不同應(yīng)用的聚氨酯外墻保溫系統(tǒng)防火性能研究

曾緒斌，趙成剛，盧國(guó)建，劉軍軍

（公安部四川消防研究所，四川 成都 610036）

硬質(zhì)聚氨酯泡沫是一類具有閉孔結(jié)構(gòu)的低密度微孔高分子材料，由于具有優(yōu)良的隔熱性、防水性、穩(wěn)定性及抗壓性等優(yōu)良品質(zhì)，其在建筑保溫節(jié)能工程中被廣泛應(yīng)用.聚氨酯泡沫通常通過(guò)雙組分液料反應(yīng)交聯(lián)固化發(fā)泡而成，主要由多元醇和異氰酸酯組成.普通硬質(zhì)聚氨酯泡沫的極限氧指數(shù)一般低于19%，屬于易燃材料，在燃燒過(guò)程中會(huì)釋放出多種有毒有害氣體.經(jīng)過(guò)阻燃處理的硬質(zhì)聚氨酯泡沫，其燃燒性能可得到很大的提高［1］.硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為建筑外墻用主要保溫材料之一，其防火性能受到了社會(huì)普遍關(guān)注.以硬質(zhì)聚氨酯泡沫為保溫材料的建筑外墻保溫系統(tǒng)主要有以下幾種結(jié)構(gòu)：薄抹灰保溫系統(tǒng)、一體化保溫系統(tǒng)及幕墻保溫系統(tǒng)等.本文以實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，著重比較以硬質(zhì)聚氨酯泡沫為保溫材料的建筑外墻保溫系統(tǒng)，研究其不同結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方式對(duì)建筑外墻保溫系統(tǒng)防火安全性能的影響.

1 試驗(yàn)對(duì)象

本研究試驗(yàn)對(duì)象為建筑外墻保溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)以硬質(zhì)聚氨酯泡沫為保溫材料，主要有3種應(yīng)用方式：薄抹灰保溫系統(tǒng)、金屬面一體化保溫系統(tǒng)和幕墻保溫系統(tǒng).它們的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示.圖1（a）為薄抹灰保溫系統(tǒng)，保溫材料為100mm 厚聚氨酯泡沫板，按照實(shí)際應(yīng)用的施工工藝，用水泥砂漿將聚氨酯泡沫粘貼于試驗(yàn)墻體上，并用鉚釘將其固定，表面鋪設(shè)玻纖網(wǎng)格布并涂刷5 mm 厚聚合物水泥砂漿層；圖1（b）為金屬面一體化保溫系統(tǒng)，一體化保溫板由45mm 厚聚氨酯泡沫板單面粘貼0.8mm 裝飾鋁板構(gòu)成，按照實(shí)際應(yīng)用的施工工藝，采用粘鉚結(jié)合的安裝方式將保溫一體化板固定于試驗(yàn)墻體；圖1（c）為幕墻保溫系統(tǒng)，保溫材料為80mm 厚噴涂聚氨酯泡沫，按照實(shí)際應(yīng)用的施工工藝，將聚氨酯液料直接在墻面上噴涂發(fā)泡，表面鋪設(shè)玻纖網(wǎng)格布并涂刷5mm 厚水泥砂漿層，再在抹面砂漿層外部安裝金屬龍骨和裝飾鋁塑板，抹面砂漿層與鋁塑板之間的空腔寬度100mm，且在樓層之間設(shè)置幕墻空腔的防火封堵［2－3］.

圖1 不同應(yīng)用方式的外墻保溫系統(tǒng)Fig.1 Exterior wall insulation systems of different applications

2 實(shí)體建筑火災(zāi)試驗(yàn)

