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新闻动态

防火材料分析

发布者:admin 时间:2020-07-18 16:05:00

1.1研究背景

    近年来随着国内经济稳定增长及科技进步,建筑业蓬勃发展,促使建筑物向规模大型化、集中化、立体化、构造特殊化、设备复杂化的趋势发展,工业、商业和民用建筑业中大量使用木材及易燃的材料,各种新材料、新结构也在建筑工程上大量使用,因此,建筑物内部不仅有动力、燃料、电源、火源等众多火险隐患,而且可燃材料分布广,预防火灾的要求愈来愈高,难度愈来愈大。由于各种原因引发的火灾,如果控制不及时,火势蔓延迅猛,扑救困难,使人民生命财产造成巨大损失。据报道[1-2],近年我国火灾事故频繁且呈上升趋势,1999年全国发生火灾39571起,死2652人,伤5977人,直接经济损失112亿元:而2000年的火灾约为40000起,死约2800人,伤约4000人,直接经济损失约12亿元。由此可见, 一旦发生火灾,往往造成严重的人员伤亡和财产损失,其后果影响很大,因而预防火灾也越来越引起人们的重视。鉴于此,专家们呼吁要尽量采用不燃、难燃的建筑装饰材料,如采用易燃和可燃材料,则应对材料进行阻燃处理。为了防止火灾事故的发生,切实贯切消防工作“预防为主,防消结合”的方针,国家制定了相应的法规,应用防火涂料和阻燃材料以防止火灾发生,显得越来越重要,越来越迫切。从我国现阶段建筑防火的水平来看,绝大多数易燃建筑材料均未经过难燃化处理,如公共娱乐场所建筑由于内部装饰材料选用不当,过多采用木材及易燃材料,其表面未经阻燃防火处理,因而在实际的建筑种存在着大量的火灾潜在威胁。

    木结构建筑在我国历史中源远流长,时至今日,仍在我国建筑中占有较大比例,尤其是少数民族的聚居地。木结构具有结构轻、施工工期短、防震性能好等优点,但其火灾隐患也非常大。[8]木结构古建筑的建筑构件大多采用松、杉柏香樟等含油木质材料制作,木材用量多,火灾荷载大,而且年代久远,特别是寺庙建筑常年香火缭绕,木构件极为干燥,加之表面涂刷油漆,火灾时,燃烧猛烈,火场中心温度可达 1200 度以上。木结构古建筑发生火灾时,火势发展快,由于古木建筑本身的构造特征和环境及建筑本身原因,极易造成全面燃烧。同时,由于大多数木结构古建筑相互毗邻,通廊相连,火势一旦突破着火建筑门窗会引起延烧,强烈的热辐射也能导致毗邻建筑着火。木结构古建筑发生火灾后,其倒塌的规律一般是屋顶首先倒塌,墙柱后塌。这是由于古木建筑火灾首先是垂直向上蔓延,且其屋顶的屋架、桁、檩等构件截面积较小,而柱、梁截面积较大。火灾时,古木建筑整体倒塌的时限持续时间较长。木结构古建筑不仅自身价值无法估量,而且其室内通常还珍藏有大量经典、书画、匾额等各类古代艺术珍品。火灾时,木结构古建筑本身及室内文物极易受到破坏,甚至直接被大火烧毁,而且用水扑救还会使木构件加速腐朽,忌水的文献史料、泥塑、唐卡、壁画等也会遭受损坏。[9]

    对现代建筑发展而言,木材作为一种可持续供给的自然资源,凭借其绿色环保和节能减排等对环境友好的优势,在建筑结构设计中获得越来越多的青睐。而新的建筑方法和设计工具的使用,更使木结构成为一种高效的建筑方式,能提供良好的性价比。木结构的应用范围,正在从传统的低层、单(双)户为主的型式,向多层(甚至高层)和多户的型式发展和转化。然而,木材是可燃的,火灾危险性始终是制约木结构在多层建筑中应用的最主要原因。[10]

    对木结构的防火保护,其实质是木结构构件的防火保护。从古至今,人们在一直研究和探求有效地保护木结构建()筑物免受火灾侵扰的途径。曾采用过的主要方法有粘土饰面防火保护、板条抹灰或钢丝抹灰饰面防火保护、采用水泥砂浆或混凝土防火保护、防火板材对木构件的防火保护等。为了进行古木建筑的防火保护,同时兼顾建筑形象及方便火灾后的维护修复,有关专家建议选用防火板材作为古木建筑和一般有防火要求的室内装饰用防火材料,而不用防火涂料这种保护方式。

