铝合金窗耐火完整性试验研究

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摘 要：2015年5月1日，我国实施了GB 50016-2014《建筑设计防火规范》，对不同类型、不同高度建筑保温材料的燃烧性能提出严格要求，并对建筑外窗的耐火完整性做出了严格规定。本文主要从铝合金窗的分类、耐火完整性试验设备，以及试验中遇到的一些问题做简单的探讨，希望能对铝合金窗的发展，以及企业的生产提供有效的帮助。
关键词：铝合金窗；耐火完整性试验设备；耐火完整性
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.001
1 引言
铝合金建筑外窗简称铝合金窗，是由铝合金建筑型材制作框、扇结构的窗。目前国内主要是指断桥铝合金窗，是在普通铝合金窗基础上为了提高门窗保温性能而推出的改进型，原理是利用PA66尼龙将室内外两层铝合金既隔开又紧密连接成一个整体，构成一种新的隔热型的铝型材。20世纪80年代铝合金窗技术及成套的生产设备开始引入我国，随着我国经济的快速发展，铝合金窗也迎来的迅速发展；2000年我国铝合金窗产量达到1.0亿平方米，成为了我国技术领先的支柱产品；经过30多年的发展，目前我国的铝合金窗的科技研发、施工技术等基本达到或接近国际先进水平，为行业可持续发展奠定了坚实的基础[1]。
2 铝合金窗耐火完整性判定方法
2015年，我国实施了GB 50016-2014《建筑设计防火规范》[2]，对不同类型、不同高度建筑保温材料的燃烧性能提出严格要求，并对建筑外墙上门窗的完整性做出了严格规定：除采用B1级保温材料且建筑高度不大于24m的公共建筑或采用B1级保温材料且建筑高度不大于27m的住宅建筑外，建筑外墙上门窗的耐火完整性不应低于0.50h。
GB/T 31433-2015《建筑幕墙门窗通用技术条件》[3]给出了建筑门窗耐火完整性的定义：在标准耐火试验条件下，建筑门窗某一面受火时，在一定时间内阻止火焰和热气穿透或在背火面出现火灾的能力。GB 50016-2014《建筑设计防火规范》明确规定其耐火完整性测试方法，是采用GB/T 12513-2006《镶玻璃构件耐火试验方法》[4]中相应试验进行。在GB/T 12513-2006《镶玻璃构件耐火试验方法》中，非隔热性镶玻璃构件失去耐火完整性的判定标准为：（1）当试件背火面窜火持续10s以上时，则认为试件失去耐火完整性；（2）当试件背火面出现贯通至试验炉内的缝隙，直径6mm±0.1mm的探棒可以穿过缝隙进入试验炉内且探棒可以沿缝隙长度方向移动不小于150mm，或直径25mm±0.2mm的探棒可以穿过缝隙进入试验炉内，则认为试件失去耐火完整性。
铝合金窗属于建筑外窗，因此，对于铝合金窗的耐火完整性试验，我们可以按照GB/T 12513-2006《镶玻璃构件耐火试验方法》中对非隔热性镶玻璃构件判定准则的规定进行判定。
3 铝合金窗耐火完整性试验设备
在进行铝合金窗的耐火完整性试验时，采用的耐火试验设备为全封闭燃气自动加热炉，如图1所示，满足GB/T 9978《建筑构件耐火试验方法》[5]中的相关规定。
（1）炉内应布置热电偶，且应均布在试件附近以获得可靠的平均温度。热电偶的位置不应受燃烧器火焰的直接冲击，并且距离炉内所有侧墙、底面和顶部不应小于450mm。固定的方式要确保在耐火试验期间热电偶不移动。热电偶采用符合GB/T 16839.1规定的丝径为0.75mm～2.30mm的镍铬-镍硅（K型）热电偶，外罩耐热不锈钢套管或耐热瓷套管，中间填装耐热材料，其热端伸出套管的长度不少于25mm。
（2）应能控制和监视炉内热烟气压力。炉内设有压力测量探头，应安装在便于压力条件测量和监控炉内压力的位置，不应位于受火焰气流直接冲击的位置或排烟管路上。并且探头测量管在炉内和穿过炉墙的部分应保持水平。沿炉内高度方向存在着线性压力梯度，尽管压力梯度随炉内温度的改变会有轻微变化，仍要保证沿炉内高度处每米的压力梯度值为8Pa。炉内压力应进行连续测量和记录，或是在控制点时间间隔不超过5min测量记录1次。
（3）耐火性能试验采用明火加热，模拟试件受到实际火灾的火焰作用，全封闭燃气自动加热炉满足以下温升条件：，式中，t表示试验所进行的时间，单位为min；T表示升温到t时间时炉内平均温度，单位为℃。上述函数曲线为时间-温度标准曲线，如图2所示。耐火试验时，以时间间隔不超过1min测量不记录温度值1次。30min时试验炉内温度达到842℃，60min时试验炉内温度达到945℃。
