建筑耐火节能门窗材料的设计选择路径研究

赵良硕 朱小路 东营市建筑设计研究院

1 前言

为了保证建筑门窗物理性能优良，尤其是保温性能，通常需要在其框架或其他部位使用高分子有机材料，以保证具备较高的节能性能。由于这些有机材料通常具有可燃特性，导致建筑门窗的耐火完整性基本无法满足标准规范的要求。因此，对建筑门窗进行耐火性能改造，调整构造设计和材料选择，是提高节能门窗耐火性能的唯一途径。本文在分析不同节能门窗种类的基础上，从材料设计选择方面，进行了全面系统的分析总结，为提高建筑门窗耐火完整性指标，提出了具体的解决方案。

2 建筑耐火节能门窗材料设计概述

随着我国经济高速发展，越来越多高层建筑在城市中涌现。为城市带来亮丽风景的同时，也带来了紧迫的消防安全隐患。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。

防火窗在我国有比较长的使用历史，最初指设计安装在防火墙上或者避难间、消防控制室、消防水泵房等特殊场所的窗，相比于建筑外窗，防火窗更是一种消防产品。按照耐火性能划分，防火窗可分为隔热型和非隔热型，按照耐火时间大致可划分为甲级、乙级、丙级。“耐火窗”顾名思义泛指具备一定耐火性能的建筑外窗，按材质可分为塑钢耐火窗和铝合金耐火窗，但在我国的众多产品标准中并未对“耐火窗”进行定义，“耐火窗”是建筑行业对该类产品的一个约定俗成的称呼。

3 建筑耐火节能门窗材料选择

3.1 铝合金型材

隔热断桥铝合金型材具有自重轻、韧性好、外观设计精致，且表面涂漆工艺较成熟，颜色丰富等特点，铝材有较好抗锈蚀特性，使用维护成本相对较低。型材设计国标、欧标通用五金槽口，设计安装便捷灵活，辅助配件通用齐全，使用功能更丰富，建筑外表更美观。断桥隔热铝合金窗在建筑门窗市场占比非常大，已经得到广大用户认可。铝材热传导性好、熔点较低，做耐火材料并不占优势。在耐火试验中，炉内平均温度在600℃~680℃时，型材向火面开始软熔，隔热穿条已经融化，包裹防火玻璃的铝材翅边和局部受力部位开始变形失去支撑。根据标准设定升温曲线，在30min时炉内平均温度超过800℃，显然主型材不做相应耐火处理时，防火玻璃质量再优越，也很难满足≥30min耐火完整性测试。例如：受承重力较大窗扇五金铰链，应尽量设置在背火面或采取内部加固措施，避免受热后窗扇下垂出现蹿火现象。

3.2 窗框

当前国内常用的门窗材料主要包括木材、钢材、铝材和塑料。从刚性来看，钢材的刚性最强，塑料的刚性最差；从阻热性来看，木材和塑料都具有良好的阻热性，但是铝合金和钢材的阻热性较差；从耐火性来看，钢材还具有较好的耐火性，铝合金的耐火性一般，木材和塑料的耐火性较差；从耐腐蚀性来看，铝合金和塑料的耐腐蚀性强，木材和钢材的耐腐蚀性差；从导热系数来看，木材和塑料的导热系数较小，钢材的导热性居中，铝合金的导热性较高。

3.3 夹层防火玻璃

在节能门窗设计中主要采用的是夹层玻璃，和单层玻璃相比，夹层玻璃的导热系数要低很多，因此其阻热性更好。夹层玻璃和普通玻璃相比，中间增加了一层空气。空气的导热系数很低，因此能够大幅降低玻璃的热阻性。夹层玻璃的导热性受夹层空气厚度影响，在一定范围内，空气厚度越大，夹层玻璃的阻热性越强。但是，超过一定厚度之后空气就会产生对流，将夹层增厚的传热阻抵消，此时传热阻会降低。同时，在玻璃夹层中充填惰性气体或者绝热气体也有利于提高其阻热性。智能玻璃门窗也是现代建筑节能门窗的主要种类之一。

智能玻璃门窗属于体重新型门窗，主要由玻璃和电致变色系统构成，通过电致变色材料的电场作用对透光、吸收性能进行调节，达到人为控制光照度的目的。此外，还有光致变色玻璃，是通过太阳光等的照射来改变玻璃的颜色，从而对透光性进行调整，在夏季起到遮阳的作用。光致变色玻璃被广泛应用于汽车与建筑物上，可以实现对车内或者室内光线的自动调节。

