黃振利1 居世寶1 季廣其2 殷宜初3
（1.北京振利高新技術(shù)有限公司，北京 100073； 2．中國建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所，北京 100013；3．上海市合成樹脂研究所，上海 201103）
【摘 要】 酚醛泡沫作為防火
保溫材料，其性能指標(biāo)滿足外墻外保溫系統(tǒng)的各項(xiàng)要求，考察防火等級(jí)為B1難燃級(jí)的酚醛泡沫應(yīng)用于最苛刻的鋁單板幕墻系統(tǒng)窗口火試驗(yàn)中保溫材料的破損情況以及火焰在系統(tǒng)表面和內(nèi)部傳播的范圍和狀態(tài)，分析該材料在有無防火構(gòu)造措施情況下的燃燒性能。通過試驗(yàn)研究，充分論證了防火隔離帶、防火保護(hù)層、無空腔構(gòu)造措施的可行性和有效性，抓住防火的關(guān)鍵要素——熱釋放速率和火焰?zhèn)鞑蓚€(gè)指標(biāo)，明確外保溫防火實(shí)驗(yàn)方法、防火分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和適用高度，才更有利于保障外墻外保溫系統(tǒng)防火的安全性和工程質(zhì)量的長期穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】 防火保溫材料 防火構(gòu)造措施 酚醛泡沫 實(shí)驗(yàn)方法 防火分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
Fire Protection Performance Study of Phenolic Foam in Aluminum Curtain Wall Insulation System
HANG Zhen-li1， JU Shi-bao1， JI Guang-qi2， YIN Yi-chu3
(1. Beijing Zhen Li High-tech Co., Ltd. Beijing 100073, China; 2. China Academy of Building Research Institute of Building Fire, Beijing 100013, China; 3. Shanghai Research Institute Of Synthetic Resins, Shanghai 201103, China)
【Abstract】 Phenolic foam is a fireproof and thermal insulation material,its performance and specifications satisfy exterior insulation for exterior wall external insulation system requirements. For the study of class B1 fire rating ,Phenolic foam board is tested with or without structural measures under the conditions of fire prevention. The window fire breakage of phenolic foam in aluminum curtain wall system is tested in the most critical demanding fire. The flame propagation in the system and the internal surface of the scope and status are tested. Analysis of the material structural measures in case of fire without burning performance based on the experiment, fully demonstrated the Fire Barrier, fire protection layer, no cavity feasibility and effectiveness of structural measures. adhere to the structural fire- based, supplemented by the concept of fire protection materials, seize the key elements of fire prevention, heat release rate and flame propagation of two indicators, Clear insulation fire test methods, fire classification standards and the applicable height, In the interest of protection of exterior insulation and fire safety systems and quality of long-term stability.
