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国内外外墙保温系统防火技术的现状及研究

发布者:xyfljx 浏览次数:2529 发布日期:2013-12-10

    国内对外墙外保温系统防火技术的研究和重视程度,已经由发展初期的缺失到目前全行业的普遍关注,但多数技术标准和产品的说明书中提及的内容都是关于保温材料的燃烧性能指标要求,如氧指数和通过可燃性试验确定B2级等,对保温系统的防火性能都未作具体的要求。虽然正在修编的《高层民用建筑设计防火规范》和《建筑设计防火规范》中试图加入外墙外保温系统防火的原则性要求,但目前实施的标准中也没有外墙外保温系统的防火设计要求,缺少对不同外墙外保温系统防火性能的等级划分和适用建筑高度的规定。

    纵观市场上推广应用的一些外墙外保温系统,普遍存在如下火灾隐患:一是有机保温板薄抹灰系统在某些国家因防火性能要求对其使用范围有严格的限制,但国内没有标准对此作出规定。在一些高层甚至超过170米的超高层建筑物上依然采用这类无防火构造的系统,存在的火灾风险应引起有关部门的高度重视。二是国内高层建筑应用有机保温板薄抹灰网格布粘贴面砖的工程很多,这种工艺做法的危险性在于粘贴面砖后,保护层厚度增大,一旦火灾发生,前期面砖系统的防火性能优于涂料饰面系统,如果火势持续,不仅有机保温板燃烧产生的有毒气体和火焰给逃生者带来巨大危险,同时有机保温板受热产生的热熔缩变形以及网格布过热熔断将导致面砖坠落,为逃生人员和救助人员带来潜在的危险。三是目前的公共建筑,粘贴或填塞有机保温材料且没有防火隔离措施的做法普遍存在。通常这类外墙外保温做法中有机保温材料在幕墙内侧裸露,有机保温板与幕墙之间存在的大空腔和保温板与墙体之间存在的小空腔,都很容易形成烟囱效应加快火势蔓延速度,使火灾造成的后果更加严重。

    相比之下,欧美等外墙外保温系统技术应用较早的国家,对于外墙外保温系统防火安全性的要求一直是该技术应用的首选条件。外墙外保温系统和保温材料都有防火测试方法和分级评价标准,不同防火等级的外墙外保温系统在建筑中的使用范围都有限定。国外相关专家认为:外墙外保温系统最重要的是系统的质量和安全,因此考虑建筑保温的防火安全性很有必要,尤其是在大城市的高层建筑中。在世界范围内,对不同防火等级保温系统的建筑应用范围进行规定,因各国政府的政策和法规差异有所不同。如德国将保温防火问题分为三个层面:一是在法律法规中明确规定超过22米的建筑严禁使用可燃保温材料,聚苯板外墙外保温系统只能用于不超过22米的建筑上,高于22米的建筑大部分使用岩棉外墙外保温系统。二是在欧洲标准ETAG004《有抹面层的外保温复合系统欧洲技术标准认证》中规定,对外墙外保温系统和保温材料应按照EN13501-1《建筑产品或组件的燃烧性能分级》第1部分—使用火反应试验数据分级进行燃烧性能等级A1-E的评定,并规定要标明火焰在保温材料中传播的可能性。为了阻止火焰的传播,一些国家提出采用“防火屏障(防火隔断)”的做法,对外墙外保温系统的防火要求要依据法律、法规和适用于建筑物最终使用的管理条例而定。德国将防火等级分为A-B3级(GB8624-1997非等效采用),标准要求聚苯板材料和保温系统的防火等级应达到B1级,按照EN13501-1标准,聚苯板材料和保温系统要达到B/C级要求。三是聚苯板外墙外保温系统中的聚苯板厚度大于10mm时,要在满足第一个层面的条件下再进行防火构造,达到建筑防火安全规定。构造做法是在每一个窗楣和门楣上口加入不燃高强矿棉防火隔离带,厚度同聚苯板一致,向上宽度≥200mm;长度方向应比窗口两侧延伸≥300mm,用满粘的方式铺帖,主要防止室内发生火灾时火焰从窗口窜出导致外墙外保温系统发生火灾。

