玻璃之家讯：七. 试验观察和分析
室内燃烧器点燃后2分钟，从室外看，有烟雾开始从窗间墙幕墙下部出现。应该是玻璃嵌条EPDM橡胶条和玻璃下的EPDM橡胶垫块引起的；
2分35秒：间断有火焰从开口处伸出来。室内压力高于室外压力；
2分50秒：开口处上部横梁开始弯曲，此时室内燃烧室温度到达400°C左右。铝合金材料在温度达到250°C ~ 300°C时承载能力开始下降，（碳钢在温度达到375°C 左右承载能力开始下降）。此处横梁通过二块EPDM橡胶垫块承受6.4mm厚单层玻璃重量；
3分40秒：二楼观察室中水平防火带表面中部出现少量烟雾。可能是从防火棉和防烟材料中散发出来的；
5分钟：室外燃烧器点燃；
6分钟：室内燃烧器所产生的热气流在室内压力的作用下，从开口处以较高的速度从室内冲出来，使得室外燃烧器的火焰偏离幕墙面。几分钟后，当温差和压力趋于平衡时，室外燃烧器的火焰基本回复正常，稍稍外偏；
8分20秒：开口处上部横梁中间的硅胶开始
燃烧；
9分钟：单片玻璃内侧发现有冷凝水下淌；
11分40秒：在开口附近的火焰高度超过开口处上部横梁大约300mm左右；
14分25秒：开口处上部横梁的铝合金开始熔化，并滴落下来，铝合金的熔化温度是660°C；
14分50秒：在开口附近的火焰高度已超过开口处上部横梁大约600mm左右；
16分钟：火焰高度已达到单片玻璃的顶部；
18分10秒：在水平方向，火焰向外延伸到离外墙面大约450mm左右；
21分钟：开口处上部横梁的铝合金大约有500mm长已熔化掉了；
28分45秒：由于最中部铝合金立柱（防火棉以下部分）已熔化，下面一根保温棉横保持架的连接失效，造成此保持架悬空挂在那里，失去作为保持架的作用；
30分钟：在二楼观察室中发现幕墙发生变形，中部水平方向朝外变形了3mm；
46分钟：在二楼观察室中水平防火带表面中部出现连续不断的烟雾；
52分钟：6.4mm厚单层玻璃开始软化并向外拱起，玻璃的熔化温度是821°C；作为背板的镀锌钢板和防火保温棉看起来完好；
62分钟~ 72分钟：6.4mm厚单层玻璃继续软化、下垂、熔化并滴落下来；
75分钟：在二楼观察室中观察幕墙中部水平方向朝外变形没有增加；
120分钟：燃烧器熄火。
熄火以后观察和分析：
1) 120分钟内燃烧没有蔓延到上一层。
2) 防火棉看起来完好无损，在水平防火带防火棉的下部与镀锌钢板背板的交界处，发现一条约12mm宽的缝隙，缝隙的走向沿着背板变形的形状。从背板传递过来的大量热量烧烤防火棉侧面接触面，经压缩后的防火棉其扩张性能可能受到影响。 防火棉底部经长时间的高温燃烧已变硬和发脆。正是由于防火棉以33 %压缩率填充，缝隙没能贯穿100mm高的防火棉，阻挡了火焰向上蔓延。
3) 在防火棉上方覆盖的这层防烟层，大部分仍保持了其柔韧性，说明防火棉上侧的温度值大部分在防烟层工作温度范围内。在靠近背板附近因受到高温影响有部分已脱裂开，形成烟雾上升通道（图12）。由于这层防烟层伸缩性为50%，基本上保证了与周围材料的有效密封。
4) 镀锌钢板背板在燃烧中被烧得通红，背板的受热不匀造成一定程度的翘曲，但其翘曲程度明显受到背板加强筋的制约。由于这个加强筋不仅仅固定在立柱上，还直接固定在背板上，使得防火棉附近的背板变形量保持在最小。（图11，图13）
5) 开口处上部的铝合金横梁基本上都熔化掉了，最中部的铝合金立柱（在水平防火棉以下部分）也熔化掉了，其他地方的铝合金结构基本保持完整（图14）。固定在这些已受损铝合金结构上的部件，如背板、防火保温棉、玻璃等，其稳固性和功能性会受到影响。