【Key words】 fireproof and thermal insulation material， fire protection structural measure，phenolic foam， experimental methods， grading Standard for fire protection
0、前言
酚醛泡沫（Phenolic Foam，簡(jiǎn)稱PF）是新型有機(jī)高分子保溫材料，被譽(yù)為保溫之王。酚醛泡沫不僅導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫性能好，還具有難燃、熱穩(wěn)定性好、質(zhì)輕、低煙、低毒、耐熱、力學(xué)強(qiáng)度高、隔音、抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，酚醛泡沫塑料原料來源豐富，價(jià)格低廉，而且生產(chǎn)加工簡(jiǎn)單，它可以現(xiàn)場(chǎng)澆注發(fā)泡、可模制、也可機(jī)械加工，可制成板材、管殼及各種異型產(chǎn)品。它克服了傳統(tǒng)泡沫塑料型有機(jī)高分子保溫材料易燃、多煙有毒、遇熱變形等缺點(diǎn)，保留了傳統(tǒng)泡沫塑料型保溫材料質(zhì)輕、施工方便等特點(diǎn)。由于其本身特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定：
酚醛樹脂分子主鏈上含有大量的芳基，熱解殘?zhí)剂扛?，燃燒的炭化層迅速覆蓋在燃燒著的復(fù)合物表面，從而使火焰熄滅。酚醛樹脂所具有的這些優(yōu)良性能，為將它用于外墻外保溫防火保溫材料提供了可能性。
1、酚醛泡沫優(yōu)異的防火性能
酚醛泡沫無需加入任何阻燃劑，氧指數(shù)即可高達(dá)40，屬B1級(jí)難燃材料。添加無機(jī)填料的高密度酚醛泡沫塑料氧指數(shù)可達(dá)60～70，燃燒等級(jí)可達(dá)到A級(jí)，酚醛樹脂分子結(jié)構(gòu)中碳原子比例高，苯酚分子是良好的自由基吸收劑，在高溫分解過程中，由斷裂的甲撐橋生成的自由基迅速被苯酚分子吸收，組織反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，泡沫遇見火時(shí)表面能形成結(jié)構(gòu)碳的“石墨泡沫”層，有效地保護(hù)了層內(nèi)的泡沫結(jié)構(gòu)，在材料一側(cè)著火燃燒時(shí)，另一側(cè)的溫度不會(huì)升得較高，也不擴(kuò)散，當(dāng)火焰撤除后，火自動(dòng)熄滅。由于石墨層的存在，表面無滴落物、無卷曲、無熔化現(xiàn)象、不具有火焰?zhèn)鞑バ裕紵龝r(shí)的最大煙密度（SDR）不超過5，酚醛分子中只有氫、碳和氧分子，在高溫分解時(shí)，只能產(chǎn)生氫、碳和氧構(gòu)成的產(chǎn)物，除少量CO外，沒有任何其它有毒氣體，所以發(fā)生火災(zāi)時(shí)也便于消防員救援。
最終固化的酚醛泡沫具有包括數(shù)個(gè)苯酚環(huán)并有甲撐橋連接的結(jié)構(gòu)，由熱力學(xué)可知，甲撐橋是有機(jī)物連接中受溫度影響最小最為穩(wěn)定的連接之一，這使得酚醛泡沫具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，可在150℃長期使用，短時(shí)間耐熱200℃。經(jīng)測(cè)定酚醛泡沫在1000℃火焰溫度下，抗火焰能力可達(dá)120分鐘，因此在
耐火板材中得到應(yīng)用，可制成酚醛泡沫防火墻。利用酚醛泡沫塑料的絕熱、抗化學(xué)腐蝕性制成的保溫材料，廣泛用于石油化工、食品、交通運(yùn)輸、賓館、公寓、醫(yī)院等高級(jí)建筑物的外墻外保溫板等行業(yè)，節(jié)能效果極其明顯。
2、外墻外保溫系統(tǒng)的構(gòu)造防火研究
外墻外保溫系統(tǒng)是否具有防火安全性，要考慮點(diǎn)火性和傳播性兩個(gè)方面的問題。點(diǎn)火性是指在火源或火種的條件下，系統(tǒng)是否能夠被點(diǎn)燃或引起燃燒的產(chǎn)生，即系統(tǒng)自身的燃燒性能要求。傳播性是指當(dāng)有燃燒或火災(zāi)時(shí)，系統(tǒng)是否具有傳播火焰的能力，即系統(tǒng)對(duì)外部火源攻擊的抵抗力或抗火性能要求。