    在英国,规定18米以上的建筑物必须采用按英国标准0级或欧洲标准B级以上的材料,即必须采用不燃或难燃性材料;在美国纽约州的建筑指令(《BUILDINGCODEOFNEWYORK》)中明确规定,耐火极限低于2小时的聚苯板薄抹灰外墙外保温系统不允许用在高于75英尺(22.86米)的住宅建筑上。

    事实上,目前全球建筑墙体保温市场,由岩棉等不燃材料组成的外墙外保温系统,已广泛应用于各种类型的建筑上,成为全球应用范围最广的外墙外墙保温系统之一。

    应该说,解决建筑物的外墙外保温系统防火问题迫在眉睫。我国在此方面还有很长的路要走。

    外墙外保温系统的防火安全是事关民生安全的重要且紧急课题

    从国外对因保温材料引起的火灾或加剧火灾蔓延的案例进行的研究和国内已经发生的火灾事故可以看出,当前国内的外墙外保温系统普遍存在防火安全隐患已是不争的事实。在我国大力推广建筑节能的大背景下,所有建筑都须达到相应的节能标准,但目前采用的保温材料中,约有80%是有机的可燃材料,外墙外保温系统是以防火性能较差的薄抹灰有机保温系统材料为主。从现有的外墙外保温系统防火技术现状和发生的火灾频率来看,如何进行外墙外保温系统的防火安全性试验,提高各类建筑外墙外保温系统的防火安全性,是目前的一个重大课题。

    实际国情决定外墙外保温系统防火性能应高于国外

    我国城市住宅不同于以低层、多层建筑为主的欧美国家,中高层、高层甚至超高层建筑偏多,尤其是经济比较发达的东部地区,城市人口和建筑群密集,楼间距小。

    高层建筑发生火灾具有如下特点:一是火势蔓延快。高层建筑的楼梯间、电梯井、管道井、风道等竖向井道多,外饰面内空腔构造多,形成高耸的烟囱效应,一旦起火,燃烧猛烈,蔓延迅速。二是疏散困难。高层建筑容纳的人数多,垂直距离大,加上火灾环境下人们的恐慌心理和火灾烟气的毒害作用,安全疏散较难解决。层数越高,人员越多,逃生时间也越长。三是扑救难度大。高层建筑高达数十米甚至上百米,发生火灾时从室外进行扑救相当困难。通常在18层以上发生的火灾主要靠建筑内部的消防设施和自救。

    在这样的国情下,如何保证建筑火灾不因保温材料引发,如何保证火灾发生时保温材料不助长火焰的蔓延和扩展,如何避免火灾发生时的烟气和热释放不会成为人们逃生的障碍,如何避免在火灾发生时保温材料燃烧时不对消防救援带来危害,都值得重点研究。

    为解决上述问题,根据我国城市建筑的特点,理应对外墙外保温系统的防火要求更加严格。无论是国内自主创新研发的系统产品,还是从国外引进的系统产品,都一定要适合我国建筑的特点和国情,满足防火安全要求。

    外墙外保温火灾案例分析

    今年以来,国内因保温材料发生的几起火灾事故,已让人们清楚地意识到了推广应用外墙外保温系统材料必须重视系统材料的防火性能研究。这些火灾的发生,大部分是在施工阶段立体交叉作业,遇到明火或电焊渣引燃保温材料引起的火灾,少部分是建筑物投入使用后由外因引起。火焰通过相邻建筑物火灾造成的热辐射或靠近外墙的易燃物燃烧或建筑物内部发生火灾,火焰从窗口溢出并向上蔓延,都能使可燃保温材料被引燃,进一步助长火势的蔓延,增加火灾造成的损失。另外烟气散发到室外,对建筑物内人员逃生和消防人员施救工作也带来很大的危害。无论起火原因如何,建筑保温有机材料成了火势蔓延的帮凶。

    从外墙外保温系统中有机保温材料发生火灾或加速火势蔓延的案例频繁发生来看,火灾的发生大体分为3个时段:保温材料进入施工现场码放时段;保温材料施工上墙时段;外墙外保温系统投入使用时段。仔细分析3个时段发生火灾的特点,可以更好地指导外墙外保温系统的防火工作,有利于政府、企业、用户高度重视外墙外保温系统的防火安全性问题。

