铝合金门窗型材、玻璃、硅胶、五金、胶条……耐火窗材料的设计与选择

建筑门窗作为建筑物重要的外围护结构，在实现建筑物美观、环保、节能、安全等诸多方面起到非常重要的作用。比如前些年在建筑节能和绿色建筑的可持续发展要求推动下，建筑门窗的节能功能被人们广泛重视，并制定和颁布了一系列节能门窗的标准，用于指导节能门窗的设计生产。可以说，建筑物功能要求不断提升的过程，就是建筑门窗的发展过程。为了满足人们对建筑物舒适度、健康度和安全度指标日益提升的需求，建筑门窗在提高已有的各项性能要求的基础上，也在不断完善和发展新的性能要求。
　　节能门窗不具备耐火性能，是目前高层建筑防火技术研究中必须面对的一个现实。近年来，多起因建筑外门窗不具备防火性能而导致的灾难性火灾事故频频发生，例如2010 年11 月15 日上海静安区胶州路居民楼火灾，2011 年 2 月 3 日沈阳皇朝万鑫酒店火灾，2014 年4 月 21 日大连星海广场公寓火灾，以及 2017 年 6 月14 日伦敦格伦费尔塔公寓大楼火灾等。为此，公安部组织编制了 GB 50016-2014《建筑设计防火规范》，对特殊使用部位的建筑外门窗的耐火完整性提出了具体要求。由于传统意义上的防火门和防火窗不具备建筑外门窗的相关物理性能，尤其是保温性能，因此不能作为建筑外围护结构的功能使用。
　　节能门窗分类
　　通常而言，建筑外门窗由玻璃面板、框架型材、五金配件、密封胶条，以及其他辅助配件等组成，如图1 所示。在节能门窗的工程设计过程中，依据不同地区不同使用部位，首先对组成门窗的各个材料元素进行选取，以实现所需要的功能和性能指标。对于耐火节能门窗而言，由于普通节能窗用材料，部分不能满足耐火完整性的要求，所以其组成材料也相应有所同。表1 中列出了按使用的框架型材种类区分，目前可以用于耐火节能门窗的类型。

2.1 型材
　　2.1.1 铝合金型材
　　铝合金型材如图 2 所示。铝合金为热的良导体，其导热系数为160 W/(m
　　·K)，属于构成门窗型材材料中导热系数最高的，且导热率随温度的升高而上升。工业用铝合金的熔点约620～650 ℃，在火灾中火场温度通常远高于铝的熔点。但是铝合金型材一般在300 ℃ 左右即失去承载能力，并发生不可接受的变形而无法使用。从已有火灾案例来看，建筑门窗铝合金型材的破坏多为在高温下严重变形而无法使用，完全烧熔的现象相对少见。
　　2.1.2 塑料型材
　　塑料型材如图3 所示。塑料型材包括PVC-U、玻璃纤维增强材料，以及聚氨脂PU 等，导热系数非常低，在0.12～0.16 W/(m·K)之间。而且虽然材料自身的熔点低，比如PVC 型材的熔点为170 ℃左右，但是通过工艺改进可以实现阻燃，这些材料在温度不断上升过程中，表面燃烧后形成了一定的碳化层，起到一定的隔热效果。
　　2.1.3 木型材
　　木质型材如图4 所示。木质型材因种类和产地不同，其组成有很大差别但导热系数也非常低，在0.14 W/(m·K)左右。木质型材低导热率使其成为节能窗，尤其受被动房用窗的青睐。同时，木质型材燃烧过程中，表面形成的碳化层导热率比基材更低，因此具有非常好的耐火完整性，甚至比钢结构更耐燃烧。
　　2.1.4 增强型钢
　　增强型钢如图5 所示。增强型钢通常为碳素钢，属于建筑不燃材料，导热系数为13.8 W/(m·K)，熔点在1500 ℃左右。在耐火节能门窗中，通常作为塑料类门窗型材用内衬材料，以增强塑料类门窗的整体结构强度。钢材在温度升高时，其导热率下降至750 ℃时，基本恒定而不再发生变化
　　2.2 玻璃
　　玻璃为热的不良导体，导热系数在0.9～1.13 W/(m·K)之间，是建筑窗所占面积比重最多的材料。玻璃面板耐火性能的好坏，直接关系到门窗整体耐火完整性的好坏。为了保证建筑门窗达到耐火完整性的要求，GB/T 31433-2015《建筑幕墙、门窗通用技术条件》提出：对有耐火完整性要求的外门窗，所用玻璃最少有一层应符合 GB 15763.1-2009《建筑用安全玻璃第1部分：防火玻璃》的规定。耐火门窗用防火玻璃，按照构造型式不同，分为单片和复合两类防火玻璃。
　　2.2.1单片防火玻璃
