淺析建筑外墻保溫隔熱材料與防火性能

徐 晶 貴陽鋁鎂設計研究院有限公司工程師

隨著國內建筑行業的不斷發展，建筑外墻保溫隔熱材料種類繁多，雖然保溫效果越來越好，但是防火性能存在不足，極少有材料可以達到既經濟環保又保溫隔熱防火的效果。因此，建筑外墻保溫隔熱材料的防火性能應該引起建筑行業的重視，保證建筑保溫隔熱材料的良好效果，真正做到建筑保溫工程的安全、環保、經濟、節能。

1 保溫系統概述

保溫系統可以阻止熱流的內外傳遞，保持內部溫度，從使用需求來看，需要冬季保持內部熱流，夏季隔離外界熱流。保溫系統分為外保溫和內保溫，由于內保溫在實際應用中存在缺陷，因此外保溫在建筑工程中的應用比較廣泛。外保溫是把保溫層置于主體墻外面，起到保溫隔熱的作用，同時具有裝修美化的效果，另外還需要配套材料，主要包括砂漿、瓷磚及少量可燃成分的材料，達到降低冷橋影響的作用，并降低溫度變形應力。

2 外墻保溫隔熱材料的傳熱原理及分類

2.1 外墻保溫隔熱材料的傳熱原理

傳熱是一種復雜現象，只要一種介質內或者兩種介質之間存在溫度差，就一定會發生傳熱。根據不同類型的傳熱過程，將其分為熱傳導、熱對流和熱輻射3種形式。熱傳導是指在無相對位移的情況下，不同溫度的物體直接接觸時所發生的熱能傳遞現象。熱對流是指流體的宏觀運動而引起的流體各部分相對位移，冷熱流體之間的熱量傳遞過程。建筑材料中的對流傳熱需要有孔道協助，由于外墻保溫隔熱材料孔道小，因此一般可忽略對流傳熱。熱輻射是以電磁波的形式向四周輻射，不需要孔道協助，導致熱量散失，此種方式是熱量在環境中傳播的主要途徑。

由于多孔結構具有質輕、導熱系數小、隔震和吸音等優點，因此保溫隔熱材料多選擇該結構材料[1]。多孔保溫隔熱材料由氣相和固相組成，分為氣相相連、固相相連以及氣相和固相均相連3 種結構，具體如圖1、圖2 和圖3 所示。在相同密度下，固相和氣相連續結構導熱系數最小，固態以纖維狀存在，氣相以氣孔方式吸附于固態材料上，效果最好。

圖1 氣相連續結構

圖2 固相連續結構

圖3 固相氣相均連續結構

2.2 外墻保溫隔熱材料的分類

外保溫隔熱材料要選用熱阻值大、導熱系數小的材料，同時要求具有防水性能。隨著國家對外墻保溫材料安全性要求的不斷提高，其防火性能引起了施工企業的重視，選用不燃性材料，不會發生火災事故。保溫材料在不同的環境下具有局限性，同時兼備防火和防水性能的材料較少。用于建筑外墻的保溫材料主要分為無機材料和有機材料，無機材料有巖棉板、膨脹珍珠巖保溫板等，有機材料有聚苯乙烯泡沫材料、聚氨酯硬質泡沫和酚醛泡沫等[2]。

2.2.1 巖棉板

巖棉板是一種人工無機纖維，用于住宅和公建外保溫工程或者外保溫中的防火隔離帶，具有質輕、吸熱和無腐蝕等優點，防火等級為A1 級[3]。其主要原料是玄武巖，將玄武巖通過離心設備制成無機纖維，在無機纖維中摻入粘結劑和防塵油，通過加溫固化加工成巖棉保溫板制品，導熱系數小于0.040 W/（m·K）。

2.2.2 膨脹珍珠巖保溫板

膨脹珍珠巖保溫板具有良好的吸聲效果，符合當前節能環保的要求，用于高品質的居住建筑，具有質輕、無毒、耐腐蝕等優點，防火等級為A1 級。其輕骨料是膨脹珍珠巖，然后摻入無機膠凝材料和功能性外加劑，通過模壓成型工序加工成保溫板制品，小于0.068 W/（m·K）的導熱系數。

