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摘要：近年来，随着社会发展和国家城镇化推进，高层、超高层建筑在公共及住宅建筑中占比越来越大。同时，高层建筑火灾时有发生，其蔓延速度快，扑救难度大等特点使得高层建筑火灾防治成为业界难题。建筑外窗作为建筑外墙体上隔绝火焰进入室内的最薄弱环节，被视作高层建筑中保护生命及财产安全的关键所在。铝合金节能外窗因其型材横截面尺寸精确，加工精度高，力学性能优异，表面处理方式美观，物理性能良好等优势，在建筑外窗中占有较大市场。但铝合金存在熔点低的物理特性，不能直接作为防火产品。为达到GB50016-2014《建筑设计防火规范》规定的针对不同建筑层高的建筑外窗耐火完整性不低于0.50h和1.00h的要求，多种铝合金外窗耐火时间提升措施被提出并应用于各类工程案例。
关键词：铝合金外窗；耐火完整性；耐火材料；物理性能
1、铝合金外窗耐火方案分析
1.1铝合金型材板块耐火完整性
铝合金型材作为铝合金节能外窗的结构支撑部分，较钢材、玻璃钢型材等具有密度轻、力学性能优异等优势。铝合金节能外窗所用型材在遇火灾时，短时间内将因基材熔化等造成玻璃坍塌，火灾向室内蔓延。甚至会因聚酰胺隔热条不充分燃烧而产生的浓烟等造成继发伤害。为延长铝合金型材耐火时间，解决方案大致可分为以下两类：1、采用CC吸热型防火灌注料对室内外侧铝合金基材腔体及两隔热条所形成腔体内进行灌注；2、采用不同规格的石墨基防火膨胀材料对室内外侧铝合金基材腔体、隔热条所形成腔体及铝合金型材五金槽口等进行填充。两类填充材料工作原理如下：CC吸热型防火灌注料与水发生固化反应，用于铝合金型材空腔的灌注填充，遇火时通过大量吸热和隔热作用延缓可熔化型材的熔化速度、降低系统背火面的温度，同时阻隔热量的传递，帮助防火系统实现耐火完整性和隔热性，且能提高系统在使用中的机械强度。而石墨基防火膨胀条属于凝固相阻燃机理，它是通过延缓或中断固态物质产生可燃性物质而达到阻燃的，受热到一定程度，可膨胀石墨就会开始膨胀，从而形成一个很厚的多孔碳化层，该碳化层有足够的热稳定性把阻燃主体和热源隔开，从而延缓和终止聚合物的分解，而其本身无毒，受热时不产生有毒和腐蚀性气体，并能大大降低发烟量。市面现售石墨基防火膨胀条可在受150℃～200℃温度烘烤时达到15倍～50倍的原体积膨胀量。但CC吸热型防火灌注料质量良莠不齐，市面上经常出现因灌注料质量差而严重腐蚀型材的现象。另外，受各腔体灌注加工工艺繁琐及灌注后型材整体密度大等因素影响。近年来，该工艺在铝合金耐火窗上的应用比例，较以往明显减少。
1.2玻璃板块耐火方案分析
对于耐火外窗玻璃选用，首先应考虑玻璃的耐火完整性。但随着耐火外窗制作工艺不断提升，设计过程中应综合考虑建筑节能、采光、遮阳及空气声隔声等方面要求，并同时兼顾防火玻璃的耐火隔热性。针对防火玻璃的耐火隔热性方面，GB15763.1-2009《建筑用安全玻璃第1部分：防火玻璃》中明确区分隔热型防火玻璃（A类，同时满足耐火完整性、耐火隔热性要求）和非隔热型防火玻璃（C类，仅满足耐火完整性要求）。