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新聞動態

防火材料分析

發布者:admin 時間:2020-07-18 16:05:00

1.1研究背景

    近年來隨著國內經濟穩定增長及科技進步,建筑業蓬勃發展,促使建筑物向規模大型化、集中化、立體化、構造特殊化、設備復雜化的趨勢發展,工業、商業和民用建筑業中大量使用木材及易燃的材料,各種新材料、新結構也在建筑工程上大量使用,因此,建筑物內部不僅有動力、燃料、電源、火源等眾多火險隱患,而且可燃材料分布廣,預防火災的要求愈來愈高,難度愈來愈大。由于各種原因引發的火災,如果控制不及時,火勢蔓延迅猛,撲救困難,使人民生命財產造成巨大損失。據報道[1-2],近年我國火災事故頻繁且呈上升趨勢,1999年全國發生火災39571起,死2652人,傷5977人,直接經濟損失112億元:而2000年的火災約為40000起,死約2800人,傷約4000人,直接經濟損失約12億元。由此可見, 一旦發生火災,往往造成嚴重的人員傷亡和財產損失,其后果影響很大,因而預防火災也越來越引起人們的重視。鑒于此,專家們呼吁要盡量采用不燃、難燃的建筑裝飾材料,如采用易燃和可燃材料,則應對材料進行阻燃處理。為了防止火災事故的發生,切實貫切消防工作“預防為主,防消結合”的方針,國家制定了相應的法規,應用防火涂料和阻燃材料以防止火災發生,顯得越來越重要,越來越迫切。從我國現階段建筑防火的水平來看,絕大多數易燃建筑材料均未經過難燃化處理,如公共娛樂場所建筑由于內部裝飾材料選用不當,過多采用木材及易燃材料,其表面未經阻燃防火處理,因而在實際的建筑種存在著大量的火災潛在威脅。

    木結構建筑在我國歷史中源遠流長,時至今日,仍在我國建筑中占有較大比例,尤其是少數民族的聚居地。木結構具有結構輕、施工工期短、防震性能好等優點,但其火災隱患也非常大。[8]木結構古建筑的建筑構件大多采用松、杉柏香樟等含油木質材料制作,木材用量多,火災荷載大,而且年代久遠,特別是寺廟建筑常年香火繚繞,木構件極為干燥,加之表面涂刷油漆,火災時,燃燒猛烈,火場中心溫度可達 1200 度以上。木結構古建筑發生火災時,火勢發展快,由于古木建筑本身的構造特征和環境及建筑本身原因,極易造成全面燃燒。同時,由于大多數木結構古建筑相互毗鄰,通廊相連,火勢一旦突破著火建筑門窗會引起延燒,強烈的熱輻射也能導致毗鄰建筑著火。木結構古建筑發生火災后,其倒塌的規律一般是屋頂首先倒塌,墻柱后塌。這是由于古木建筑火災首先是垂直向上蔓延,且其屋頂的屋架、桁、檁等構件截面積較小,而柱、梁截面積較大?;馂臅r,古木建筑整體倒塌的時限持續時間較長。木結構古建筑不僅自身價值無法估量,而且其室內通常還珍藏有大量經典、書畫、匾額等各類古代藝術珍品?;馂臅r,木結構古建筑本身及室內文物極易受到破壞,甚至直接被大火燒毀,而且用水撲救還會使木構件加速腐朽,忌水的文獻史料、泥塑、唐卡、壁畫等也會遭受損壞。[9]

    對現代建筑發展而言,木材作為一種可持續供給的自然資源,憑借其綠色環保和節能減排等對環境友好的優勢,在建筑結構設計中獲得越來越多的青睞。而新的建筑方法和設計工具的使用,更使木結構成為一種高效的建筑方式,能提供良好的性價比。木結構的應用范圍,正在從傳統的低層、單(雙)戶為主的型式,向多層(甚至高層)和多戶的型式發展和轉化。然而,木材是可燃的,火災危險性始終是制約木結構在多層建筑中應用的最主要原因。[10]

    對木結構的防火保護,其實質是木結構構件的防火保護。從古至今,人們在一直研究和探求有效地保護木結構建()筑物免受火災侵擾的途徑。曾采用過的主要方法有粘土飾面防火保護、板條抹灰或鋼絲抹灰飾面防火保護、采用水泥砂漿或混凝土防火保護、防火板材對木構件的防火保護等。為了進行古木建筑的防火保護,同時兼顧建筑形象及方便火災后的維護修復,有關專家建議選用防火板材作為古木建筑和一般有防火要求的室內裝飾用防火材料,而不用防火涂料這種保護方式。

