高层建筑材料的防火特性其应用

摘 要:随着经济建设和世界建筑潮流的发展,多高层建筑似乎是当今社会评价城市发展进程的一个主要指标,从而高楼大厦火灾安全的忧虑和思考不容忽视.本文分别从建筑结构材料和装饰材料的防火特性及其应用方面分析高层建筑的防火安全,从而通过科学的选材和防护,提高高层建筑的防火能力.

关 键 词:结构材料装饰材料防火

中图分类号:TU56文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010)05-098-02

1前言

随着经济建设的发展和土地资源的充分利用,多高层建筑成为当今城市发展的趋势,与此同时,火灾隐患大量滋生,火灾对人民生命和财产安全造成了不可估量的损失.据统计,自21世纪以来,我国火灾直接经济损失均在50亿元以上,其中建筑火灾的损失占70以上,建筑火灾发生的次数占总火灾次数的75以上.近些年来,特大恶性建筑火灾屡有发生.例如,2000年河南洛阳东都商厦特大火灾(死309人),2007年浙江温州温富大厦裙楼重大火灾(死21人),2008年深圳龙岗舞王俱乐部特大火灾(死44人),2009年央视新址北配楼特大火灾(经济损失高达10亿元)等.

产生如此巨大的损失,主要由于当前多高层建筑偏于考虑结构承重安全和装饰的美观豪华,而缺乏相应的防火安全意识及对一些建筑结构材料和装饰材料防火特性及其应用的深刻了解.因此,有必要对当前多高层建筑材料防火特性做相应的研究分析,本文主要从防火的角度讨论建筑结构材料和装饰材料的特性,从而科学应用与选材,以提高建筑的防火能力.

2结构材料

建筑结构材料主要有钢材、混凝土和砖石,而当前高层建筑应用最多最广泛的是钢材和混凝土,下面分别讨论其耐火特性及相应防护措施.

2.1钢材

建筑钢材可分为钢筋混凝土结构用钢筋和钢结构用钢材(各种型材、钢板)两类.它是在严格技术控制下生产的材料,具有强度大、塑性和韧性好、品质均匀、制成的钢结构重量轻等优点.但就防火而言,钢材虽然属于不燃性材料,耐火性能却很差.

钢材高温下性能:在温度不断升高的条件下,钢的强度和硬度都会暂时降低.这种持续的性能衰减对钢在受火期间的变形和承载力有着不利的影响,例如变形在增加而强度和硬度却在降低,钢的热学特性也受到影响,如热膨胀系数、比热容和热导率等.在温度超过600℃的高温中,当受热约15min以后,可观察到无防火保护的钢很快发生变形、扭曲并弯曲.通常情况下,经历高热和长时间受火的钢材会受到严重损坏,以至于需考虑更换,但光是更换的费用就非常巨大.

钢筋混凝土结构用钢:在一般建筑钢筋混凝土结构中广泛使用的普通低碳钢和普通低合金钢在高温下强度都显著降低,而在高层大跨度建筑中的预应力钢筋混凝土结构大量使用冷加工钢筋和高强钢丝.其中,冷加工钢筋是普通钢筋经过冷拉、冷拔、冷轧等加工强化过程得到的钢材,强度增加而塑性降低,相关实验显示,这种钢材在高温下,冷加工所提高的强度逐渐减少和消失,塑性得到一定恢复.因此,在相同高温下,冷加工钢筋强度降低值比未加工钢筋大很多.高强钢丝属于硬钢,没有明显的屈服极限.在高温下,相比其他钢筋,高强钢丝抗拉强度降低的也更快.因此,预应力钢筋混凝土构件耐火性能远低于非预应力钢筋混凝土构件.所以在对高层大跨度建筑结构设计时,选材方面需根据相关规范考虑防火安全因素及相应防火保护措施,以提高建筑防火能力.

钢结构用钢:相对于混凝土,钢材的强度高,故广泛用于钢结构中.而无防火保护的钢框架在某些情况下易遭受到火灾的危险.现在一些建筑规范中均包含“处方式”规则,用于明确各种类型的结构、高度、区域及居住环境在何时需采用何种防火保护方式对钢结构进行防火保护.若有必要,可采用各种防火保护方式使钢构件与火灾产生的热冲击隔离,如采用喷涂材料、膨胀涂料、隔板/石膏板、混凝土包裹或填充料等,这些保护都是为了延缓钢材温度的升高及相关材料特性的下降,以提高钢结构的耐火性能,从而提高建筑防火能力.

2.2混凝土

混凝土是一种不燃材料,其热容量大,热导率小,火灾高温下升温慢,是耐火性能良好的材料.混凝土耐高温的差异取决于质量密度、含水率和混凝土中所用的集料.其中含水率在较高时有利于延迟材料的温度升高,但在某些情况下也可能会因气孔压力的聚集而导致爆裂,结果不仅减小了构件的横截面,也使内部加强钢筋直接暴露在外.因此,应保证合理的含水率,以提高混凝土的耐火能力.