即：A类防火玻璃，除具备C类防火玻璃的耐火完整性外，兼具热辐射屏蔽功能（背火面平均温升不超过140℃，最高温升不超过180℃）。而防火玻璃按结构可分为单片防火玻璃和复合防火玻璃。单片防火玻璃又分为传统单片防火玻璃和特殊单片防火玻璃。后者是指采用的玻璃基片为特征成分的玻璃，主要有硅酸盐、硅铝酸盐及微晶防火玻璃，其软化温度高，膨胀系数小，在强火焰下不会因高温而炸裂或变形。复合防火玻璃又可区分为夹胶法制作的防火玻璃和灌注型防火玻璃。铝合金耐火外窗一般选用的玻璃配置为，双玻、三玻由单片防火玻璃（铯钾防火玻璃）合片而成的中空玻璃，另外，采用中空玻璃在生产过程中，会采用不锈钢间隔条代替传统的铝合金间隔条，并采用耐火胶进行密封。中空玻璃安装过程也要严格注意朝向。普通钢化玻璃为向火面，防火玻璃位于室内侧，处于背火面。向火面普通钢化玻璃遇火后很快炸裂，而最内侧防火玻璃须严格保持耐火完整性。
1.3镶嵌及框扇搭接板块耐火方案分析
铝合金型材框、扇玻璃镶嵌空间及框扇搭接空间是耐火窗需解决的两大薄弱环节。常规铝合金节能门窗玻璃镶嵌区域（框、扇在非玻璃垫安装块处）、两处空腔较大，未经填充，若发生火灾时，与向火面仅隔一层1.4mm～1.8mm壁厚的铝合金型材，耐火性能极差。当发生火灾时，明火或浓烟易从此耐火薄弱环节向室内蔓延。现有针对此处的耐火完整性解决方案，仍旧以“封堵”和“延长明火耐受时间”为主。现行解决方案在玻璃镶嵌区域一般选择采用石棉防火玻璃垫片，以替代常规门窗硬质塑料玻璃垫片，并用石棉材料对镶嵌剩余空间进行填充；用防火棉条等替代原有三元乙丙密封胶条；也有采用阻燃胶条或阻燃胶等替代常规三元乙丙胶条者，但效果不佳。在框扇搭接区域，一般采用条状石墨基防火膨胀材料对框、扇各安装槽口等处进行填充。综上两区域所采取的措施，目的均是通过阻燃、耐火、膨胀材料等，填充剩余空间，用以延长向火面铝材受热坍塌时间。另外，也有解决方案提出，在玻璃镶嵌处，用防火硅酮胶进行密封。但需严格注意硅酮胶质量，应真正防火阻燃，且在高温环境中不得产生浓烟等有害气体。
1.4五金及附件方案分析
上述铝合金型材及镶嵌、搭接腔体解决方案，只是通过各种耐火、防火材料的添加，延缓背火面升温时间，从而达到提升整窗耐火完整性的效果。但各种材料的添加不能改变铝合金型材本身熔点低的固有性质。以隔热断桥型材为例，铝合金型材向火面腔体及五金槽口等处，虽填充石墨基防火膨胀条，但在火灾等高温状态下，仍旧会造成向火面及隔热条等处变形，继而导致玻璃往向火面倾倒、坍塌，造成火焰向室内蔓延。为防止此现象发生，一般会在背火面型材上安装不锈钢连接件，其一端固定在背火面型材上，起固定玻璃，防止倾倒等作用；使铝合金窗延长耐火完整时间。另外，铝合金耐火窗对五金配件有着严格的要求。一般需选用耐火五金，且在原有安装基础上，适当增加锁点个数，以应对高温环境及石墨基防火膨胀材料受热体积膨胀所产生的应力，并保证窗扇不能因五金配件受热变形而出现下坠、坍塌等缺陷。
2、耐火完整性解决方案对铝合金窗物理性能的影响
2.1物理性能比对试验及结果差异分析