1.2國內外防火板材研究現狀

    采用耐火防護材料將建筑構件包封屏蔽,是一種最早采用且行之有效、因而發展極快的防火手段。這種包封材料由最初的混凝土、耐火磚或鋼絲網抹耐火砂漿等重質、結構笨拙的材料,發展為石膏板、蛭石板、珍珠巖板等輕質建材,防火板材由此產生。近幾十年來,國內外在防火板材方面做了許多研究工作,有一定的研究基礎,有些方面已取得了較大的進展。國外對防火裝飾板的研究和應用始于20 世紀60 年代早期。60 年代中期,日本、美國等國家的有關防火及限制噪聲法規的出臺,進一步促進了防火裝飾板產品的發展。1966 年,日本巖棉吸聲材料國家標準(JISA 63031966)頒布,標志著礦物棉防火裝飾板生產技術已趨于成熟。在美國、日本、瑞典及前蘇聯等國家,傳統的吊頂材料絕大部分被防火裝飾板所取代。美國的Armstrong、USG、Celotex、占土公司,日本的Nittobo、Daiken、松下公司,瑞典的Jungers 公司,由于研制、生產防火裝飾板時間長,生產規模大,產品性能穩定,成本低廉,其產品遠銷世界各國,代表了當今世界先進的防火裝飾板生產技術,它們主要生產石膏類、蛭石類、硅酸鈣類、纖維增強硅酸鈣類、礦物棉類等幾類材質的防火板。20 世紀90 年代末,國外防火裝飾板進入中國市場并得到應用,代表性的產品有:新加坡的硅鈣裝飾板(Promina Calcium Silicate Boards)、英國的多功能復合材料防火板(master board)、比利時的埃特板材、保全防火板PROMATRN等。

    國內防火裝飾板的研制和應用晚于國外。20 世紀80 年代,國內許多廠家、研究單位開始了防火裝飾板的研究工作,如南京玻纖研究院、中國新型建材工業杭州設計研究院、江蘇恒達礦棉板廠、北京建材制品總廠等。在很長一個時期內,人們雖然研制和生產出許多防火板材,但一直都很不理想,許多防火板都或多或少地存在一些問題,如防火效果差、防水性能差、質脆、強度低而影響其應用性能;并且由于生產工藝復雜、生產周期長、造價高、施工方法繁瑣以及環境污染大等原因,使得防火板沒有能夠得到大面積的推廣應用。近年來,隨著國內建設事業的不斷發展,各種建筑場所對使用防火板作防火保護的要求也日益增加,需求量也越來越大,再加上公眾對消防安全意識的加強,防火裝飾板又掀起了發展高潮。

    我國防火裝飾板從最初的混凝土、耐火砂漿材料,考慮解決好材料的防火性能和物理性能,基于這一思路,以改性特種水泥為基材的各種防火板相繼問世。但是許多這種類型防火板的最大缺陷是普遍存在返鹵問題,即一遇陰雨天,板材表面就出現潮濕現象,使得產品難以推廣應用。國內也有單位正在致力于這方面的研究,較好地解決了返鹵問題。我國礦物棉防火裝飾板的研制則較早,如北京建材制品總廠和國家建委建材研究院合作于1975 年建成了國內第一條礦物棉防火裝飾板生產線。1997 年公安部四川消防研究所開展了不燃礦物棉防火裝飾板的研究,將我國礦物棉防火裝飾板的燃燒等級由難燃(B1)級提高到不燃(A)級,滿足了GB 502221995《建筑內部裝修設計防火規范》的要求,為建筑防火安全提供了一項新產品,填補了國內空白,但在產品的耐濕性、低密度等方面還有待提高。近幾年來,建筑物的內裝修都采用鈣塑板、鋁塑板、PVC 泡沫塑料、膠合板、纖維板、刨花板、紙面石膏板等。其中,各種類型的無機防火板以其優良的防火性能、高溫抗變形性能,防蟲蛀、成本低廉等優勢,成為該領域的主要產品,發展至今,已成為建筑材料產品中的主要部分,在防火建材產品中占有相當大的比例。國內目前研究、生產和使用比較廣泛的防火板主要可分為以下幾類:

1)       礦棉板、玻璃棉板。該類板材主要以礦棉、玻璃棉為隔熱材料,其本身不燃、耐高溫性能好、質輕,但不足之處有:①短纖維對人體呼吸系統會造成危害;②板材強度差;③板材對火災煙氣蔓延的阻隔性能差;④裝飾性差;⑤安裝施工工作量大。因此,該種板材現已大部分演變成以無機粘結材料為基材,礦棉、玻璃棉作為增強材料的板材。

2)       水泥板材類。水泥板材強度高,原料來源廣泛,過去常用它作防火吊頂和隔墻,但其耐火性能較差,在火場中易炸裂穿孔導致失去保護作用而使其應用受到一定限制。加氣混凝土出現后,不僅使水泥混凝土構件本身質量變輕,并且其隔熱、隔聲性能顯著提高,不但可作為隔墻,還可作屋面板。近年來,陸續出現了纖維增強水泥板等改進品種,具有強度高、耐火性能好的優點,但韌性較差、堿度大、裝飾效果較差。

3)       珍珠巖板、漂珠板、蛭石板材。這類板材是以低堿度水泥為基材,珍珠巖、玻璃微珠、蛭石為加氣填充材料,再添加一些助劑復合而制成的空心板材。具有自重輕、強度高、韌性好、防火隔熱、施工方便等特點,可廣泛應用于高層框架建筑物分室、分戶、衛生間、廚房、通訊管等非承重部位。

4)       防火石膏板材。從石膏的防火性能被廣泛接受以來,以石膏為基材的防火板材發展很快。該板材原料來源豐富,便于工廠定型化生產。在使用中,它自重較輕,可以減輕建筑承重,可用作隔墻、吊頂和屋面板等,且加工容易,可鋸可刨,施工方便,可縮短施工工期,裝飾性能較好。但它的抗折性能較差。該板材主要成分是不燃的,并且組成中含有結晶水,有助于提高提耐火性能,所以其總的耐火性能較好。但除了組成成分,使用方式也會對石膏板的耐火性能造成影響:如板的類型、龍骨種類、拼裝方式、拼縫處理、板的厚度、空氣層中有無填料等。最近幾年又出現了硅鈣石膏纖維板、雙面貼紙石膏防火板等新品種。 

5)       硅酸鈣纖維板。這種板材是以石灰、硅酸鹽及無機纖維增強材料為主要原料的建筑板材,不含石棉,板材質量輕、強度高且隔熱性、耐久性、隔音性能好、可任意鋸斷或切割,加工性能與施工性能優良、可在板材上任意進行涂刷涂料、粘貼裝飾面等特點,板材在高溫中生成的晶體結構,與非晶體結構的建材相比,不會隨時間的推移而發生變質或變形。 主要用于制作天花板、隔墻以及作為鋼柱、鋼梁的防火保護材料。但板材強度和彎曲性能還有待提高。

6)       氯氧鎂防火板材。這種板材屬于氯氧鎂水泥類制品,是一種被稱為鎂質不燃性無機復合板或玻鎂平板的新型防火裝飾建材,以氯氧鎂水泥為主體膠凝材料、網狀玻璃纖維布為增強材料、輕質保溫材料為填充物復合而成,能滿足不燃性要求。具有良好的機械強度,可塑性、粘和性、彈性較好、耐酸堿、防蛀,且能有效地阻隔音波和保濕而得到廣泛重視,是一種新型環保型板材。自20世紀60 年代起,國內就將菱鎂礦作為原材料制得氯氧鎂水泥防火板,但板材存在強度低、易彎曲變形、返鹵泛霜、滲水吸潮等問題,未能得到廣泛運用。近年來隨著復合材料的推廣應用,已有人開發出氧化鎂復合板,如以多層纖維布與經過改性鎂質膠凝材料粘結復合而成等。優質改性氧化鎂復合板具有如下優點:防火阻燃、防水防潮;防腐、耐酸堿;隔熱性極佳,吸音效果好;輕質高強;表面平整,可再進行表面裝飾;可隨意切割,施工方便。但是板材價格較高,彎曲性能不好,防水性能很差,遇到高濕天氣時,這種材料表面會吸濕,而返鹵返霜、翹曲變形嚴重影響它的裝飾性能和使用范圍。該類防火板主要用于鋼結構防火保護板、防火封堵等。