6) 窗间墙部分的75mm厚半硬式防火保温棉在背板加强筋以上部分基本上完整。由于下面一根保温棉横保持架的一端连接失效，防火保温棉产生倾斜，下方的防火保温棉直接暴露在火中燃烧，部分被烧脱下来，使得背板下方正反二面都受到火焰的攻击。
7) 在2小时燃烧中，上层中空玻璃完好无损，下层单层玻璃部分熔化，未产生破裂现象。注意到为什么开口处上部横梁都熔化掉了，但单层玻璃不掉下来呢？这是一个半隐框系统，玻璃四周全部用结构硅胶，由于定位玻璃的EPDM橡胶块已失效，所以应该是结构硅胶在起作用。 结构硅胶在高温下到底起多大作用？这个问题有待研究，在这个试验中至少还能保持住单层玻璃2个小时。窗间墙玻璃的破碎和脱落对幕墙防火系统虽然不是太重要，但是也起到一些正面作用，它保护了后面的防火保温棉不直接遭受火焰的攻击，这个防火保温棉保持时间越长，对室外侧火焰的防火就越好。
我们将这次试验同不久前的另一次相似试验相对比，总体结果相当相似，也是以成功告终。但前一次试验玻璃的运气不如这次好，在27分钟时，上层楼面其中一块中空玻璃的外片破裂；在72分钟时，上层另一块中空玻璃的外片破裂。幸运的是，这二块中空玻璃的内片自始至终没有破碎。究其原因，我们推测第一块外片玻璃破裂得早与玻璃边缘缺陷有关。要知道，这些玻璃是玻璃公司在流水线上以标准生产程序切割和磨边的，按要求，磨边量为1.5mm（图15），有误差和缺陷是难免的。
8) 从二楼观察室中发现，密封硅胶呈黑色，外表看起来还不错，部分硅胶与连接件已分开了（图16）。一楼燃烧室内部背板周围的密封硅胶均已烧成白色的焦状物。(图17）
9) 本试验中，在燃烧室的幕墙部分，没有采取任何隔热等措施以延缓热量从幕墙系统内部向上层传递。事实上，上层楼面幕墙内侧金属表面的温度已超过500度，超过了表面喷漆的工作温度范围，可能会产生化学物质的分解。同时也有相当数量的气体和烟雾进入上层楼面，足以使人能在数分钟内昏倒，达不到能维持生命的水平。
八. 幕墙防火设计要点
通过对防火试验的研究，以及近几年幕墙设计中对防火要求、防火材料和防火系统不断的探索和实践，我们基本上掌握了幕墙建筑周边水平防火带和幕墙系统防火构造的设计要领。当然随着防火要求、防火材料性能的不断提高，还需要作进一步的研究。本文中对幕墙构造的描述主要基于单元式幕墙系统，其它幕墙系统可以参考它的设计原则和思路作相似的安排。由于单元式幕墙制作和安装质量易于控制，在防火方面，它与框架式幕墙相比优势是明显的。
建筑幕墙防火设计的原则是有效、可靠、制作安装方便，并且不增加太多成本。优秀的单元式幕墙系统完全可以达到这些要求。建筑师和土建结构师应该了解和懂得如何利用幕墙防火构造来满足建筑物周边防火要求。这里，一个土建结构细节值得提一下。在北美绝大部分建筑物幕墙预埋件安排在楼层表面部分，而国内大部分安排在梁或楼板的侧面。先不说前者对幕墙安装、调节、定位等带来很多好处与方便。从防火角度看，幕墙与主结构的承载连接件安排在靠近楼面位置，便于防火棉和防烟层的施工，有利于防火棉更有效地保护这个连接件，使它不过早失效。
建筑物燃烧产生的温度高低，与燃烧材料、通风状态等有关，研究资料表明，温度的峰值可达到1200°C。幕墙系统本身并没有很多易燃性材料，但大部分材料抗燃烧性都不强。幕墙常用金属材料的熔点温度见表3，常用非金属材料的关键温度点见表4。
注：表中数据为大致范围，谨供参考；部分数据来自Plast-O-Matic: Plastic body materials.