1.2国内外防火板材研究现状

    采用耐火防护材料将建筑构件包封屏蔽,是一种最早采用且行之有效、因而发展极快的防火手段。这种包封材料由最初的混凝土、耐火砖或钢丝网抹耐火砂浆等重质、结构笨拙的材料,发展为石膏板、蛭石板、珍珠岩板等轻质建材,防火板材由此产生。近几十年来,国内外在防火板材方面做了许多研究工作,有一定的研究基础,有些方面已取得了较大的进展。国外对防火装饰板的研究和应用始于20 世纪60 年代早期。60 年代中期,日本、美国等国家的有关防火及限制噪声法规的出台,进一步促进了防火装饰板产品的发展。1966 年,日本岩棉吸声材料国家标准(JISA 63031966)颁布,标志着矿物棉防火装饰板生产技术已趋于成熟。在美国、日本、瑞典及前苏联等国家,传统的吊顶材料绝大部分被防火装饰板所取代。美国的ArmstrongUSGCelotex、占土公司,日本的NittoboDaiken、松下公司,瑞典的Jungers 公司,由于研制、生产防火装饰板时间长,生产规模大,产品性能稳定,成本低廉,其产品远销世界各国,代表了当今世界先进的防火装饰板生产技术,它们主要生产石膏类、蛭石类、硅酸钙类、纤维增强硅酸钙类、矿物棉类等几类材质的防火板。20 世纪90 年代末,国外防火装饰板进入大奖888最新爆奖市场并得到应用,代表性的产品有:新加坡的硅钙装饰板(Promina Calcium Silicate Boards)、英国的多功能复合材料防火板(master board)、比利时的埃特板材、保全防火板PROMATRN等。

    国内防火装饰板的研制和应用晚于国外。20 世纪80 年代,国内许多厂家、研究单位开始了防火装饰板的研究工作,如南京玻纤研究院、大奖888最新爆奖新型建材工业杭州设计研究院、江苏恒达矿棉板厂、北京建材制品总厂等。在很长一个时期内,人们虽然研制和生产出许多防火板材,但一直都很不理想,许多防火板都或多或少地存在一些问题,如防火效果差、防水性能差、质脆、强度低而影响其应用性能;并且由于生产工艺复杂、生产周期长、造价高、施工方法繁琐以及环境污染大等原因,使得防火板没有能够得到大面积的推广应用。近年来,随着国内建设事业的不断发展,各种建筑场所对使用防火板作防火保护的要求也日益增加,需求量也越来越大,再加上公众对消防安全意识的加强,防火装饰板又掀起了发展高潮。

    我国防火装饰板从最初的混凝土、耐火砂浆材料,考虑解决好材料的防火性能和物理性能,基于这一思路,以改性特种水泥为基材的各种防火板相继问世。但是许多这种类型防火板的最大缺陷是普遍存在返卤问题,即一遇阴雨天,板材表面就出现潮湿现象,使得产品难以推广应用。国内也有单位正在致力于这方面的研究,较好地解决了返卤问题。我国矿物棉防火装饰板的研制则较早,如北京建材制品总厂和国家建委建材研究院合作于1975 年建成了国内第一条矿物棉防火装饰板生产线。1997 年公安部四川消防研究所开展了不燃矿物棉防火装饰板的研究,将我国矿物棉防火装饰板的燃烧等级由难燃(B1)级提高到不燃(A)级,满足了GB 502221995《建筑内部装修设计防火规范》的要求,为建筑防火安全提供了一项新产品,填补了国内空白,但在产品的耐湿性、低密度等方面还有待提高。近几年来,建筑物的内装修都采用钙塑板、铝塑板、PVC 泡沫塑料、胶合板、纤维板、刨花板、纸面石膏板等。其中,各种类型的无机防火板以其优良的防火性能、高温抗变形性能,防虫蛀、成本低廉等优势,成为该领域的主要产品,发展至今,已成为建筑材料产品中的主要部分,在防火建材产品中占有相当大的比例。国内目前研究、生产和使用比较广泛的防火板主要可分为以下几类:

1)       矿棉板、玻璃棉板。该类板材主要以矿棉、玻璃棉为隔热材料,其本身不燃、耐高温性能好、质轻,但不足之处有:①短纤维对人体呼吸系统会造成危害;②板材强度差;③板材对火灾烟气蔓延的阻隔性能差;④装饰性差;⑤安装施工工作量大。因此,该种板材现已大部分演变成以无机粘结材料为基材,矿棉、玻璃棉作为增强材料的板材。

2)       水泥板材类。水泥板材强度高,原料来源广泛,过去常用它作防火吊顶和隔墙,但其耐火性能较差,在火场中易炸裂穿孔导致失去保护作用而使其应用受到一定限制。加气混凝土出现后,不仅使水泥混凝土构件本身质量变轻,并且其隔热、隔声性能显著提高,不但可作为隔墙,还可作屋面板。近年来,陆续出现了纤维增强水泥板等改进品种,具有强度高、耐火性能好的优点,但韧性较差、碱度大、装饰效果较差。

3)       珍珠岩板、漂珠板、蛭石板材。这类板材是以低碱度水泥为基材,珍珠岩、玻璃微珠、蛭石为加气填充材料,再添加一些助剂复合而制成的空心板材。具有自重轻、强度高、韧性好、防火隔热、施工方便等特点,可广泛应用于高层框架建筑物分室、分户、卫生间、厨房、通讯管等非承重部位。

4)       防火石膏板材。从石膏的防火性能被广泛接受以来,以石膏为基材的防火板材发展很快。该板材原料来源丰富,便于工厂定型化生产。在使用中,它自重较轻,可以减轻建筑承重,可用作隔墙、吊顶和屋面板等,且加工容易,可锯可刨,施工方便,可缩短施工工期,装饰性能较好。但它的抗折性能较差。该板材主要成分是不燃的,并且组成中含有结晶水,有助于提高提耐火性能,所以其总的耐火性能较好。但除了组成成分,使用方式也会对石膏板的耐火性能造成影响:如板的类型、龙骨种类、拼装方式、拼缝处理、板的厚度、空气层中有无填料等。最近几年又出现了硅钙石膏纤维板、双面贴纸石膏防火板等新品种。 

5)       硅酸钙纤维板。这种板材是以石灰、硅酸盐及无机纤维增强材料为主要原料的建筑板材,不含石棉,板材质量轻、强度高且隔热性、耐久性、隔音性能好、可任意锯断或切割,加工性能与施工性能优良、可在板材上任意进行涂刷涂料、粘贴装饰面等特点,板材在高温中生成的晶体结构,与非晶体结构的建材相比,不会随时间的推移而发生变质或变形。 主要用于制作天花板、隔墙以及作为钢柱、钢梁的防火保护材料。但板材强度和弯曲性能还有待提高。

6)       氯氧镁防火板材。这种板材属于氯氧镁水泥类制品,是一种被称为镁质不燃性无机复合板或玻镁平板的新型防火装饰建材,以氯氧镁水泥为主体胶凝材料、网状玻璃纤维布为增强材料、轻质保温材料为填充物复合而成,能满足不燃性要求。具有良好的机械强度,可塑性、粘和性、弹性较好、耐酸碱、防蛀,且能有效地阻隔音波和保湿而得到广泛重视,是一种新型环保型板材。自20世纪60 年代起,国内就将菱镁矿作为原材料制得氯氧镁水泥防火板,但板材存在强度低、易弯曲变形、返卤泛霜、渗水吸潮等问题,未能得到广泛运用。近年来随着复合材料的推广应用,已有人开发出氧化镁复合板,如以多层纤维布与经过改性镁质胶凝材料粘结复合而成等。优质改性氧化镁复合板具有如下优点:防火阻燃、防水防潮;防腐、耐酸碱;隔热性极佳,吸音效果好;轻质高强;表面平整,可再进行表面装饰;可随意切割,施工方便。但是板材价格较高,弯曲性能不好,防水性能很差,遇到高湿天气时,这种材料表面会吸湿,而返卤返霜、翘曲变形严重影响它的装饰性能和使用范围。该类防火板主要用于钢结构防火保护板、防火封堵等。