　　单片防火玻璃，按其在耐火试验中表现耐火原理不同，分为低膨胀率防玻璃、高强度铯钾防火玻璃、钠钙硅系列防火玻璃。而微晶防火玻璃虽然防火性能优越，但是价格昂贵，不适用于在建筑外门窗上推广使用。
　　1)低膨胀率防火玻璃。低膨胀率防火玻璃制品在25～300 ℃ 温度范围内，其热膨胀系数比普通玻璃低 2～3 倍，约为 4×10-6/℃，里特软化点可以达到820 ℃
　　以上。由于低膨胀率和高软化点的特性，使得其在受热后较长时间都不会发生软化变形，避免了因膨胀后与门窗边框的挤压作用，可有效地延长耐火时间，提高耐火完整性。
　　2)高强度铯钾防火玻璃。高强度铯钾防火玻璃是由普通浮法玻璃经特殊化学工艺处理后形成。因其表面形成了高强的压应力，所以极大地提高了抗冲击性能，强度是普通玻璃的6～12 倍，可以很好地满足门窗在火灾条件下的面板耐火完整性要求。处理后的玻璃导热系数比普通玻璃高，约为 1.13 W/m•K，受热膨胀率与普通玻璃相近，约为8.5×10-6～9.5×10-6/℃。
　　3)钠钙硅系列防火玻璃。钠钙硅系列防火玻璃是在普通浮法玻璃成分基础上，通过调整成分组成，提高了玻璃面板的硬度和密度，增加了结构的微观紧密程度，进而导致受热后膨胀系数下降，软化点增高，可以达到 780 ℃左右。
　　2.2.2复合防火玻璃
　　分为夹层复合防火玻璃和夹丝网复合防火玻璃。
　　1)夹层复合防火玻璃。夹层复合防火玻璃，按其构造形式不同，可分为灌注型和夹层型。夹层型复合防火玻璃是一种建筑用安全玻璃，是两层平板玻璃用膨胀阻燃胶黏结在一起，在一定温度和压力下，即使受到冲击，玻璃碎了仍然连成一体。正常使用情况下，夹层型复合防火玻璃具有很好的透光和装饰性。一旦受火后，其向火面的玻璃面板会首先遇高温后炸裂，中间的
　　膨胀阻燃胶会迅速硬结并形成白色不透明板，大量吸收燃烧产生的热量。灌注型复合防火玻璃是首先将两片单层平板玻璃四周先用边框条密封好，然后由灌注口灌入防火液，经胶结、封口制成。
　　2)夹丝网复合防火玻璃。夹丝网复合防火玻璃是在夹层型复合防火玻璃生产过程中，将金属丝网加入两层玻璃中间的阻燃胶中。加入金属丝网后，不仅可以提高防火玻璃的整体抗冲击强度，还对玻璃的透光性不产生影响。
　　2.3 密封胶条
　　密封胶条如图6 所示。建筑门窗用密封胶条，主要成分为三元乙丙橡胶，其导热系数低，为0.24 W/m•K。当用于耐火节能门窗时，应选用防火隔热和防火膨胀胶条产品，起到火灾时密封、隔热与阻碍火灾蔓延的功效。在耐火节能门窗上，主要用在防火玻璃四周与型材之间的防火膨胀密封，以及开启窗扇密封部位的防火隔热密封。通常防火胶条产品带有自粘结胶带，可以直接粘贴到防火玻璃四周或型材的适当位置。受火膨胀时，可膨胀到原来的 15～50 倍，形成一种良好的隔热层，可以全方位填充周围的缝隙和空洞，从而形成极为有效的防火防烟屏障。
　　2.4 防火五金
　　建筑门窗五金配件，起到固定和支撑开启窗扇的作用。对于承重类五金配件，如合页或者滑撑等，为了保证开启窗扇在受火状态下不脱落，通常采用耐火性能好的钢质材料五金产品。而对于起到锁闭密封作用的五金类产品，如传动锁闭器、执手等，也应采用钢质或具有耐火功能的产品，以降低因受火后性能失效导致密封性能。降低，影响到整窗的耐火完整性能。
　　2.5 辅助配件
　　在耐火节能门窗的材料设计中，除了主要的构成材料外，一些必要的辅助配件的合理使用，也是耐火性能满足要求的关键因素。
　　2.5.1玻璃面板卡件
　　在耐火窗产品设计中，玻璃面板卡件是必不可少的一个辅助配件。由于型材在高温条件下，其受火面会发生变形、熔化等现象，从而失去部分或全部的支撑作用。在这种情况下，即使防火玻璃自身可以满足耐火性能的要求，也会因为失去型材的支撑而整体坍塌脱落。为了防止这种情况发生，必须在耐火节能门窗的玻璃面板和框架型材之间，配置卡件。目前，根据所夹持玻璃面板的类型不同，实践中有多种型式的卡件，如图7 所示。
　　玻璃 面板卡 件通常为不锈 钢 材质，导热系数为 13.8 W/(m·K)，熔点大约为1500 ℃，不会发生熔解和变形问题，可以满足高温下支撑强度的要求。在塑料类门窗中，由于受火后型材不再具有支撑强度，因此卡件须与内部衬钢可靠连接。在铝合金断热门窗中，由于受火后隔热条靠近火灾一侧的铝合金型材受热熔化，无法承担支撑玻璃面板的作用，因此卡件须与隔热条远离火灾一侧的铝合金型材可靠连接，以提高耐火性能。