2.2.3 聚苯乙烯泡沫

聚苯乙烯泡沫是一種常用的緩沖材料，具有吸水性小、密度小、機械強度好、加工性好、著色性好及抗放射性等優點，在外墻保溫隔熱材料中占有率高，防火等級為B 級。因其全部由碳氫元素組成，易燃燒并釋放大量熱量，同時放出污染環境的苯乙烯氣體，燃燒后會縮合熔化，保溫系統內形成空腔，發生轟燃。聚苯乙烯泡沫的主料為聚苯乙烯樹脂，然后摻入發泡劑等外加劑，最終制成熱塑性高分子保溫隔熱材料，0.041 W/（m·K）為導熱系數。

2.2.4 聚氨酯硬質泡沫

聚氨酯是一種高分子熱固性材料，應用范圍廣泛，具有多孔性、相對密度小、比強度高等優點，在外墻有機保溫材料中的使用效果最佳，防火等級為B 級。但屬于易燃材料，202 ℃以下不會分解，強制點燃溫度為310 ℃，受熱后產生氰化氫、CO 等有毒氣體。聚氨酯硬質泡沫的主要原料是異氰酸酯和聚醚，摻入發泡劑、催化劑、阻燃劑等外加劑，通過專用設備高壓噴涂現場發泡，導熱系數為0.024 W/（m·K）。

2.2.5 酚醛樹脂泡沫材料

酚醛樹脂泡沫材料是一種合成塑料，具有耐熱性、耐水性和絕緣性良好等優點，在外墻有機保溫材料中阻燃性最優，防火等級為B 級[4]。該材料不易燃燒，400 ℃以上陰燃，發煙量小，主要原料是酚醛樹脂，摻入阻燃劑、抑煙劑、發泡劑和固化劑等外加劑，最終制成閉孔硬質泡沫塑料，導熱系數為0.025 W/（m·K）。

3 建筑外墻保溫隔熱材料的防火性能分析

在獲得良好經濟效益的同時，安全問題也引起人們的重視，因此應該同時抓安全、環保、節能工作，促進我國社會和諧穩定發展。

3.1 外墻保溫隔熱材料的燃燒性能

不同保溫隔熱材料具有不同的燃燒性能，應根據使用環境選擇不同的保溫隔熱材料。外保溫隔熱材料按照燃燒難易程度分為A 級和B 級。A 級為不燃材料，火災危險性低，通常指無機材料。B 級分為B1 級（難燃材料）、B2 級（普通燃燒材料）和B3 級（易燃材料）。B1 級指添加阻燃劑的聚苯乙烯泡沫、聚氨酯硬質泡沫和酚醛樹脂泡沫；B2 級指一般有機材料，有較大火災危險性；B3 級指易點燃、火焰傳播速度快、火災危險性非常大的保溫材料，應杜絕使用[5]。

3.2 外墻保溫隔熱材料防火中熱值試驗參數的測定

熱值是外保溫隔熱材料防火性能的指標之一，熱值參數的測定對保溫防火性能具有重要意義[6]。依據《建筑材料及制品的燃燒性能燃燒熱值的測定》（GB/T 14402—2007）標準，將待測物質放入恒定容器內完全燃燒，燃燒釋放的熱量被容器內的水吸收，通過容器內水溫變化計算得出待測物質的燃燒熱值。試驗樣品為巖棉板、膨脹珍珠巖保溫板、聚苯乙烯泡沫、聚氨酯硬質泡沫和酚醛樹脂泡沫材料，對每種試驗樣品做3次試驗，取平均值作為最終結果，具體數據見表1。試驗過程是取試驗樣品和苯甲酸各0.5 g，將兩者均勻混合后放入坩堝中，點火絲連接兩端電極，將10 mL 蒸餾水倒入氧彈桶，并充氧升壓至3.0 MPa，放入熱量計進行試驗。