1.3防火板材的基本要求和防火原理及发展趋势

     防火板又名耐火板,学名为热固性树脂浸渍纸高压层积板,英文缩写为HPL是表面装饰用耐火建材。对于无机防火保护板材来说,除了保持板材整体的完整性和不炸不裂之外,关键还应具有良好的高温隔热性能。要获得良好的隔热性能,应合理地选择材料的组成,控制好材料的容重,并尽可能使材料结构内部形成封闭的微气孔,以增强隔热能力。此外,增强板材的蓄热能力,对板材结构进行合理的设计等都有利于增强防火隔热性能。无机防火板材是一种新型防火保护材料,除了具有优异的防火性能外,近年来朝着质轻,高强度,高耐火性能方向发展。

    目前市场上出售的防火板,一般都属于B1级,即难燃性。按照防火规范要求,住宅楼和办公楼的内部装修,其吊顶、墙面、地面、隔墙等,都应当采用B1级即难燃性建材,不应当采用B2级可燃性建材,更不应采用B3级易燃性建材。在建筑内部装修中, 采用A级的不燃性建材和B1级难燃性建材,可以有效的预防火灾。过多的采用可燃性或易燃性建材,则容易发生火灾,而且万一发生火灾时,火势凶猛,燃速极快,生成大量的浓烟毒气,危及生命财产安全。可一些可燃建材或难燃建材中,虽然阻燃较好,但不防水。例如矿渣棉板、石膏板等。这种建材,常用于吊顶,万一发生火灾ml-,注水浸渍之后,大约在一个小时之内,就会塌落。救火作业中一定要十分当心。

    一般板材按燃烧性能可分成四级,即不燃材料(A)、难燃材料(B1)、可燃材料(B2级)和易燃材料(B3)建筑用防火板材应为不燃材料,目前市场上出售的防火板,一般都属于B1级难燃性板材。按照我国防火规范要求,住宅楼和办公楼的内部吊顶、墙面、地面、隔墙等装修都应当至少采用B1级即难燃性建材,不应当采用B1级难燃性以下等级的建材,即可采用A级不燃材料和B1级难燃材料,而不应该采用B2级可燃材料、B3级易燃材料。在建筑内部装修中,采用A级的不燃性建材和B1级难燃性建材,可以有效的预防火灾。有些板材,虽然本身材料不会燃烧,但火灾发生时在大火的高温作用下,极易分解炸裂,失去结构强度,有的还会释放出大量的有毒气体,例如矿渣棉板、石膏板等。因此,这种类型的不燃材料仍不能用作防火板材。对于防火板材来说,除了保持板材整体性和不炸裂之外,关键还应具有良好的高温隔热性能[11-13]。不同的材料在高温下会发生多种多样的变化。从防火的角度来看,以下几种变化是最基本的:

1)       材料本身在高温下与空气中的氧急速反应,引起燃烧现象,产生火焰,放出热量,使自身及环境的温度进一步升高,成为新的火源。

2)       板材机械强度下降或结构破坏,造成裂缝、软化或熔化、塌落等现象,使板材失去原有的支承或防护功能,导致燃烧范围扩大,火势蔓延。

3)       将板材燃烧的一端或一面的热量向未着火的另一端或一面传导,使板材本身温度逐渐升高,最后达到材料的燃点而起火或引燃邻近物体。

4)       材料在火灾高温下发生化学分解或与空气中的成分发生化学反应而放出各种气体即烟,烟中具有刺激性、窒息性或有毒的组分,会使人中毒而失去自避能力、昏迷以致死亡。

    这是一般材料在高温下会出现的几种变化状况。防火材料是由多种不同化学成分及不同结构矿物组成的非均质体,其性质均取决于其中的物相组成、分布及各相的特性。虽然材料本身一般为不燃或难燃材料,但在温度足够高的情况下,也会出现以上变化情况中的一种或多种,所以在材料选择上要尽量排除会引起不良后果的材料。

化学组成决定了防火材料的基本性能,为了抵抗高温作用,应该选择高熔点化合物。应用较多的是硼、碳、氧、磷的化合物,其中以氧化物居多。化学组成按各个成分含量多少和其作用可分为主成分和副成分。主成分是防火材料中构成防火基体的成分,它的性质和数量决定制品的性质。主成分可以是氧化物,也可以是元素或某元素与另一元素的化合物。副成分又分为杂质成分和添加成分。前者是无意或不得已带入的有害成分,它往往使防火材料的防火性能降低,但同时又可降低制品的烧成温度,促进其烧结。后者是为了提高制品某方面性能而有意添加的成分,常包括结合剂、矿化剂、稳定剂、抗氧化剂、烧结剂等。其特点是用量少,改性能力强,对主性能无严重影响。防火材料的化学组成是通过化学分析来判断制品或原料纯度及其化学特性、防火能力的基础,也可以作为原料选择、调整工艺过程的依据。 