1.3防火板材的基本要求和防火原理及發展趨勢

     防火板又名耐火板,學名為熱固性樹脂浸漬紙高壓層積板,英文縮寫為HPL是表面裝飾用耐火建材。對于無機防火保護板材來說,除了保持板材整體的完整性和不炸不裂之外,關鍵還應具有良好的高溫隔熱性能。要獲得良好的隔熱性能,應合理地選擇材料的組成,控制好材料的容重,并盡可能使材料結構內部形成封閉的微氣孔,以增強隔熱能力。此外,增強板材的蓄熱能力,對板材結構進行合理的設計等都有利于增強防火隔熱性能。無機防火板材是一種新型防火保護材料,除了具有優異的防火性能外,近年來朝著質輕,高強度,高耐火性能方向發展。

    目前市場上出售的防火板,一般都屬于B1級,即難燃性。按照防火規范要求,住宅樓和辦公樓的內部裝修,其吊頂、墻面、地面、隔墻等,都應當采用B1級即難燃性建材,不應當采用B2級可燃性建材,更不應采用B3級易燃性建材。在建筑內部裝修中, 采用A級的不燃性建材和B1級難燃性建材,可以有效的預防火災。過多的采用可燃性或易燃性建材,則容易發生火災,而且萬一發生火災時,火勢兇猛,燃速極快,生成大量的濃煙毒氣,危及生命財產安全??梢恍┛扇冀ú幕螂y燃建材中,雖然阻燃較好,但不防水。例如礦渣棉板、石膏板等。這種建材,常用于吊頂,萬一發生火災ml-,注水浸漬之后,大約在一個小時之內,就會塌落。救火作業中一定要十分當心。

    一般板材按燃燒性能可分成四級,即不燃材料(A)、難燃材料(B1)、可燃材料(B2級)和易燃材料(B3)。建筑用防火板材應為不燃材料,目前市場上出售的防火板,一般都屬于B1級難燃性板材。按照我國防火規范要求,住宅樓和辦公樓的內部吊頂、墻面、地面、隔墻等裝修都應當至少采用B1級即難燃性建材,不應當采用B1級難燃性以下等級的建材,即可采用A級不燃材料和B1級難燃材料,而不應該采用B2級可燃材料、B3級易燃材料。在建筑內部裝修中,采用A級的不燃性建材和B1級難燃性建材,可以有效的預防火災。有些板材,雖然本身材料不會燃燒,但火災發生時在大火的高溫作用下,極易分解炸裂,失去結構強度,有的還會釋放出大量的有毒氣體,例如礦渣棉板、石膏板等。因此,這種類型的不燃材料仍不能用作防火板材。對于防火板材來說,除了保持板材整體性和不炸裂之外,關鍵還應具有良好的高溫隔熱性能[11-13]。不同的材料在高溫下會發生多種多樣的變化。從防火的角度來看,以下幾種變化是最基本的:

1)       材料本身在高溫下與空氣中的氧急速反應,引起燃燒現象,產生火焰,放出熱量,使自身及環境的溫度進一步升高,成為新的火源。

2)       板材機械強度下降或結構破壞,造成裂縫、軟化或熔化、塌落等現象,使板材失去原有的支承或防護功能,導致燃燒范圍擴大,火勢蔓延。

3)       將板材燃燒的一端或一面的熱量向未著火的另一端或一面傳導,使板材本身溫度逐漸升高,最后達到材料的燃點而起火或引燃鄰近物體。

4)       材料在火災高溫下發生化學分解或與空氣中的成分發生化學反應而放出各種氣體即煙,煙中具有刺激性、窒息性或有毒的組分,會使人中毒而失去自避能力、昏迷以致死亡。

    這是一般材料在高溫下會出現的幾種變化狀況。防火材料是由多種不同化學成分及不同結構礦物組成的非均質體,其性質均取決于其中的物相組成、分布及各相的特性。雖然材料本身一般為不燃或難燃材料,但在溫度足夠高的情況下,也會出現以上變化情況中的一種或多種,所以在材料選擇上要盡量排除會引起不良后果的材料。

化學組成決定了防火材料的基本性能,為了抵抗高溫作用,應該選擇高熔點化合物。應用較多的是硼、碳、氧、磷的化合物,其中以氧化物居多?;瘜W組成按各個成分含量多少和其作用可分為主成分和副成分。主成分是防火材料中構成防火基體的成分,它的性質和數量決定制品的性質。主成分可以是氧化物,也可以是元素或某元素與另一元素的化合物。副成分又分為雜質成分和添加成分。前者是無意或不得已帶入的有害成分,它往往使防火材料的防火性能降低,但同時又可降低制品的燒成溫度,促進其燒結。后者是為了提高制品某方面性能而有意添加的成分,常包括結合劑、礦化劑、穩定劑、抗氧化劑、燒結劑等。其特點是用量少,改性能力強,對主性能無嚴重影響。防火材料的化學組成是通過化學分析來判斷制品或原料純度及其化學特性、防火能力的基礎,也可以作為原料選擇、調整工藝過程的依據。 