2.1 火災(zāi)場(chǎng)景

實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)以窗口火災(zāi)為基礎(chǔ)，主要模擬房間起火.當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到一定程度時(shí)，在高溫火焰的作用下，門窗玻璃破碎脫落，房間內(nèi)火焰和熱煙氣通過(guò)建筑外墻的窗洞向外噴射，對(duì)外墻保溫系統(tǒng)產(chǎn)生熱作用，促使保溫材料在高溫下分解燃燒.同時(shí)火焰順著墻體豎向蔓延，并對(duì)相鄰樓層造成火災(zāi)隱患.試驗(yàn)通過(guò)觀測(cè)火災(zāi)作用下外墻保溫系統(tǒng)的保溫材料是否被引燃，火災(zāi)能否造成火焰沿著外墻向上傳播，能否造成相鄰樓層的房間著火，能否在火災(zāi)條件下產(chǎn)生大面積的垮塌，是否對(duì)火災(zāi)撲救人員構(gòu)成威脅等現(xiàn)象，評(píng)價(jià)不同結(jié)構(gòu)及應(yīng)用方式的外墻保溫系統(tǒng)的防火性能差異.

2.2 試驗(yàn)設(shè)施

以11層實(shí)體建筑為試驗(yàn)場(chǎng)所，燃燒室設(shè)定為2樓房間，在建筑第2，3，4層外墻墻面按照實(shí)際施工工藝安裝保溫系統(tǒng).3，4樓相鄰樓層房間作為觀察房間，房間外建造一堵附墻，構(gòu)成陰角結(jié)構(gòu).其中，燃燒室開(kāi)口尺寸為2 000 mm×2 000 mm，內(nèi)部尺寸2 300mm×2 000mm×1 050mm，附墻寬度1 500mm；觀察房間窗戶開(kāi)口尺寸2 200mm×1 500mm，觀察房間內(nèi)部尺寸為3 600mm×3 500mm×5 000mm.以木垛作為火源，木材共280kg.在3，4樓觀察房間內(nèi)模擬辦公室場(chǎng)景，布置了書桌、沙發(fā)及坐凳等家具，書桌上擺放了書、報(bào)紙等可燃物，窗戶由3扇玻璃構(gòu)成，試驗(yàn)時(shí)開(kāi)啟1扇玻璃，窗戶上掛有窗簾.

試驗(yàn)過(guò)程中主要觀察記錄以下現(xiàn)象：（1）火焰?zhèn)鞑サ乃俣群透叨龋唬?）試驗(yàn)后保溫材料碳化或損毀的范圍；（3）對(duì)相鄰樓層的影響.

試驗(yàn)過(guò)程中以熱電偶測(cè)試記錄以下數(shù)據(jù)：（1）聚氨酯泡沫的內(nèi)部溫度，測(cè)試位置在3，4樓觀察房間窗口下方100mm 處；（2）3，4樓觀察房間窗口周圍的溫度；（3）3，4樓觀察房間內(nèi)頂棚的溫度［4－5］.

2.3 保溫材料的燃燒性能

本試驗(yàn)選取3種樣品，分別按照GB／T 2406.2—2009《塑料用氧指數(shù)法測(cè)定燃燒行為 第2部分：室溫試驗(yàn)》和GB／T 20284—2006《建筑材料或制品的單體燃燒試驗(yàn)》對(duì)試樣進(jìn)行氧指數(shù)OI試驗(yàn)和單項(xiàng)燃燒SBI試驗(yàn)，樣品信息及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.其中樣品2為鋁面一體化保溫板，試驗(yàn)時(shí)對(duì)一體化保溫板和聚氨酯泡沫板分別進(jìn)行了測(cè)試.

2.4 實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及記錄

2.4.1 試驗(yàn)過(guò)程中的觀察記錄

試驗(yàn)過(guò)程中樣品2的火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@快于樣品1和樣品3，觀察室內(nèi)均未出現(xiàn)可燃物被點(diǎn)燃的情況，樣品1，2，3 火焰?zhèn)鞑プ畲蟾叨确謩e約3.5，4.5，3.0m.

表1 SBI和OI試驗(yàn)結(jié)果Table 1 SBI and OI test results

2.4.2 試驗(yàn)中不同位置的溫度

3，4樓窗口下方各100mm 處保溫材料內(nèi)部溫度如圖2所示；3，4樓觀察房間窗口周圍溫度如圖3所示；3，4樓觀察房間內(nèi)頂棚溫度如圖4所示.

2.4.3 建筑外墻保溫系統(tǒng)的燒損情況

試驗(yàn)結(jié)束拆除保溫系統(tǒng)表面覆蓋層后的照片如圖5所示.