　　2.5.2 玻璃垫片
　　防火玻璃用垫片应用如图8 所示。其导热系数低， 一般≤0.30 W/(m·K)，热变形低，具有耐高温、耐腐蚀、易于加工等特点。其常规厚度通常为5 mm 和10 mm，是一种抗压强度高、硬度适中的不燃防火板材，在高温条件下，不会变软或粉化，不会造成对玻璃棱边的损伤，保证耐火窗整体的高温稳定性。玻璃垫片主要垫在防火玻璃下方的承重位置，常温下和受火时防止玻璃棱边与型材接触，降低玻璃爆裂的风险。
　　2.5.3 防火板条
　　防火板条应用如图9 所示。防火板条为A 级不燃性产品，导热系数低，约为0.12 W/(m·K)，且受火膨胀后导热系数降低。遇火时，其膨胀并形成一层硬质的硅酸盐泡沫隔热层，同时兼具吸热冷却、膨胀密封和隔热的作用。遇火膨胀温度为150～200 ℃，可膨胀到原来的10～40 倍，全方位填充周围的缝隙和孔洞，从而形成极为有效的防火防烟屏障。防火板条主要应用于耐火节能门窗的防火薄弱部位，比如型材内部的小空腔、开启扇的四周、五金配件周围等部位。
　　2.5.4 防火灌注料
　　吸热型防火灌注料，是一种用水固化的无毒的环境友好型、吸热性防火灌注料，高温下具有吸热冷却和隔热屏障的功效。固化后，导热系数为 0.10 W/(m·K)， 且固化后能够提高型材结构的整体机械强度，便于型材的加工及装配。用于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，阻隔热量的传递。
　　2.5.5 防火棉条
　　防火棉条应用如图10 所示。其基质材料为陶瓷纤维，其导热系数为0.12 W/(m·K)，具有优异的隔热性能。应用于防火玻璃两侧边缘，与框材或玻璃压条接触部位，具有柔软可压缩的特点，可保护防火玻璃边角，不受机械挤压而破碎，同时有效阻隔热量通过玻璃与材缝隙从向火面向背火面传递。同时，为了防止玻璃卡件与玻璃表面的硬性接触，在卡件与玻璃之间也需设置防火棉条，有效缓冲玻璃高温膨胀后和型材或金属接触而产生的应力，防止防火玻璃爆裂。
　　2.5.6 防火硅酮胶
　　防火硅酮胶导热系数为0.19 W/(m·K)，是一种高性能，富有弹性的单组分中性硅酮胶。在耐火窗产品设计中，主要应用在防火玻璃与防火棉条的接触部位，以及防火玻璃与型材或压条之间的缝隙部位，常温下用于保障耐火节能门窗的气密性能和水密性能，同时在火灾发生时，不会因热辐射产生的高温而发生自燃。
结语
　　材料的选择，是建筑节能门窗实现耐火完整性要求的必要设计环节。为了保证建筑门窗的节能要求，选择传热系数相对较低的塑料、木质或断热铝合金型材等作为框架型材，仍然是现阶段耐火节能门窗的最好选择。因此，为了弥补框架型材在耐火性能上的不足，需要对门窗关键的构造节点部位，采用特殊材料。比如，在型材空腔部位，填充防火灌注胶，填塞防火板条等;在框扇开启的密封部位，采用防火阻燃胶条;玻璃面板与型材接触部位，放置防火棉条，并施以防火硅酮胶固定密封。安装在型材上的五金配件，尤其是起到承重功能的配件，宜采用防火五金产品，以提高整窗耐火性能。
　　玻璃面板的耐火性能好坏，直接关系到整体门窗的耐火完整性水平。由于普通钢化玻璃受热后短时间内就会发生爆裂，因此，不能作为耐火门窗用面板使用。耐火门窗在面板的选择时，应根据型材构造和具体需求，考虑单片或复合防火玻璃。而且，玻璃面板与型材的接触部位，应设置防火垫片，以保证玻璃受火膨胀后与框架型材的柔性接触。为了保证玻璃面板不发生整体脱落，玻璃面板与框架之间应进行可靠的固定连接，通常采用玻璃面板卡件作为连接部件。
　　当然，节能门窗耐火完整性的提高，还必须依赖对节点构造的改造设计。但是，科学地进行材料的设计选择，并合理应用于关键的构造部位，是保证耐火完整性指标实现的前提。因此，在设计耐火节能门窗时，必须根据实际使用的门窗类别，充分考虑各类材料的选择及其合理应用范围，才能为后续的构造设计提供可靠的保证，进而实现整体耐火完整性的技术指标要求。