    触目惊心的火灾案例给我们足够的警示。因此,建筑尤其是高层建筑的外墙外保温系统的防火安全性问题必须提上日程,通过有针对性提出预防或解决措施,来减少因外墙外保温系统和材料引起的建筑火灾和火势蔓延,给人们的逃生和救援赢得宝贵时间。

防火安全性问题的起因

    外墙外保温系统是建筑外墙外侧具有保温隔热功能并具有一定装饰效果的系统。系统的核心功能材料是保温材料,占系统体积的80%以上,配套材料是不燃材料如砂浆、瓷砖等。另外还包含有少量可燃成分的材料如涂塑玻璃纤维网格布、腻子和涂料等。

    用于建筑外墙的保温材料主要有三类:第一类是以矿物棉和玻璃棉为主的无机保温材料,通常认定为不燃性材料;第二类是以胶粉聚苯颗粒保温浆料为主的有机无机复合保温材料,通常认定为难燃性材料;第三类是以聚苯板(热塑性)、聚氨酯(热固性)和酚醛为主的有机保温材料,通常认定为可燃性材料。

    当外墙外保温系统的保温材料采用不燃性材料或不传播火焰的难燃性材料时,外墙外保温系统几乎不存在防火安全性问题。在我国目前的技术条件下,聚苯乙烯泡沫和硬泡聚氨酯等可燃性材料在建筑外墙外保温系统中的使用最为广泛,这是产生外墙外保温系统防火安全性问题的起因。随着节能标准的逐步提高,采用可燃性有机保温材料的厚度不断增加,建筑外墙火灾和火灾蔓延的问题更加突出。

火灾的危害因素

    通过对有机保温材料燃烧过程进行分析,有机保温材料在空气或有氧环境中都会燃烧,会直接造成人员伤亡和财产损失。易燃性正是有机保温材料的主要缺陷,因此认识火灾中有机保温材料燃烧的危害因素对进行有效火灾防护极为重要。有机保温材料对人和物形成的直接危害可以归结为以下几个方面。

    1.燃烧火焰。直接接触火焰导致人体皮肤烧伤是火灾中常见的人员伤亡之一。试验表明,聚苯乙烯燃烧火焰温度可超过1000℃,当外墙外保温系统发生火灾并通过窗口攻击室内时,高温火焰及其热辐射可在极短时间内置人死亡。此外,聚苯乙烯保温材料燃烧时熔融滴落,与熔体的接触也会造成烧伤,给消防救援带来难度和危险。火焰是火灾蔓延的直接原因,它使燃烧从一个物体扩散到另一个物体,从一个空间扩散到另一个空间,导致更大的火灾,造成更大的伤亡和损失。

    2.热。火灾中产生的热气体和热辐射是引起烧伤、热窒息、脱水等伤亡的重要原因。热气体和热辐射对火灾现场的建筑物及其他物体的损坏显而易见。更为严重的是热气体和热辐射能促进聚合物的分解,为火灾蔓延提供燃料,造成更大的火灾。一般在封闭的空间内,如室内火灾中,上层热气体温度达到600℃,或者地面辐射强度达到20KW/m2时可以引发轰燃。在火灾工程学中,该临界点表示此时室内所有可燃性材料都将着火燃烧,这是建筑火灾发生过程中的一个重要判断依据。而外墙外保温系统发生火灾时,如果是点框粘聚苯板做法,可将抹面层内侧至墙体基层之间看成一个封闭的空间,当局部聚苯板发生燃烧并通过空腔传递热气体时,比较容易达到轰燃的临界点,进而使保温层内侧聚苯板全部燃烧,带来更大危害。从多次大型火灾模拟试验过程可以清楚印证临界点的存在。

    3.氧窒息。有机保温材料属于易燃材料,燃烧时会大量消耗空气中的氧,特别是在封闭空间中会造成不同程度的缺氧,对人的生命构成极大的危害。通常外墙外保温系统发生火灾并通过窗口对室内进行攻击时,会消耗室内的氧造成氧窒息现象。

