鍵的構(gòu)造部位,，是保證耐火完整性指標(biāo)實現(xiàn)的前提。因此,，在設(shè)計耐火節(jié)能門窗時,，必須根據(jù)實際使用的門窗類別，充分考慮各類材料的選擇及其合理應(yīng)用范圍,，才能為后續(xù)的構(gòu)造設(shè)計提供可靠的保證,，進而實現(xiàn)整體耐火完整性的技術(shù)指標(biāo)要求。
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