不同應用的聚氨酯外墻保溫系統(tǒng)防火性能研究

曾緒斌，趙成剛，盧國建，劉軍軍

（公安部四川消防研究所，四川 成都 610036）

硬質聚氨酯泡沫是一類具有閉孔結構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，其在建筑保溫節(jié)能工程中被廣泛應用.聚氨酯泡沫通常通過雙組分液料反應交聯(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，在燃燒過程中會釋放出多種有毒有害氣體.經(jīng)過阻燃處理的硬質聚氨酯泡沫，其燃燒性能可得到很大的提高［1］.硬質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普遍關注.以硬質聚氨酯泡沫為保溫材料的建筑外墻保溫系統(tǒng)主要有以下幾種結構：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.本文以實體火災試驗為基礎，著重比較以硬質聚氨酯泡沫為保溫材料的建筑外墻保溫系統(tǒng)，研究其不同結構和應用方式對建筑外墻保溫系統(tǒng)防火安全性能的影響.

1 試驗對象

本研究試驗對象為建筑外墻保溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)以硬質聚氨酯泡沫為保溫材料，主要有3種應用方式：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).它們的結構形式如圖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，按照實際應用的施工工藝，用水泥砂漿將聚氨酯泡沫粘貼于試驗墻體上，并用鉚釘將其固定，表面鋪設玻纖網(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 裝飾鋁板構成，按照實際應用的施工工藝，采用粘鉚結合的安裝方式將保溫一體化板固定于試驗墻體；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，按照實際應用的施工工藝，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，且在樓層之間設置幕墻空腔的防火封堵［2－3］.

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

2 實體建筑火災試驗

2.1 火災場景

實體火災試驗以窗口火災為基礎，主要模擬房間起火.當火災發(fā)展到一定程度時，在高溫火焰的作用下，門窗玻璃破碎脫落，房間內火焰和熱煙氣通過建筑外墻的窗洞向外噴射，對外墻保溫系統(tǒng)產(chǎn)生熱作用，促使保溫材料在高溫下分解燃燒.同時火焰順著墻體豎向蔓延，并對相鄰樓層造成火災隱患.試驗通過觀測火災作用下外墻保溫系統(tǒng)的保溫材料是否被引燃，火災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，能否在火災條件下產(chǎn)生大面積的垮塌，是否對火災撲救人員構成威脅等現(xiàn)象，評價不同結構及應用方式的外墻保溫系統(tǒng)的防火性能差異.

2.2 試驗設施

以11層實體建筑為試驗場所，燃燒室設定為2樓房間，在建筑第2，3，4層外墻墻面按照實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，構成陰角結構.其中，燃燒室開口尺寸為2 000 mm×2 000 mm，內部尺寸2 300mm×2 000mm×1 050mm，附墻寬度1 500mm；觀察房間窗戶開口尺寸2 200mm×1 500mm，觀察房間內部尺寸為3 600mm×3 500mm×5 000mm.以木垛作為火源，木材共280kg.在3，4樓觀察房間內模擬辦公室場景，布置了書桌、沙發(fā)及坐凳等家具，書桌上擺放了書、報紙等可燃物，窗戶由3扇玻璃構成，試驗時開啟1扇玻璃，窗戶上掛有窗簾.

試驗過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?）試驗后保溫材料碳化或損毀的范圍；（3）對相鄰樓層的影響.

試驗過程中以熱電偶測試記錄以下數(shù)據(jù)：（1）聚氨酯泡沫的內部溫度，測試位置在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樓觀察房間內頂棚的溫度［4－5］.

2.3 保溫材料的燃燒性能

本試驗選取3種樣品，分別按照GB／T 2406.2—2009《塑料用氧指數(shù)法測定燃燒行為 第2部分：室溫試驗》和GB／T 20284—2006《建筑材料或制品的單體燃燒試驗》對試樣進行氧指數(shù)OI試驗和單項燃燒SBI試驗，樣品信息及試驗結果見表1.其中樣品2為鋁面一體化保溫板，試驗時對一體化保溫板和聚氨酯泡沫板分別進行了測試.

2.4 實體火災試驗數(shù)據(jù)及記錄

2.4.1 試驗過程中的觀察記錄

試驗過程中樣品2的火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@快于樣品1和樣品3，觀察室內均未出現(xiàn)可燃物被點燃的情況，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試驗結果Table 1 SBI and OI test results

2.4.2 試驗中不同位置的溫度

3，4樓窗口下方各100mm 處保溫材料內部溫度如圖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

試驗結束拆除保溫系統(tǒng)表面覆蓋層后的照片如圖5所示.