为验证耐火材料的添加对铝合金窗物理性能的影响，本文选取某型材企业HL65系列高性能外开窗展开耐火窗及节能窗比对试验。试验采用该HL65系列高性能外开窗型材，采用相同五金及玻璃配置，各制作3樘尺寸（1470mm³1470mm）、分格完全一致的节能窗和耐火窗；并开展样窗物理性能检测（抗风压性能、气密性能、水密性能、保温性能及空气声隔声性能），后随机将2樘耐火窗依据GB/T12513-2006《镶玻璃构件耐火试验方法》进行型式检验委托。HL65系列节能窗与耐火窗制作尺寸和窗型分格完全相同，玻璃配置几乎一致，区别仅在于，耐火窗样品在型材腔体、镶嵌腔体和搭接腔体三个空间内用防火、耐火材料等进行填充。而试验结果显示，两类样品气密性能、水密性能和抗风压性能差异不大；耐火窗保温性能较节能窗略差，而空气声隔声性能略有提升。原因分析：铝合金型材各腔体内填充较为密实的石墨基膨胀材料，而石墨导热效果极其优异，较大程度地削弱了铝合金框扇型材空腔所起到的防止热对流作用，形成直接的热桥，从而使得整窗保温性能降低。而玻璃镶嵌剩余空间内虽填充一定量的绝热效果良好的石棉材料，但因玻璃镶嵌剩余空间较小，其对整窗保温性能的提升不能抵消石墨基膨胀材料的使用所带来的保温效果损失。另外，固定在背火面的起固定玻璃的不锈钢连接卡件也可形成热桥，卡件安装数量虽少，但也应一并视作保温影响因素。而样窗中所有空腔填充，会对整窗的空气声隔声性能有略微的提升。因此，在确定耐火窗加工工艺时，必须对加工工艺所产生的整窗保温性能降低予以充分考虑。
2.2其他耐火完整性解决方案对物理性能影响分析
除上述耐火窗制作工艺外，市面上采用较多的制作工艺还有在成品窗四边及四角加装连接向火面、背火面铝合金型材的不锈钢连接片和连接护角，用以加强耐火窗内外结构稳定性，延长向火面坍塌时间，以提升整窗耐火完整性。但在窗四周及四角大量使用此类不锈钢连接件，其会在耐火窗的内外两侧形成有效热桥，较大程度的降低整窗的保温性能。在发生火灾时，室外火焰温度也能较快的通过不锈钢片传递至室内。因此，本文不建议继续应用此制作工艺。市面上还存在为了一味追求铝合金窗耐火完整性试验时间的相关制作工艺。诸如，在等压胶条内外两侧黏贴石墨基膨胀材料，甚至采用石墨基膨胀材料制作等压胶条。前者会严重影响等压胶条弹性，后者直接使等压胶条失去作用，无任何使用耐久性可言，且组角处不能有效密封。因为会严重影响耐火窗的气密性能、水密性能，在极大程度上损失掉了耐火窗的实际使用价值。此外，也有解决方案在做玻璃镶嵌时，采用防火棉条取代阻燃密封胶条，其耐火效果明显，但应在防火棉条外侧以防火硅酮胶进行密封。否则，会因防火棉条易吸水性导致外侧雨水大量渗入型材腔体内，造成整窗水密性差。
3、结束语
综上分析，要使铝合金外窗兼具物理性能与耐火完整性能，是一项较为复杂的工程。不能以损失铝合金外窗物理性能为代价而延长耐火完整性时间。本文建议铝合金耐火完整性解决方案为：选用优质、断面设计合理的铝合金建筑型材，配以优质防火玻璃、（同时注意采用Low-E处理等提高玻璃性能的配置）；使用石墨基膨胀材料、防火棉条、石棉垫片等材料，对铝合金型材空腔、玻璃镶嵌空腔及框扇搭接空腔等进行填充；并选用防火五金配件、防火密封胶条等，全面延长铝合金外窗耐火时间的同时，兼顾其物理性能。
参考文献：
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