圖2 泡沫保溫層內(nèi)部溫度Fig.2 Temperature in foam

由圖5（a）可見(jiàn)，樣品1的硬質(zhì)聚氨酯泡沫表面碳化，在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了開(kāi)裂、部分燒損.距離燃燒室開(kāi)口上方約1m 內(nèi)，碳化后的聚氨酯泡沫掉落，露出墻體，垮塌面積約1m2，整個(gè)墻面聚氨酯保溫層碳化高度約2.5m.3樓窗框及玻璃垮塌，部分塑鋼窗框損毀，3樓窗簾在火焰作用下收縮，試驗(yàn)過(guò)程中未引燃3樓室內(nèi)可燃物.4樓窗戶玻璃及窗框基本保持完好.

圖3 觀察房間窗口周圍溫度Fig.3 Temperature around window of measure room

圖4 觀察房間內(nèi)頂棚溫度Fig.4 Temperature under ceiling in measure room

由圖5（b）可見(jiàn)，樣品2的硬質(zhì)聚氨酯泡沫表面碳化，在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了開(kāi)裂、部分燒損.從燃燒室開(kāi)口至3樓窗口下沿的范圍內(nèi)大部分聚氨酯泡沫被燒毀，碳化后的聚氨酯泡沫掉落，露出墻體面積約2m2，整個(gè)墻面聚氨酯保溫層碳化高度約3.5m.3樓塑鋼窗框損毀，整個(gè)窗戶窗框及玻璃垮塌，3樓窗簾在火焰作用下收縮，試驗(yàn)過(guò)程中未引燃3樓室內(nèi)可燃物.4 樓窗戶部分玻璃垮塌，部分窗框損毀變形，窗簾收縮.

由圖5（c）可見(jiàn)，去掉樣品3的鋁塑板和抹灰層后，硬質(zhì)聚氨酯泡沫表面部分碳化，在厚度方向沒(méi)有出現(xiàn)碳化貫穿，無(wú)垮塌現(xiàn)象，整個(gè)墻面聚氨酯保溫層碳化高度小于2m.3樓窗框及玻璃垮塌，3樓窗簾在火焰作用下收縮，試驗(yàn)過(guò)程中未引燃3樓室內(nèi)可燃物.4樓窗戶玻璃及窗框基本保持完好.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果比較

試驗(yàn)選取了氧指數(shù)OI相近的3種硬質(zhì)聚氨酯泡沫作為保溫材料，保溫材料的燃燒性能等級(jí)均達(dá)到GB8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》規(guī)定的C 級(jí)，即均為難燃性材料［6］.通過(guò)實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)可以看出，保溫系統(tǒng)的防火性能樣品3＞樣品1＞樣品2，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）火焰?zhèn)鞑ニ俣燃奥痈叨?建筑外墻表面是火災(zāi)傳播的直接路徑，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃奥痈叨戎苯芋w現(xiàn)了火災(zāi)傳播的危險(xiǎn)性.從火焰?zhèn)鞑サ竭_(dá)墻體表面不同位置的時(shí)間，可以看出樣品2傳播速度明顯大于樣品1和樣品3.從火焰?zhèn)鞑プ畲蟾叨葋?lái)看，樣品3＜樣品1＜樣品2.

（2）碳化及損毀范圍.在試驗(yàn)過(guò)程中樣品1和樣品2均出現(xiàn)了燃燒碳化垮塌現(xiàn)象，甚至裸露出墻體，而樣品3只在表面出現(xiàn)了碳化層.由圖5可以看出，樣品1碳化高度至3樓窗戶中部，樣品2碳化高度至3樓窗戶頂部，而樣品3碳化高度未至3樓窗戶底部.從保溫材料內(nèi)部溫度看，樣品2 最高為550℃，表明火焰已直接燃燒至3樓窗口下方熱電偶預(yù)埋處，而樣品1和樣品3內(nèi)部溫度最高只有幾十度，表明熱電偶預(yù)埋處保溫材料保持完好.