    4.烟。有机保温材料燃烧会产生较多的烟,这同材料本身的结构和成分以及火灾燃烧一般为不完全燃烧反应有关。根据统计分析表明,火灾中死亡人数的80%是由于烟的原因造成。烟在火灾中的危害极大,通过吸入的悬浮燃烧产物影响人的反应能力,降低人的逃生能力,导致人体功能严重损坏,吸入过量烟尘会导致死亡。烟的主要危害还在于遮挡人的视线,影响受灾人员寻找逃生路线,防碍救灾人员辨明火情,加大火灾损失。

    5.毒性气体和物质。根据统计分析表明,火灾导致人中毒致死的元凶是CO。此外,有机保温材料燃烧时的分解产物也可形成毒性气体,例如在聚苯板燃烧过程中分解的产物有苯、甲苯、甲醛等,硬泡聚氨酯燃烧过程会产生氢化氰、光气、HCL和异氰酸酯等有害化合物。当血液中氰化物含量达到3mg/ml以上时会致使人员死亡。CO是火灾中致人死亡的主要原因,CO通过肺泡被血液吸收从而使血液中的含氧量不足,因供氧不足导致窒息死亡。

    系统的防火性能要求

    外墙外保温系统是否具有防火安全性,应考虑两个方面的问题:一是点火性,在有火源或火种的条件下,材料或系统是否能够被点燃或引起燃烧,系统自身的燃烧性能要求;二是传播性,当有燃烧或火灾时,材料或系统是否具有传播火焰的能力,系统对外部火源攻击的抵抗能力或防火性能要求。

    那么,聚苯乙烯和硬泡聚氨酯材料的阻燃性能达到什么程度才能保证整个系统的防火安全?是否需要在现有的技术条件下提高聚苯乙烯和硬泡聚氨酯的阻燃性指标?过高地要求材料阻燃性能是否符合现实?

    从目前的科学研究和工程实践来看,材料的燃烧性能通常是指材料在规定的试验条件下,材料对火的反应性能。由于规定的试验条件同真实火灾的环境条件相差甚远,因此材料的燃烧特性和火灾特性大相径庭。如普通PVC材料在通常条件下燃烧时具有自熄性,氧指数较高,属难燃材料。但相同的材料,在真实的建筑火灾中,受高温、高热辐射作用时,仍然能够剧烈燃烧,放出大量的热和有毒气体,造成更大的火灾危害,这已被大量火灾案例所证实。

    在目前的技术条件下,不能过高地要求聚苯乙烯和硬泡聚氨酯有阻燃性指标,但燃烧性能必须首先达到现有的相关标准要求,通过其他措施满足施工过程中的防火安全性要求。作为墙体保温隔热材料,未进行阻燃处理的普通聚苯乙烯和硬泡聚氨酯材料被划定为易燃材料,阻燃的聚苯乙烯和硬泡聚氨酯材料可达到可燃或难燃的等级。国家标准GB/T10801.1-2002和GB/T10801.2-2002中规定:膨胀聚苯乙烯泡沫塑料(简称EPS板)和挤塑型聚苯乙烯泡沫塑料(简称XPS板)燃烧性能等级应达到B2级,同时EPS板的氧指数应不小于30%。在《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统》JG149-2003和《外墙外保温技术规程》JG144-2005中,对EPS板也有同样的规定,在JG149-2003标准中还被列为强制性条款。试验中通过对有机保温材料进入施工现场前涂刷界面砂浆,能提高可燃材料在存放和施工期间的防火性能,燃烧性和火焰传播性要比未涂界面砂浆的聚苯板低,防火能力有所提高。涂刷界面砂浆的聚苯板在上墙之后采取防火分仓的构造措施,可以将小火源与有机保温材料隔离,起到一定的保护作用。上述措施对预防可燃性保温材料在存放和施工过程中的火灾有一定效果,但不能满足火源较大且持续作用的情况下对外墙外保温系统和材料防火性能的要求。