從防火安全性的角度來看，外保溫系統(tǒng)大致分為兩類：一類是采用不燃保溫材料的外保溫系統(tǒng)，系統(tǒng)自身構(gòu)造具有良好的防火安全性能；另一類是采用有機(jī)高分子保溫材料的外保溫系統(tǒng)，系統(tǒng)自身構(gòu)造不能完全滿足防火安全性要求，或具有較大的火災(zāi)危險(xiǎn)性，應(yīng)采取有效的防火構(gòu)造措施。當(dāng)外保溫系統(tǒng)的保溫材料采用不燃性材料或不具有傳播火焰的難燃性材料時(shí)，外保溫系統(tǒng)幾乎不存在防火安全性問題。但是，在中國目前的技術(shù)條件下，聚苯乙烯泡沫（EPS、XPS）聚氨酯泡沫（PU）等可燃有機(jī)高分子保溫材料在建筑外保溫系統(tǒng)中的使用最為廣泛，這是產(chǎn)生外保溫系統(tǒng)防火安全性問題的起因，而隨著節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)逐步提高，膠粉聚苯顆粒、
膨脹珍珠巖等漿料保溫材料因?yàn)槠鋵?dǎo)熱系數(shù)高，無法滿足較高節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，逐漸被限制和禁止使用。自 2005年至今，因?yàn)楸夭牧弦l(fā)的火災(zāi)越來越多，2009年比較典型的火災(zāi)有央視新址園區(qū)在建的文化中心樓、中央美院宿舍樓、中國科技館新館、濟(jì)南全運(yùn)會(huì)場(chǎng)館火災(zāi)、南京中環(huán)國際大廈又是一場(chǎng)大火等。面對(duì)外墻外保溫材料引發(fā)火災(zāi)事故的嚴(yán)酷現(xiàn)實(shí)，市場(chǎng)對(duì)提高保溫材料防火性能的呼聲也越來越高。觸目驚心的火災(zāi)案例給我們以足夠的警示，因此，高層建筑的外保溫防火安全性問題必須提上日程。
2.1 外墻外保溫防火技術(shù)現(xiàn)狀
2007年由北京振利高新技術(shù)有限公司、中國建筑科學(xué)研究院防火研究所、 北京六建公司、清華大學(xué)、北京建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)院、建設(shè)部發(fā)展促進(jìn)中心、中國建筑材料科學(xué)研究院、北京市消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督監(jiān)測(cè)站八家單位共同完成了目前全國唯一一個(gè)國家科研成果“外墻保溫體系防火試驗(yàn)方法、防火等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及建筑應(yīng)用范圍的技術(shù)研究”，與 2007年9月正式通過專家驗(yàn)收，并明確將外墻外保溫系統(tǒng)防火試驗(yàn)方法、防火分級(jí)及適用高度列入標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)建設(shè)部正式批準(zhǔn)后成為《建設(shè)部2006年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃》研究開發(fā)項(xiàng)目編號(hào)：06-K5-35。
在保溫材料燃燒性能等級(jí)滿足基本要求的條件下，以熱釋放速率峰值和火焰?zhèn)鞑バ缘募夹g(shù)指標(biāo)對(duì)外保溫系統(tǒng)整體構(gòu)造的防火性能進(jìn)行分級(jí)（熱釋放速率峰值和總放熱量是評(píng)價(jià)外保溫系統(tǒng)抗火能力的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，與其火焰?zhèn)鞑バ跃哂幸欢ǖ膬?nèi)在對(duì)應(yīng)關(guān)系。從本質(zhì)上講，熱釋放速率的大小與保護(hù)層的厚度直接相關(guān)，而保護(hù)層厚度是影響外保溫防火性能的關(guān)鍵要素之一，因此，熱釋放速率峰值是評(píng)價(jià)外保溫系統(tǒng)整體防火安全性能的主要技術(shù)參數(shù)），并確定不同等級(jí)外保溫系統(tǒng)的適用建筑高度，是解決我國外保溫防火問題的必由之路。