（3）對(duì)鄰近樓層的影響.試驗(yàn)過(guò)程中觀察房間內(nèi)部可燃物均未被點(diǎn)燃，但是從觀察房間窗戶的損毀情況看，樣品2最嚴(yán)重，其次是樣品1 和樣品3.建筑外墻窗口作為火災(zāi)傳播穿越防火分區(qū)的重要路徑，窗口周圍的溫度是表征火災(zāi)能否對(duì)相鄰樓層造成火災(zāi)隱患的重要參數(shù).3 樓窗口最高溫度樣品2為646℃，樣品1為323℃，樣品3為195℃，4樓窗口溫度三者相差不大.觀察房間的頂棚溫度是火災(zāi)危險(xiǎn)性的直接體現(xiàn)，3 樓頂棚最大溫度樣品2 為224℃，樣品1為158℃，樣品3為152℃，若頂棚溫度超過(guò)200℃，意味著在特定條件下有可能造成室內(nèi)可燃物燃燒，從而引發(fā)火災(zāi).

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)建筑外墻保溫系統(tǒng)防火性能影響最主要有兩方面因素：一是保溫材料的燃燒性能，二是保溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用方式.

硬質(zhì)聚氨酯泡沫的阻燃改性處理主要有添加型和結(jié)構(gòu)型兩種途徑.添加型阻燃處理是在合成過(guò)程中添加無(wú)機(jī)、磷系或鹵系等阻燃劑，使之具有阻燃作用的處理方式.本試驗(yàn)中樣品2和樣品3的聚氨酯泡沫為添加型阻燃處理，而樣品1的聚氨酯泡沫則為結(jié)構(gòu)型阻燃處理，它是在普通聚氨酯中加入聚異氰脲酸酯，即在分子鏈上引入耐熱基團(tuán)，使其具有較高的密度，從而提高對(duì)熱的抵制作用.結(jié)構(gòu)型阻燃處理是目前對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫較為有效的阻燃處理方式，除了改善材料的燃燒性能，還能降低材料燃燒的發(fā)煙量，見(jiàn)表1.

對(duì)于保溫材料具有相同燃燒性能等級(jí)的外墻保溫系統(tǒng)，自身的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用方式是造成防火性能產(chǎn)生巨大差異的主要影響因素.硬質(zhì)聚氨酯泡沫為熱固性材料，分解溫度約220℃，在火焰熱作用下，不斷分解釋放出的可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃并造成火焰在材料表面快速傳播，并釋放出大量熱量和煙氣，因此硬質(zhì)聚氨酯泡沫裸板要達(dá)到難燃性要求已很不容易.燃燒后的聚氨酯泡沫會(huì)在表面形成碳化層，對(duì)火焰具有一定抵制作用，但若火源較大，并持續(xù)熱作用，泡沫表面的碳化層則易出現(xiàn)龜裂甚至脫落，底層的聚氨酯泡沫就會(huì)暴露于火焰中并繼續(xù)分解燃燒［7］.本試驗(yàn)樣品1為薄抹灰保溫系統(tǒng)，表面的水泥砂漿層對(duì)火焰具有較強(qiáng)的抵制效果，對(duì)保溫材料有直接的保護(hù)和隔熱作用，同時(shí)還可以阻止火焰作用區(qū)域上部的聚氨酯分解釋放出可燃?xì)怏w，避免火焰大范圍的傳播.因此薄抹灰保溫系統(tǒng)具有一定的火災(zāi)安全性.樣品2為金屬面聚氨酯一體化保溫系統(tǒng)，它是由鋁板面一體化保溫板通過(guò)粘鉚結(jié)合的方式直接固定于墻體，雖然一體化保溫板燃燒性能達(dá)到了B 級(jí)，但實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)的火源強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)SBI的火源強(qiáng)度，保溫系統(tǒng)表層的鋁板在火焰作用下極易導(dǎo)熱，與薄抹灰系統(tǒng)相比它加速了底層聚氨酯泡沫的分解燃燒，同時(shí)由于鋁板直接與泡沫粘貼復(fù)合，在大規(guī)模火源作用下鋁板易于熔化或剝離垮塌，造成聚氨酯泡沫表面失去保護(hù)，直接暴露于火焰中，因此燃燒較為劇烈，燒損面積較大，故該保溫系統(tǒng)表現(xiàn)出一定的火災(zāi)危險(xiǎn)性.樣品3為幕墻保溫系統(tǒng)，它是在薄抹灰保溫系統(tǒng)外部增加了一層鋁塑板幕墻.燃燒性能達(dá)到B 級(jí)的鋁塑板在火災(zāi)中基本不會(huì)造成火焰的表面蔓延，對(duì)火災(zāi)發(fā)展貢獻(xiàn)有限；同時(shí)由于鋁塑板與抹灰砂漿層之間存在著空腔，空腔內(nèi)樓層之間設(shè)置有防火封堵，這種構(gòu)造一方面增加了保溫系統(tǒng)的厚度，對(duì)保溫材料起到一定隔熱作用，另一方面也在一定程度上阻止了火焰和熱量進(jìn)入幕墻空腔內(nèi)，從而減少了保溫材料所受的熱作用.普通幕墻保溫系統(tǒng)在保溫材料表面通常沒(méi)有水泥砂漿層保護(hù)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在幕墻板與保溫材料之間的空腔內(nèi)容易形成煙囪效應(yīng)，從而加速火焰的快速爬升.本試驗(yàn)的幕墻保溫系統(tǒng)，由于聚氨酯泡沫及幕墻板均為難燃性，且保溫材料表面有水泥砂漿層保護(hù)，因此它甚至表現(xiàn)出比薄抹灰系統(tǒng)更好的防火安全性能.通過(guò)實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)可以看出，3組樣品的保溫材料雖然均為難燃性材料，但鋁板面聚氨酯一體化保溫系統(tǒng)防火性能較差，具有較高的火災(zāi)危險(xiǎn)性；薄抹灰保溫系統(tǒng)和幕墻保溫系統(tǒng)在火災(zāi)中表現(xiàn)相對(duì)較好，具有一定的防火性能.