圖2 泡沫保溫層內部溫度Fig.2 Temperature in foam

由圖5（a）可見，樣品1的硬質聚氨酯泡沫表面碳化，在試驗過程中出現(xiàn)了開裂、部分燒損.距離燃燒室開口上方約1m 內，碳化后的聚氨酯泡沫掉落，露出墻體，垮塌面積約1m2，整個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，試驗過程中未引燃3樓室內可燃物.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 觀察房間內頂棚溫度Fig.4 Temperature under ceiling in measure room

由圖5（b）可見，樣品2的硬質聚氨酯泡沫表面碳化，在試驗過程中出現(xiàn)了開裂、部分燒損.從燃燒室開口至3樓窗口下沿的范圍內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，整個窗戶窗框及玻璃垮塌，3樓窗簾在火焰作用下收縮，試驗過程中未引燃3樓室內可燃物.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，去掉樣品3的鋁塑板和抹灰層后，硬質聚氨酯泡沫表面部分碳化，在厚度方向沒有出現(xiàn)碳化貫穿，無垮塌現(xiàn)象，整個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，試驗過程中未引燃3樓室內可燃物.4樓窗戶玻璃及窗框基本保持完好.

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果比較

試驗選取了氧指數(shù)OI相近的3種硬質聚氨酯泡沫作為保溫材料，保溫材料的燃燒性能等級均達到GB8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》規(guī)定的C 級，即均為難燃性材料［6］.通過實體火災試驗可以看出，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)了火災傳播的危險性.從火焰?zhèn)鞑サ竭_墻體表面不同位置的時間，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)鞑プ畲蟾叨葋砜矗瑯悠?＜樣品1＜樣品2.

（2）碳化及損毀范圍.在試驗過程中樣品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埋處，而樣品1和樣品3內部溫度最高只有幾十度，表明熱電偶預埋處保溫材料保持完好.

（3）對鄰近樓層的影響.試驗過程中觀察房間內部可燃物均未被點燃，但是從觀察房間窗戶的損毀情況看，樣品2最嚴重，其次是樣品1 和樣品3.建筑外墻窗口作為火災傳播穿越防火分區(qū)的重要路徑，窗口周圍的溫度是表征火災能否對相鄰樓層造成火災隱患的重要參數(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危險性的直接體現(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200℃，意味著在特定條件下有可能造成室內可燃物燃燒，從而引發(fā)火災.

3.2 試驗結果分析

對建筑外墻保溫系統(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)的結構及應用方式.

硬質聚氨酯泡沫的阻燃改性處理主要有添加型和結構型兩種途徑.添加型阻燃處理是在合成過程中添加無機、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構型阻燃處理，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，使其具有較高的密度，從而提高對熱的抵制作用.結構型阻燃處理是目前對硬質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，見表1.

對于保溫材料具有相同燃燒性能等級的外墻保溫系統(tǒng)，自身的結構及應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氣體被點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，因此硬質聚氨酯泡沫裸板要達到難燃性要求已很不容易.燃燒后的聚氨酯泡沫會在表面形成碳化層，對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暴露于火焰中并繼續(xù)分解燃燒［7］.本試驗樣品1為薄抹灰保溫系統(tǒng)，表面的水泥砂漿層對火焰具有較強的抵制效果，對保溫材料有直接的保護和隔熱作用，同時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氣體，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粘鉚結合的方式直接固定于墻體，雖然一體化保溫板燃燒性能達到了B 級，但實體火災試驗的火源強度遠遠大于標準試驗SBI的火源強度，保溫系統(tǒng)表層的鋁板在火焰作用下極易導熱，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，同時由于鋁板直接與泡沫粘貼復合，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，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)出一定的火災危險性.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.燃燒性能達到B 級的鋁塑板在火災中基本不會造成火焰的表面蔓延，對火災發(fā)展貢獻有限；同時由于鋁塑板與抹灰砂漿層之間存在著空腔，空腔內樓層之間設置有防火封堵，這種構造一方面增加了保溫系統(tǒng)的厚度，對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入幕墻空腔內，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有水泥砂漿層保護，發(fā)生火災時，在幕墻板與保溫材料之間的空腔內容易形成煙囪效應，從而加速火焰的快速爬升.本試驗的幕墻保溫系統(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，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.通過實體火災試驗可以看出，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，具有較高的火災危險性；薄抹灰保溫系統(tǒng)和幕墻保溫系統(tǒng)在火災中表現(xiàn)相對較好，具有一定的防火性能.

4 結論

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，保溫系統(tǒng)的自身結構及應用方式也是重要影響因素.保溫材料達到C 級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)相對于薄抹灰和幕墻保溫系統(tǒng)，防火性能相對較差，在實體火災中具有較高的火災危險性；幕墻保溫系統(tǒng)當保溫材料表面有水泥砂漿等無機材料保護，幕墻面層采用燃燒性能等級為B 級以上的鋁塑板，且幕墻空腔內設有防火封堵時，其防火性能甚至比薄抹灰保溫系統(tǒng)更好.

［1］王新鋼，李風，張澤江.淺談聚氨酯硬泡保溫材料阻燃技術［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)能工程施工質量驗收規(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［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.