 1.4 防火板材的發展趨勢

    防火裝飾板的發展對建筑領域產生了深遠的影響,正在更大范圍地改變著建筑物的設計、構造、裝飾、施工。它屬于防火建材,在火災中具有防火和分隔作用,可防止火災和煙氣蔓延,有效保護建筑物的墻體、樓板、鋼結構、電纜、重要設施等,廣泛適用于地鐵、車站、劇院、廠房、賓館、寫字樓、住宅等公用建筑裝修的吊頂、隔斷、非承重隔墻、防火門的夾層等[3]。但是,目前國內正在使用的防火裝飾板,普遍存在著一些不足之處,如相當部分防火裝飾板屬難燃性建材,如紙面石膏板;有些板材雖屬不燃性建材,但其耐火極限時間較短,如硅酸鈣板(0.5h);有的制品容量太大,如混凝土板;有的導熱系數偏大,如硅鈣板;有的受國內礦產資源所限,法擴大應用,如蛭石板。這些缺點,限制了防火裝飾板的推廣應用。因此,根據我國建設和經濟發展的現狀、社會的需要,為改變我國建筑構件耐火防護材料不太理想的狀況,在國內外現有技術水平的基礎上,結合我國消防法規和規范的要求,緊跟防火裝飾板的發展趨勢,開展輕質防火板的研究,是我國防火保護技術研究的一項重要任務。研制出輕質高強,具有優良防火、防水性能、防腐蝕、耐酸堿、價格低廉、隔音性能好,生產工藝方便、施工安裝簡易,裝飾性、耐久性好,符合國家綠色環保建材產業政策的輕質防火板以滿足我國蓬勃發展的建筑和消防事業的需要,具有重要的現實意義。

    總體而言,考察防火板的發展歷史,特別是考慮到材料的低密度必將為建筑物的輕量化、施工方便、降低綜合造價等帶來極大的益處,目前國內外研究的防火板正朝著輕質、高性能(高效防火功能和可靠性、耐久性)、無機化、施工安裝簡易化、綠色環保的趨勢發展。防火板今后研究的發展方向為:在現有技術的基礎上取得突破性的進展,研制出無機型、輕質,具有優良防火、防水性能、防腐蝕、耐酸堿、價格低廉、施工安裝簡易,符合國家綠色環保建材產業政策;研制出不僅可用于吊頂、隔墻、管道等,還可用于鋼結構的防火保護、電線電纜管道防火封堵、混凝土以及隧道的防火保護、防火門內襯材料等應用范圍廣的輕質防火裝飾板,以滿足我國蓬勃發展的建筑和消防事業的需要。

    對于無機防火保護板材來說,除了保持板材整體的完整性和不炸不裂之外,關鍵還應具有良好的高溫隔熱性能。要獲得良好的隔熱性能,應合理地選擇材料的組成,控制好材料的容重,并盡可能使材料結構內部形成封閉的微氣孔,以增強隔熱能力。此外,增強板材的蓄熱能力,對板材結構進行合理的設計等都有利于增強防火隔熱性能。無機防火板材是一種新型防火保護材料,除了具有優異的防火性能外,近年來朝著質輕,高強度,高耐火性能方向發展。如:采用涂層保護技術與表面粘貼瓷磚、墻紙、添加無機纖維增強防火板、選用合適的分散劑、選擇合適的粘結材料、裝飾性增強、鎂合金網增強板??偟恼f來,無機防火板材為發展環保型防火保護措施提供了新思路,它在新型環保建材行業具有很大的發展空間,不斷拓展它在建材上的應用,不斷推陳出新型產品,是該行業的發展方向。從國內外的發展趨勢來看,建筑裝修材料正在從“可燃”轉向“不燃”,從“有毒”轉向“無毒”,從“有機”到“無機”轉向的明顯趨勢。特別是我國的《建筑內部裝修設計防火規范》的發布之后,對各類建筑的不燃性要求更為嚴格,其中對一些大面積的廳,堂,館,場的吊頂明確限定采用A級——即不燃裝飾板材的嚴格規定。目前,市場上雖然也有一些不燃無機板材,但少有同時滿足不燃和裝飾性能的板材。

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