*工作温度上限与所要求的暴露时间有关。
**450°C出自于Handbook of Physical and Mechanical Testing of Paper and Paperboard Volume 2; Edited by Richard Mark。国内消防资料为130°C。
***407°C出自于German marine insurers.国内消防资料为150°C。
图18 是典型的单元式幕墙防火构造，下面我们来详细分析幕墙防火设计要点。
1) 玻璃：从防火试验结果可以认识到，上层可视玻璃的完整性对防止火焰上窜很重要，而窗间墙非可视玻璃容易破碎和熔化，对整个防火体系的影响并不大，尽管形式上它跨越了二个防火分区。
从上节 [试验观察和分析] 中谈到，玻璃生产过程中切割和磨边对玻璃破碎的影响。为延缓和防止上层可视玻璃破碎，必须要考虑防止玻璃温升过快、过高的措施，横料下的防火保温棉3）就是起这个作用。
目前随着对节能要求的提高，越来越多的窗间墙非可视部分采用中空玻璃，这对延缓玻璃破碎是有利的。
2) 单元式幕墙水平插口：这里是上下二个单元的结合点，单元式构造的特点使上下二个单元金属不直接接触，延缓了上面单元的温升，降低了窗台板温度升高速度。这一点比框架式幕墙系统要优越。
3) 横料下防火保温棉：这里的防火保温棉厚度根据建筑物和幕墙系统具体情况具体设计，能够保证50mm以上最好，至少要有25mm（图19）。
4) 防火保温棉：工程上我们常用保温棉、防火棉、防火保温棉等名词，这样的表达是以材料用途和功能来划分的，与材料本身的组成和成分无关。在幕墙工程中有时这三者采用的是相同材料。例如防火墙外侧保温棉，可以用岩棉或玻璃棉；无混凝土窗间墙的幕墙，中间的保温棉须起到防火作用，可选用岩棉、矿渣棉，称之为防火保温棉；防火棉同样采用岩棉和矿渣棉，只不过使用中并不关心其保温功能而已。
不少人在谈到岩棉、矿棉等材料时，到底有什么关系不是很清楚。比较权威的机构—北美保温棉制造协会（NAIMA）是这样定义的：岩棉（Rock Wool）和矿渣棉（Slag Wool）基本上是用相同的原材料，相同的生产过程制成的，不同的是其原材料组成成分的比例不同。一般而言，岩棉中至少有70% ~75%是天然岩石，如玄武岩（Basalt）或辉绿岩（Diabase），剩下的是矿渣（铁矿石矿渣）；而矿渣棉中采用70%左右矿渣，其它的是天然岩石。它们都是采用高温熔炉吹丝加压法制作而成。中间可以采用粘合剂，也可以不用粘合剂，依产品而定。粘合剂有无机、有机二种，有机粘合剂无论在防火、防霉、防菌方面都不如无机粘合剂。粘合剂一般在温度超过250°C时气化失效，但并不影响岩棉和矿渣棉制品的完整性，这归功于材料的内聚性和其特殊的层状构造。只要此时没有任何载荷使它变形，它就不会脱落。
以相同生产过程制成的岩棉和矿渣棉制品，它们所具有的各方面性能是非常相似的。
ISO 9229 (Thermal Insulation) 和GB4132 《绝热材料名词术语》中，矿棉（Mineral Wool）包括岩棉、矿渣棉、玻璃棉等。由于玻璃棉熔点过低，目前许多国家不鼓励或禁止幕墙上使用玻璃棉。
目前市场上用于幕墙最物美价廉的防火保温棉，当属采用玄武岩和矿渣制成的岩棉和矿渣棉。这些制品加工成不同的密度，最常用的有密度为64 Kg/m3，这也是不少工程的最低要求。幕墙公司会采用价格低、密度低的防火保温棉，尽管产品包装标志有传热阻R值或传热系数K值，而业主和建筑师往往担心低密度保温棉的保温性能，要求采用密度更高的保温棉，如96 Kg/m3 、128 Kg/m3等。加拿大学者在《矿棉保温棉的对流热损失》研究中指出，这种担心是没必要的，甚至在-35°C低温，低密度保温棉也没有发现对流热损失。
