背景介紹
建筑門窗作為建筑物重要的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在實(shí)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(dòng)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(jì)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(duì)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(xiàng)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(duì)的一個(gè)現(xiàn)實(shí)。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(fèi)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(jì)防火規(guī)范》,，對(duì)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(hù)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(jì)過程中,，依據(jù)不同地區(qū)不同使用部位,，首先對(duì)組成門窗的各個(gè)材料元素進(jìn)行選取，以實(shí)現(xiàn)所需要的功能和性能指標(biāo),。對(duì)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(diǎn)約620～650 ℃,，在火災(zāi)中火場溫度通常遠(yuǎn)高于鋁的熔點(diǎn),。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(duì)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(qiáng)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(diǎn)低,，比如PVC 型材的熔點(diǎn)為170 ℃左右，但是通過工藝改進(jìn)可以實(shí)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(dòng)房用窗的青睞。同時(shí),，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(qiáng)型鋼
增強(qiáng)型鋼如圖5 所示。增強(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)塑料類門窗的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,。鋼材在溫度升高時(shí)，其導(dǎo)熱率下降至750 ℃時(shí),，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(duì)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(yàn)中表現(xiàn)耐火原理不同,，分為低膨脹率防玻璃,、高強(qiáng)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(jià)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(diǎn)可以達(dá)到820 ℃
以上,。由于低膨脹率和高軟化點(diǎn)的特性，使得其在受熱后較長時(shí)間都不會(huì)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(shí)間，提高耐火完整性,。
2)高強(qiáng)度銫鉀防火玻璃,。高強(qiáng)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(qiáng)的壓應(yīng)力,，所以極大地提高了抗沖擊性能,，強(qiáng)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(jìn)而導(dǎo)致受熱后膨脹系數(shù)下降,，軟化點(diǎn)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(huì)首先遇高溫后炸裂,，中間的
膨脹阻燃膠會(huì)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(qiáng)度,，還對(duì)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(shí),，應(yīng)選用防火隔熱和防火膨脹膠條產(chǎn)品，起到火災(zāi)時(shí)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(shí)，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(duì)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(duì)于起到鎖閉密封作用的五金類產(chǎn)品,，如傳動(dòng)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(jì)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(jì)中，玻璃面板卡件是必不可少的一個(gè)輔助配件,。由于型材在高溫條件下,，其受火面會(huì)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(huì)因?yàn)槭バ筒牡闹味w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(shí)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(diǎn)大約為1500 ℃，不會(huì)發(fā)生熔解和變形問題,，可以滿足高溫下支撐強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn),。其常規(guī)厚度通常為5 mm 和10 mm,，是一種抗壓強(qiáng)度高、硬度適中的不燃防火板材,，在高溫條件下,，不會(huì)變軟或粉化，不會(huì)造成對(duì)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(shí)防止玻璃棱邊與型材接觸,，降低玻璃爆裂的風(fēng)險(xiǎn),。
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(jí)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(shí),，其膨脹并形成一層硬質(zhì)的硅酸鹽泡沫隔熱層，同時(shí)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(jī)械強(qiáng)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(shí)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(diǎn),，可保護(hù)防火玻璃邊角，不受機(jī)械擠壓而破碎,，同時(shí)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(shí)，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(jì)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(shí)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，不會(huì)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(shí)現(xiàn)耐火完整性要求的必要設(shè)計(jì)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(duì)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(bǔ)框架型材在耐火性能上的不足,，需要對(duì)門窗關(guān)鍵的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)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(shí)間內(nèi)就會(huì)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(shí)，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(jìn)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(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的改造設(shè)計(jì)。但是,，科學(xué)地進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的前提。因此,，在設(shè)計(jì)耐火節(jié)能門窗時(shí),，必須根據(jù)實(shí)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(jì)提供可靠的保證,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體耐火完整性的技術(shù)指標(biāo)要求,。
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