 1.4 防火板材的发展趋势

    防火装饰板的发展对建筑领域产生了深远的影响,正在更大范围地改变着建筑物的设计、构造、装饰、施工。它属于防火建材,在火灾中具有防火和分隔作用,可防止火灾和烟气蔓延,有效保护建筑物的墙体、楼板、钢结构、电缆、重要设施等,广泛适用于地铁、车站、剧院、厂房、宾馆、写字楼、住宅等公用建筑装修的吊顶、隔断、非承重隔墙、防火门的夹层等[3]但是,目前国内正在使用的防火装饰板,普遍存在着一些不足之处,如相当部分防火装饰板属难燃性建材,如纸面石膏板;有些板材虽属不燃性建材,但其耐火极限时间较短,如硅酸钙板(0.5h);有的制品容量太大,如混凝土板;有的导热系数偏大,如硅钙板;有的受国内矿产资源所限,法扩大应用,如蛭石板。这些缺点,限制了防火装饰板的推广应用。因此,根据我国建设和经济发展的现状、社会的需要,为改变我国建筑构件耐火防护材料不太理想的状况,在国内外现有技术水平的基础上,结合我国消防法规和规范的要求,紧跟防火装饰板的发展趋势,开展轻质防火板的研究,是我国防火保护技术研究的一项重要任务。研制出轻质高强,具有优良防火、防水性能、防腐蚀、耐酸碱、价格低廉、隔音性能好,生产工艺方便、施工安装简易,装饰性、耐久性好,符合国家绿色环保建材产业政策的轻质防火板以满足我国蓬勃发展的建筑和消防事业的需要,具有重要的现实意义。

    总体而言,考察防火板的发展历史,特别是考虑到材料的低密度必将为建筑物的轻量化、施工方便、降低综合造价等带来极大的益处,目前国内外研究的防火板正朝着轻质、高性能(高效防火功能和可靠性、耐久性)、无机化、施工安装简易化、绿色环保的趋势发展。防火板今后研究的发展方向为:在现有技术的基础上取得突破性的进展,研制出无机型、轻质,具有优良防火、防水性能、防腐蚀、耐酸碱、价格低廉、施工安装简易,符合国家绿色环保建材产业政策;研制出不仅可用于吊顶、隔墙、管道等,还可用于钢结构的防火保护、电线电缆管道防火封堵、混凝土以及隧道的防火保护、防火门内衬材料等应用范围广的轻质防火装饰板,以满足我国蓬勃发展的建筑和消防事业的需要。

    对于无机防火保护板材来说,除了保持板材整体的完整性和不炸不裂之外,关键还应具有良好的高温隔热性能。要获得良好的隔热性能,应合理地选择材料的组成,控制好材料的容重,并尽可能使材料结构内部形成封闭的微气孔,以增强隔热能力。此外,增强板材的蓄热能力,对板材结构进行合理的设计等都有利于增强防火隔热性能。无机防火板材是一种新型防火保护材料,除了具有优异的防火性能外,近年来朝着质轻,高强度,高耐火性能方向发展。如:采用涂层保护技术与表面粘贴瓷砖、墙纸、添加无机纤维增强防火板、选用合适的分散剂、选择合适的粘结材料、装饰性增强、镁合金网增强板。总的说来,无机防火板材为发展环保型防火保护措施提供了新思路,它在新型环保建材行业具有很大的发展空间,不断拓展它在建材上的应用,不断推陈出新型产品,是该行业的发展方向。从国内外的发展趋势来看,建筑装修材料正在从“可燃”转向“不燃”,从“有毒”转向“无毒”,从“有机”到“无机”转向的明显趋势。特别是我国的《建筑内部装修设计防火规范》的发布之后,对各类建筑的不燃性要求更为严格,其中对一些大面积的厅,堂,馆,场的吊顶明确限定采用A级——即不燃装饰板材的严格规定。目前,市场上虽然也有一些不燃无机板材,但少有同时满足不燃和装饰性能的板材。