    在有机保温材料达到上述相关标准要求或增加一定辅助措施后,更应强调系统的整体防火安全性。过于追求有机保温材料的阻燃性能不仅大大增加材料的成本,同时某些阻燃剂在阻止燃烧过程中会增加材料的发烟量和烟气毒性,可能带来更大的危害。另外,对保温材料防火等级的评价也不能代表系统的整体防火安全性能或火灾发生时的真实状况,即使某些难燃级的材料在条件具备时也能剧烈燃烧,应该抓住外墙外保温系统防火问题的重点。飞龙机械专业的外墙保温设备生产厂家,网址:www.xyfljx.com

    影响系统防火安全性能的要素

    外墙外保温系统的防火安全性能是以可燃性材料的存在为前提的。影响外墙外保温系统防火安全性能的要素包括外墙外保温系统的构成材料和构造方式。系统中具有足够燃烧能力的材料主要是保温层材料,保温层材料的燃烧性能是影响系统防火安全性能的基本条件,而外墙外保温系统整体的防火性能才是关键。

    当外墙外保温系统的保温层为可燃性材料时,系统的构造方式就是决定整个系统防火安全性能的关键要素。影响外墙外保温系统防火性能的构造包括保护层或面层的厚度、黏结或固定方式(有无空腔)、防火隔断(分仓或防火隔离带)的构造等。空腔构造的存在可能为系统中保温材料的燃烧及火灾的蔓延提供充足的氧和烟囱通道,加大火灾险情。系统的防火隔断构造可采用分仓或设置防火隔离带的形式,能够有效地阻止火灾蔓延。保护层中防护面层的厚度和质量稳定性,决定系统层面受到热量或火焰侵袭时对内侧有机保温材料的保护能力。

    综上所述,只有外墙外保温系统整体上对火反应性能良好,系统的构造方式合理,才能保证建筑外墙外保温系统的防火安全性能满足要求,对工程应用才具有广泛的实际意义。一味地提高有机保温材料的阻燃性能,在当前技术和成本因素的影响下实现起来有一定难度。

    很显然,提高外墙外保温系统的防火能力迫在眉睫。如何采取有效的防火构造措施提高外墙外保温系统的整体防火能力,如何对不同构造的外墙外保温系统进行测试和评价,是需要解决的问题。

    外墙保温防火存在的几个误区

    鉴于外墙保温火灾的频发,无论是领导层还是普通群众,无论是设计单位、开发商、施工方还是材料供应商,都认为外墙保温的防火是十分重要的,那些在外墙保温技术应用初期认为外墙保温防火根本没必要的观点现在已经不存在了。目前,对于如何在标准中规范防火内容有几个不同误区。

    误区一:严格按照欧美标准进行分级和规范

    欧美相关标准和规范的思路是对外墙保温材料和系统燃烧性进行分级,不同的系统应用在不同防火等级的建筑物上。对可燃保温材料系统有非常严格且明确规定,在22m以上只允许使用不燃保温材料外墙保温系统,在22m以下使用时,当聚苯板厚度较厚(如德国超过100mm)时,或对防火提出更高要求时,要采取一定的防火构造措施,如用不燃材料在门窗洞口做防火构造,设置防火隔离带等。如果能严格采用欧美分级标准和相关规定也是比较理想的,但中国的实际情况不容许。欧美等发达国家对外墙保温的研究已经近半个世纪,在基础理论研究、试验研究、实验室测试指标和实际工程应用等方面做了大量的工作,打下了较好的基础,而且重点强调以人为本,安全第一的指导思想,值得我们认真学习和借鉴。中国目前外墙保温大量采用有机可燃保温材料(EPS、XPS、PU等),十分缺乏质量过关的不燃保温材料如矿(岩)棉板,由于大部分建筑是中高层甚至是超高层,如果完全按照欧美国家标准规范执行,将有机保温材料系统限制在22m以下,有机保温材料的供给将严重过剩而不燃保温材料又供给不足,会严重影响国内建筑节能的开展。