外保溫系統(tǒng)防火等級(jí)劃分是提高防火安全性的有效途徑。
表一 非幕墻式居住建筑外墻外保溫系統(tǒng)對(duì)火反應(yīng)性能
外保溫系統(tǒng)防火級(jí)別 對(duì)火反應(yīng)性能
熱釋放速率峰值
（kW/m2） 窗口火試驗(yàn)
水平準(zhǔn)位線溫度（℃） 燒損面積（m2）
J-Ⅰ ≤5 T2≤200且T1≤300或T2≤300（當(dāng)選用保溫燃燒性能等級(jí)為A級(jí)時(shí)） ≤5
J-Ⅱ ≤10 T2≤200且T1≤500 ≤10
J-Ⅲ ≤25 T2≤300 ≤20
J-Ⅳ ≤100 T2≤500 ≤40
表二 非幕墻式公共建筑外墻外保溫系統(tǒng)對(duì)火反應(yīng)性能
外保溫系統(tǒng)防火級(jí)別 對(duì)火反應(yīng)性能
熱釋放速率峰值
（kW/m2） 窗口火試驗(yàn) 墻角火試驗(yàn)
水平準(zhǔn)位線溫度（℃） 燒損面積（m2） 橫向火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x 燒損面積（m2）
G-Ⅰ ≤5 T2≤200且T1≤300或T2≤300（當(dāng)選用保溫燃燒性能等級(jí)為A級(jí)時(shí)） ≤5 ≤1.52 ≤10
G-Ⅱ ≤10 T2≤200且T1≤500 ≤10 ≤3.04 ≤20
G-Ⅲ ≤25 T2≤300 ≤20 ≤5.49 ≤40
表三 幕墻式建筑外墻外保溫系統(tǒng)對(duì)火反應(yīng)性能要求
外保溫系統(tǒng)防火級(jí)別 對(duì)火反應(yīng)性能
熱釋放速率峰值
（kW/m2） 窗口火試驗(yàn) 墻角火試驗(yàn)
水平準(zhǔn)位線溫度（℃） 燒損面積（m2） 橫向火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x 燒損面積（m2）
M-Ⅰ ≤5 T2≤200且T1≤300或T2≤300（當(dāng)選用保溫燃燒性能等級(jí)為A級(jí)時(shí)） ≤5 ≤1.52 ≤10
M-Ⅱ ≤10 T2≤200且T1≤500 ≤10 ≤3.04 ≤20
2.2 外保溫系統(tǒng)防火試驗(yàn)方法
對(duì)外保溫系統(tǒng)進(jìn)行防火安全性能評(píng)價(jià)是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的，試驗(yàn)方法所采用的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)能夠表征系統(tǒng)在實(shí)際火災(zāi)中的狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)客觀地反映外保溫系統(tǒng)的防火安全性能。只有選擇正確的試驗(yàn)方法，才能客觀、科學(xué)地評(píng)價(jià)外保溫系統(tǒng)防火安全性能。從試樣尺度劃分試驗(yàn)方法的類別，包括小尺寸試件試驗(yàn)、中尺寸試件試驗(yàn)和大尺寸模型火試驗(yàn)。
表四 外保溫系統(tǒng)的防火安全性試驗(yàn)方法表
不同比例模型火試驗(yàn) 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)核心
小比例的模型火試驗(yàn) 錐型量熱計(jì)試驗(yàn)ISO5660 針對(duì)局部構(gòu)造或單一材料
可燃性試驗(yàn)GB/T8626 針對(duì)單一材料
氧指數(shù)試驗(yàn)GB/T2406 針對(duì)單一材料
泡沫垂直燃燒GB/T8333 針對(duì)單一材料
中比例的模型火試驗(yàn) SBI試驗(yàn)EN13823 針對(duì)局部構(gòu)造或單一材料
燃燒豎爐試驗(yàn)GB/T8625 針對(duì)局部構(gòu)造或單一材料
大比例的模型火試驗(yàn) 墻角火試驗(yàn)UL1040 針對(duì)整個(gè)構(gòu)造系統(tǒng)
窗口火試驗(yàn)BS 8414－1 針對(duì)整個(gè)構(gòu)造系統(tǒng)
2.3 外墻外保溫防火構(gòu)造三種形式