3.4 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0.10W/（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。

3.5 五金

传统防火门窗五金多为钢制，采用焊接或螺接工艺安装，开扇出现磨损下垂后不便调节。铝合金窗型材多为国标或欧标槽口，五金采用卡入式安装，装配精度高，且方便调试和维修。耐火节能窗框扇的受力和承重部件，应采用不锈钢或镀锌钢材质，安装在背火面主型材或内置增强龙骨上，以确保开关运动持久性和高温条件下不脱落。背火面非承重和装饰性五金部件可以采用铝制，不易采用锌合金制品，锌材化学性质较活泼，在100℃~150℃时变软，超过200℃后又变脆，在400℃~450℃时瞬间熔化流淌，高温环境下使用非常不安全。

4 建筑耐火节能门窗材料的设计优势

4.1 外窗耐火完整性实现途径

防止火灾的发生可称为“防火”，限制火灾造成影响的措施也可称为“防火”，包括对材料添加物质或进行处理以抑制其燃烧，如聚合物中添加阻燃剂来实现难燃产品，在聚丙烯中添加一定比例的聚磷酸铵、三聚氰胺、三（2-羟乙基）异氰脲酸酯可得到（UL94）V0级，氧指数为29%的阻燃PP。在显著减弱或延缓其在燃烧时火焰的扩展也是阻燃。例如防火涂料的防火作用就是阻燃。对制造产品所需和各种材料有一定了解后，实现外窗一定时限的耐火完整性，途径基本清晰。

4.2 聚氨酯耐火节能窗的耐火性

建筑构建要想加大耐火性能必须要达到两个方面的指标，首先是耐火完整性，对于部分不需要具备隔热性能的门窗而言，只需要有良好的耐火性能即可满足耐火性的标准。根据相关的检测标准，对非隔热性耐火窗进行耐火性检测，只需要对背火面的状态进行检测，通过对材料进行持续燃烧，观察背火面的实际情况便可以得出结论。在对聚氨酯耐火节能窗进行耐火性试验时，通过1h的持续燃烧并未发生完整性破坏，仅仅表现为受火面的钢化玻璃出现碎裂，受火面发生了部分燃烧现象并持续到实验的结束。

4.3 良好的表面装饰性

由于材料的纤维含量高，所以在使用过程中需要选用合适的涂料来满足美观的要求，同时也可以保护材料不受到损害，新型的水性环保聚氨酯涂料就是专门针对玻纤增强聚氨酯型材研制的一种涂料，能够很好地为型材提供保护和装饰。首先该涂料可以实现均匀的覆盖大大提升材料的平整性，并且能够很好地进行附着，实现持久性的防护。这种材料属于环保材料，无毒、无污染能够保证使用者的健康，还可以很好地吸收紫外光，对材料起到良好的保护作用。作为装饰性涂料，材料在颜色、光泽以及实际效果上都可以进行很好的搭配，使用者可以根据自己的需求随意搭配，从而实现更好的美化效果。

4.4 材料的强化

玻纤增强聚氨酯型材是在聚氨酯的基础上强化得到的一种材料，有着比聚氨酯更优良量的耐火性，就材料而言玻璃纤维本身就是很好的阻燃剂，这是一种无机纤维熔点往往在1000℃以上，聚氨酯材料在遇火后会形成碳化层，从而阻止了火焰的进一步扩散。在将这两者结合之后便得到了玻纤增强聚氨酯型材，在明火的灼烧之下也很难被点燃，大大提高了材料的耐火性，不仅如此，遇火面承受的高温也很难传导到另一面，所以极大地提高了材料的耐火性能。

5 结束语

随着经济的不断发展与进步，各种各样的新式材料也层出不穷，因此为了更好地满足国家的要求，做好建筑节能门窗耐火性的设计，需要选择优良的材料。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；在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。

与此同时，国家相关部门也要加大对于市场的监管，加强对于工程质量的检测与管理。节能耐火窗受耐火材料性状、制作工艺水平等因素影响较大，只有实际使用工况与检测试件相同时，才能保证达到预期效果。这需要生产企业有完善的管理制度与较高的生产水平，实际使用时非常有必要对生产厂家进行实地考察。综合考虑门窗的各项性能，在保证门窗的各项物理性能基础之上，还要协调耐火性和美观性，在诸多优良性能的支持下，这一材料必定会成为未来发展的新方向，必定会大大推动节能防火型门窗的发展。