4 铝合金窗的分类
4.1 按玻璃结构分类
为满足铝合金窗保温性能要求，国内铝合金窗玻璃结构一般为两玻一腔或三玻两腔结构，如图3所示。两种玻璃结构的主要区别在于三玻两腔的玻璃结构具有更好的隔音和保温性能。
4.2 按防火玻璃类型分类
为满足耐火完整性要求，铝合金窗玻璃结构中至少包含一层防火玻璃，防火玻璃按结构可分为单片防火玻璃和复合防火玻璃。目前国内常见单片防火玻璃主要为单片铯钾防火玻璃：是指普通玻璃通过特殊化学处理在高温状态下进行离子交换，加入了铯钾等离子，同时通过物理钢化处理，提高了玻璃的抗冲击强度[6]；另外，一些企业为应付检查，采用高硼硅玻璃、微晶玻璃等制成特种防火玻璃，也属于单片防火玻璃，但在工程上应用较少。常见复合防火玻璃是指在两片玻璃之间加上一层透明且具有阻燃性能的凝胶，凝胶遇到高溫时会发生吸热分解反应，变为不透明，有阻隔火焰的能力，目前国内主要采用海绵硅防火玻璃。不同防火玻璃结构的铝合金窗试验照片如图4所示。
采用全封闭燃气自动加热炉试验过程中：对于单片铯钾防火玻璃铝合金窗，在300℃左右向火面钢化玻璃破裂脱落，耐火完整性可坚持1小时，如图4（a）所示；对于复合防火玻璃铝合金窗，在300℃左右向火面钢化玻璃破裂脱落，然后复合防火玻璃向火面层的白玻破裂，胶片受火膨胀，胶片背火面颜色随时间逐渐变白变黄变黑，如图4（b）所示。
5 铝合金窗在实际试验中遇到的问题
铝合金窗主要由玻璃、型材、密封材料、其他配件等组成，任一部件出现问题都会影响其耐火完整性。以下是在铝合金窗在耐火试验过程中遇到的问题：
（1）玻璃结构装反：即防火玻璃装在向火面（室外侧），钢化玻璃装在背火面（室内侧）。对于单片防火玻璃建筑外窗，在耐火试验5min左右，玻璃破裂，失去耐火完整性，如图5（a）所示；对于复合防火玻璃建筑外窗，经多次试验，耐火时间均在20min左右，也达不到规范要求，如图5（b）所示。
（2）玻璃质量有问题。在进行耐火完整性试验过程中，不同企业由于工艺、技术不过关，导致玻璃在短时间直接破裂，如图5（c）、（d）所示。
（3）使用的密封材料有问题：在耐火试验过程中密封材料燃烧，多发生在耐火试验进行到30min之后，向火面温度达800℃之后出现，如图5（e）所示。
（4）铝合金窗玻璃压条有问题：在耐火试验过程中，炉内达到较高的温度，压条软化脱落，导致玻璃脱落，如图5（f）所示。
6 对于铝合金窗装配注意事项和建议
目前对于铝合金窗耐火完整性试验过程中会遇到各种问题，为达到耐火完整性的要求，对铝合金窗的装配过程中提出以下几点建议，为企业的生产提供有效的指导。
（1）对于单片防火玻璃铝合金窗：综合成本较低，稳定性较差，需要找到更合适生产工艺；对于复合防火玻璃铝合金窗：复合防火玻璃较单片防火玻璃质量稳定，但成本高，寿命短，不能直接用于外墙，难于深加工，长期处于紫外线照射下易起泡、发黄甚至失去透光性，后期维护费用较高。企业可综合考虑选择合適的防火玻璃。
（2）铝合金窗的作用之一是阻止外墙火焰的蔓延，为保证耐火完整性的要求，在铝合金窗的装配过程中一定要正确安装钢化玻璃和防火玻璃结构，即钢化玻璃应安装在向火面，防火玻璃安装在背火面。若防火玻璃安装在向火面，背火面为钢化玻璃，其耐火时间基本不超过20分钟，且背火面玻璃容易炸裂伤人。
（3）在对铝合金窗耐火完整性试验时，试验炉内温度远超型材熔点，样品向火面型材易融化，所以窗体内腔应填充防火隔热材料以维持窗框整体稳定。常见填充材料有耐火泥、有机堵料、防火密封膨胀密封条等。
（4）铝合金窗能否达到规定的耐火完整性，最重要的是玻璃质量。企业应当积极研发学习新技术，制造出更符合性能要求的玻璃。
（5）鉴于型材本身特性，建议铝合金窗耐火时间为60min。
参考文献：
[1]闫玉芹，李新达等.铝合金门窗[M].北京.化学工业出版社，2015.
[2]GB 50016-2014 建筑设计防火规范[M].北京.中国计划出版社，2015.
[3]GB/T 31433-2015 建筑幕墙、门窗通用技术条件[M].北京.中国标准出版社，2015.
[4]GB/T 12513-2006m 镶玻璃构件耐火试验方法[M].北京.中国标准出版社，2006.
[5]GB/T 9978.1-2008 建筑构件耐火试验方法 第1部分：通用要求[M].北京.中国标准出版社，2008.
[6]陈国栋，杨加喜，计国庆.建筑外窗耐火完整性应用若干问题的探讨[J].中国建筑金属结构，2017（08）：40-47.