表1 外墻外保溫隔熱材料的燃燒熱值（單位：MJ/kg）

由表1 可以看出，巖棉板和膨脹珍珠巖的熱值最小，為A1 級材料。酚醛泡沫材料的平均熱值為31.7 MJ/kg，具有很高的火災危險性。聚氨酯硬質泡沫和酚醛泡沫材料熱值差不多，火災危險性也很高。聚苯乙烯泡沫材料的平均熱值為45.5 MJ/kg，火災危險性最高。

試驗得出，無機保溫隔熱材料燃燒熱值較低，具有良好的防火性能，有機保溫隔熱材料燃燒熱值大，應該添加阻燃劑或者設置防火隔離帶，降低火災隱患。

3.3 外墻保溫隔熱材料的燃燒性能與適用建筑

在選擇外保溫隔熱材料時，要從材料的燃燒性能入手，根據《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014）區分不同外墻保溫隔熱材料適用的建筑，見表2[7]。

表2 外墻保溫隔熱材料的燃燒性能與適用建筑

4 建筑項目外墻保溫隔熱材料應用案例

4.1 工程概況

某住宅項目總建筑面積為22 萬m2，共計38 棟，除幾棟別墅外，其余為多層和小高層建筑，共容納住戶2 000 多人，冬季平均溫度為-10 ℃，夏季平均氣溫為32 ℃。由于聚氨酯硬質泡沫在相同體積條件下的保溫性能優于其他材料，因此通過把聚氨酯硬質泡沫噴涂在建筑外墻能夠達到保溫隔熱效果。

本工程采用的建筑材料有普通硅酸鹽水泥32.5、聚氨酯硬質泡沫、涂料耐堿玻纖維布、聚合物砂漿和界面處理劑。外保溫體系具體施工過程為先噴聚氨酯硬質泡沫和聚合物砂漿的組合物，然后增加涂料耐堿玻纖維布，簡單經濟且環保節能。

4.2 外墻保溫隔熱材料燃燒性能分析

本工程中的聚氨酯硬質泡沫保溫性能良好，并在其中添加了阻燃劑，提高防火性能，降低火災風險。阻燃劑為阻燃聚醚，著火后會在外保溫表面形成保護層，阻止火勢蔓延。另外，聚氨酯硬質泡沫噴涂后會大大降低保溫材料的孔隙率，降低內部燃燒程度。為保證使用效果，要做好材料進場、施工和使用3個階段的管理，切實提高施工質量。

4.3 外墻保溫隔熱材料的防火性能分析

本工程采用聚氨酯硬質泡沫噴涂保溫層，形成了分倉構造和無空腔構造，提高了整體防火性能，優點如下。第一，聚氨酯硬質泡沫容易與粘結物結合，施工程序簡單，形成無接縫和無空腔的結構，避免外界物質進入，防火效果良好。第二，聚氨酯硬質泡沫與粘結物結合后形成連續保溫層，阻止燃燒，防火效果良好。第三，聚氨酯硬質泡沫中加入阻燃劑，具有聚氨酯和阻燃劑“1+1 ＞2”的共同特點，防火性能優良。第四，聚氨酯硬質泡沫的防水性能好，能夠阻斷外面物質進入，保證腔體內部穩定，避免熱量交換。總之，本工程外保溫隔熱材料采用聚氨酯硬質泡沫噴涂的施工方式，可以起到良好的保溫防火效果。

5 結語

保溫隔熱材料已廣泛應用到建筑領域，取得了良好的效果，但卻忽視了防火性能方面的要求，因此本文以外墻保溫隔熱材料的種類和防火性能研究為出發點，尋找更好的防火材料。本文通過應用聚氨酯硬質泡沫得到以下結論：（1）硬質泡沫聚氨酯噴涂施工簡便，做好材料的進場、施工和使用3 個階段的管理可以達到優良的效果；（2）由于聚氨酯硬質泡沫噴涂施工方式先天有著無空腔的基本優勢，能夠避免外界物質進入，防火性能更佳；（3）聚氨酯硬質泡沫中加入了阻燃劑，不僅能夠阻止熱量傳遞，而且降低了燃燒程度，值得推廣。