4 結(jié)論

建筑外墻保溫系統(tǒng)的防火性能除了與保溫材料的燃燒性能有關(guān)，保溫系統(tǒng)的自身結(jié)構(gòu)及應(yīng)用方式也是重要影響因素.保溫材料達(dá)到C 級(jí)以上的聚氨酯保溫系統(tǒng)可以具有很好的防火安全性能；金屬面一體化保溫系統(tǒng)相對(duì)于薄抹灰和幕墻保溫系統(tǒng)，防火性能相對(duì)較差，在實(shí)體火災(zāi)中具有較高的火災(zāi)危險(xiǎn)性；幕墻保溫系統(tǒng)當(dāng)保溫材料表面有水泥砂漿等無(wú)機(jī)材料保護(hù)，幕墻面層采用燃燒性能等級(jí)為B 級(jí)以上的鋁塑板，且幕墻空腔內(nèi)設(shè)有防火封堵時(shí)，其防火性能甚至比薄抹灰保溫系統(tǒng)更好.

［1］王新鋼，李風(fēng)，張澤江.淺談聚氨酯硬泡保溫材料阻燃技術(shù)［J］.廣州化工，2012，40（24）：4－6.WANG Xingang，LI Feng，ZHANG Zejiang.Studying of flame－retardant technology of polyurethane rigid foam insulation materials［J］.Guangzhou Chemical Industry，2012，40（24）：4－6.（in Chinese）

［2］GB 50411—2007 建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］.GB 50411—2007 Code for acceptance of energy efficient building construction［S］.（in Chinese）

［3］JGJ 144—2004 外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程［S］.JGJ 144—2004 Technical specification for external thermal insulation on walls［S］.（in Chinese）

［4］BS 8414－1：2002 Fire performance of external cladding systems—Part 1：Test method for non－loadbearing enternal cladding systems applied to the face of the building［S］.

［5］BS 8414－2：2005 Fire performance of external cladding systems—Part 2：Test method for non－loadbearing enternal cladding systems fixed to and supported by a structural steel frame［S］.

［6］GB 8624—2012 建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)［S］.GB 8624—2012 Classification for burning behavior of building materials and products［S］.（in Chinese）

［7］IRENA V，RICARDAS M，UIDIS S，et al.Thermal properties of polyurethane－polyisocyanurate foams based on poly（ethylene terephthalate）waste［J］.Materials Science，2011，17（3）：249－253.