    误区二:解决外墙保温施工现场发生火灾的可能性即已解决外墙保温的防火问题

    该观点认为现有外墙保温发生火灾大部分是施工现场火灾导致,而使用中外墙保温工程发生的火灾案例很少,只要解决好施工阶段的火灾隐患即可保证外墙保温的防火安全性。但是,从重要性和长期性而言,解决建筑物使用过程中火灾隐患是防火安全的核心。从近年来外墙保温工程发生的火灾看,大部分发生在施工过程中,外墙保温建筑物使用过程中的火灾案例的确较少。原因在于施工过程中有机保温板裸放,无任何保护层,施工过程常遇交叉作业,易发生火灾;很少有人意识到使用中的建筑发生火灾时防火性差的外墙保温系统对火灾的促进作用,导致这类案例报道较少。施工现场火灾是必须要提高重视并须要解决的,但解决建筑物使用过程中火灾隐患是防火安全的核心。主要基于两个因素:一是施工过程中发生火灾时涉及人员少,建筑物内易燃易爆物品少,逃生渠道多,救援难度小。而建筑物使用过程中发生的火灾恰恰相反,一旦发生火灾,人员和财产安全及消防的救援面临重大考验,建筑火灾人员死亡案例多数在建筑物使用阶段。二是外墙保温施工周期短,一般不超过3个月,建筑物的使用寿命通常在50年以上,因此就人员和财产安全的重要性以及建筑物使用的长期性而言,减少建筑物使用过程中火灾的伤害也显得尤为重要。

    误区三:只规定简单防火构造,不进行防火分级

    该观点认为只对有机保温材料系统在24m以上使用时,每两层增加一道防火隔离带即可,不对外保温系统进行防火分级。该观点不够系统也不科学。首先,如果仅仅针对聚苯板薄抹灰外墙保温系统,虽然比欧美国家标准要求降低,但最起码是“有比没有强”,在操作上也是可以执行的。如果将这些写入具有权威性的标准中,这样的做法太不系统不科学。因为没有分级标准、没有试验方法、没有判定指标,就不可能对各类外墙保温系统的防火性能进行评价,不仅不能将规程中已经包含各类外墙保温系统的防火性能进行有效和系统评价,更不能给未来新研发的外墙保温系统提供研究方向和进行合理、有效和系统评价。显然这样的做法不符合国际惯例,也不符合行业标准的编制原则、应承担的责任和应达到的水平。

    同时,仅有防火隔离带是不能解决外墙保温防火的全部问题。首先火灾发生的3个时段中,发生最频繁的时段是施工阶段,该阶段发生火灾时通常在面层施工之前,所以火焰有可能通过防火隔离带直接袭击有机保温材料表面,一样可以造成火势蔓延。其次,防火隔离带与有机保温材料之间材质差异导致面层裂缝的几率加大,带来新的隐患。完全成熟的防火隔离带技术需要通过大量的试验研究加以确认。

    解决外墙保温防火安全的技术途径

    综上所述,应该同时进行3个方面的技术研究来解决外墙保温防火问题:一是通过对国外先进技术的借鉴和针对国情的自主创新标准,开发出具有独立知识产权的、能彻底解决大部分现有系统防火性差的外墙保温系统。为防火分级后的外墙保温技术应用提供更多的选择,这也是外墙保温行业未来的发展方向。二是通过对各种外墙保温系统和材料的防火性能进行试验研究,建立适合国情的外墙保温防火试验方法;通过这些试验和其他国家相关标准的借鉴,对不同外墙保温系统进行防火安全性能分级评价和应用范围限定,形成具有强制力的标准;在高层和超高层建筑的外墙上规定使用防火安全性更高的外墙保温系统,进一步规范外墙保温市场,减少火灾安全隐患,降低火灾发生时外墙保温系统对火灾的促进作用,逐步达到国际外墙保温防火技术的先进水平。三是从长期性和重要性而言,外墙保温建筑投入使用后存在的危险性不容忽视,但目前近70%以上的火灾案例发生在施工现场时段。主要是因为外墙保温的施工处在一个多工种、立体交叉作业的过程中,裸露的保温材料存在较大的火灾隐患,无法避免火花溅落或在建筑物使用中发生火灾,以及被点燃后的火势蔓延。因此,加强施工现场管理显得非常重要,也是减少该时段火灾隐患的一个重要途径。

 

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