采用无机粘合剂的岩棉和矿渣棉具有良好的防火、防锈、防霉、防菌、不吸水和排水性强等功能。它们在受潮以后保温性能有所下降，但是由于其非常低的吸湿率（<0.1%），当水分挥发以后，保温性能又能复原。并且这种循环过程一般不会破坏保温棉的完整性。保温棉中没有有机物质，就不易生霉和生菌。现代工程中绝大部分将保温棉直接暴露在窗间墙玻璃内侧与室外相通的环境中，很少用贴箔保温棉（主要是价格问题），就是由于上述优点。
保温棉切割和安装质量控制很重要。保温棉四周间隙过大，保温棉之间对接不紧密，保温棉切割角度偏差太大，都直接影响到幕墙整体保温性能。实验数据表明，保温棉中空隙占3%，热阻减小2%-5%；空隙占6%，热阻减小20%-36%[20]。
保温棉厚度根据环境、规范要求通过传热分析计算而定。保温棉厚度越大，保温性能和防火性能越好。例如在美国加拿大边境地区，保温棉厚度一般在100mm-150mm之间。
防火保温棉的可靠固定是防火关键之一。火灾时，铝合金骨架被熔化，玻璃熔化或破裂，如果防火保温棉能经受住室外侧火势的攻击而不塌落下来，就能保护幕墙与主结构的
承载连接件免受高温的影响，就能保护上层的铝合金和玻璃。
防火保温棉必须采用机械式固定方式牢牢地固定在镀锌钢板背板上。图20中，防火保温棉先用胶水粘在背板上，再用镀锌钢板保持架压在防火保温棉的表面，保持架二头用不锈钢螺钉固定在立柱上，保持架间距大约在400mm-600mm之间，距离边框不超过250mm。采用胶水的目的是防止在负压下防火保温棉对保持架施加太大的压力。图21，图22采用的是焊接钉，钉子间距为300mm，距离边框不超过150mm。它是一种非常有效的固定方式，只是要注意选用适当厚度的背板。不允许采用图23 粘结钉固定方式，粘结钉随着时间粘性失效，可能大大影响保温性能，火灾中可能整片很快脱落。
安装完防火保温棉，要用吸尘器将保温棉碎屑吸干净，以免堵塞通气孔和排水孔。保证防火保温棉与玻璃之间至少有25mm以上的空间用于保温通气之用。
5) 单元式立柱接缝防烟封堵：在结构楼面以上部分，可以采用密封胶将这个接缝封住，减少幕墙内部的烟雾进入上层楼面（图29）。
6) 承载连接件：将幕墙系统连接到主结构上，是主要承载构件。无论它的材料是钢材还是铝合金，随着温度的升高，在远远低于材料的熔点温度下，其承载能力已大大降低。所以保护承载连接件的承载能力是防火的主要措施之一。
7) 防烟层（Smoke Seal 或Smoke Barrier）: 在国内常被称作防火防烟层，用于协助控制热气和烟雾（冷烟和热烟）的渗透，实际上它的主要功能就是防烟。热烟（或热气）的温度还不能太高，否则可能使这个防烟层失去弹性和粘结性。
防烟材料要求具备二个基本功能。一是它应该具有较好的弹性，即它能够吸收所填充空间的变位；二是它对金属、铝合金内表面喷涂涂料、混凝土等具有非常好的粘结性能。
防烟层必须布置在背火面。因为它的工作温度范围一般不超过160°C。
在烟雾渗透方面，由（无贴箔）岩棉或矿渣棉组成的防火带，其防烟功能是不怎么理想的，甚至有的专家称它是不防烟的。
目前常用的防烟材料有二种：贴箔岩棉或矿渣棉；丙烯类涂料或硅类涂料。图24为采用防烟涂料的工程实况。这里，根据一些公开的数据我们粗略比较一下这二种产品。有实验数据称，无贴箔防火棉比有贴箔防火棉组成的防烟层（贴箔面与周边留3mm空隙，用防火胶填充），烟雾穿透量要高出304倍[21]。根据ASTM E96和 ASTM F-1249 标准测试方法，大部分贴箔防火棉的烟雾穿透量Perms=0.02[22]，则无贴箔防火棉的Perms=6.08；当采用防烟涂料时，它的Perms=0.3[23]，（涂料厚度是2mm），即防烟涂料的防烟性能比无贴箔防火棉要高20倍。Perms的单位是Grains/ (hr.×ft2 × inch-Hg), 国际单位是g/ (hr.× m2 × mm-Hg)：Grains: 美国用作重量单位；hr.:小时；ft:英尺；inch-Hg：英尺水银柱高；g: 克；mm-Hg：mm水银柱高。当Perms<1时认为具有较好的防烟效果。
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