和钢框架相比,其结构设计常使其构件更重、更大,并形成了一个有用的热槽在火灾中起到吸收热量作用.由于这种热质量效应和其作为承重构件的主要功能,混凝土一直被用于隔热和防火分隔.当混凝土采用钢筋或预应力钢筋加强时,要考虑钢筋的温度变化决定着混凝土构件的耐火极限.然而和其他建筑材料相似,在温度升高的条件下,混凝土也会发生性能衰减,并产生裂纹和剥落等现象.

在火灾初期,混凝土构件受热表面层的块状爆炸性脱落现象,称为混凝土的爆裂.它在很大程度上决定着钢筋混凝土结构的耐火性能,尤其是预应力钢筋混凝土结构.混凝土的爆裂会导致构件截面减少和钢筋直接暴露于火中,造成构件承载力迅速降低,甚至失去支撑能力,发生倒塌破坏.此外还会使薄壁混凝土构件出现穿透性裂缝或空洞,失去隔火作用.根据耐火试验发现在下列情况容易发生爆裂:急剧加热,混凝土含水率大,预应力混凝土构件,周边约束的钢筋混凝土板,厚度小的构件,梁和柱的棱角处以及工字型梁的腹板部位等.所以,在建筑结构设计中应考虑上述因素,而尽量避免混凝土发生爆裂破坏.

对于钢筋混凝土结构而言,在火灾高温作用下钢筋和混凝土之间的黏结强度变化对其承载力影响很大.钢筋混凝土结构受热时,其中的钢筋发生膨胀,由于水泥石中产生的微裂缝和钢筋的轴向错动,导致钢筋与混凝土之间的黏结强度下降,从而造成结构承载力下降.

因此,为提高混凝土材料的防火能力,可采用如下措施:(1)使用膨胀性小、性能较稳定、粒径较小的骨料配制的混凝土.(2)采用高标号水泥、减少水泥用量、减少含水量.(3)尽可能地阻止外界的热量向混凝土制品传递,提高其耐火极限.其中常用的方法主要有:在钢筋混凝土构件外加设保护层,适当加大构件的截面积,采取合理的耐火构造设计,避免构件出现过大的挠曲、过于集中的受力等,加强缝隙的封堵,防止发生穿透性裂缝,喷涂防火涂料等.

2.3砖石

砖石主要用于建筑的非承重墙或隔墙中,是一种耐火性较好的材料,但其相对较重、较高,因此在使用砖石作为防火保护材料时,从经济的角度,其吸引力相对较小.

3装饰材料

国内外大量的火灾统计表明,许多建筑火灾是由于其内部装饰材料的燃烧引起的,造成人员重大伤亡和财产损失也是由于装饰材料采用了大量的可燃、易燃材料所致.因此,合理选择装饰材料对建筑防火至关重要,以下分别讨论石膏、玻璃和木材等装饰材料的防火特性.

3.1石膏

石膏是一种不燃性材料,一般制成石膏板.石膏凝结硬化后的主要成分是二水石膏,其在高温时发生脱水,要吸收大量的热,延缓了石膏制品的破坏,因此隔热性能良好.但是二水石膏在受热脱水时会产生收缩变形,因而石膏制品容易开裂,失去隔火作用.

在受火情况下,石膏板或石膏灰泥的热化学效应会促使其内部的水缓慢释放为水蒸汽,因此有效地延迟了从热源到被保护构件的传递.当用石膏做保护材料的木材或钢构件受火时,水变成水蒸汽缓慢释放的这一过程(被称作煅烧)起到了热阻隔物的作用直至内部所有的水完全蒸发.煅烧后温度升高,石膏将继续充当物理防护物保护下层的结构件以避免其直接暴露于火中.

因此,石膏板通常被制成薄保护层或保护套围在结构构件或组件的四周.对柱而言,可将一定厚度的石膏板按照适当的安装方法做成一个盒子围绕在柱的四周,以达到建筑规范要求的耐火等级要求.对于楼板和屋顶组件来说,石膏板可作为吊顶的一部分,能阻止热传到天花板上方的楼板和屋顶,且符合耐火等级设计要求.例如,可采用纸面石膏板,其具有质量轻,强度高,易于加工装修的特点,可达到耐火、隔热的目的.为了保证保护套在火灾前和火灾中的完整性,重要的不仅是耐火组件中石膏板的厚度和类型要适当,而且所有的安装细节也要充分符合耐火等级和规范的要求.

3.2玻璃

玻璃具有透光、隔烟、隔火、遮挡热辐射、抗冲击等性能,广泛应用于建筑装饰中.从结构防火的角度,玻璃可分为灌注型防火玻璃、复合型防火玻璃和单片防火玻璃.

复合防火玻璃:火灾发生时,向火面玻璃遇高温后很快炸裂,其防火胶夹层相继发泡膨胀十倍左右,形成坚硬的乳白色泡状防火胶板,有效地阻断火焰,隔绝高温及有害气体.主要适用于建筑物房间、走廊、通道的防火门窗及防火分区和重要部位防火隔断墙,在用于外窗、外幕墙时,设计方案应考虑防火玻璃与PVB夹层玻璃组合使用.

灌注型防火玻璃:遇高温以后,玻璃中间透明胶冻状的防火胶层会迅速硬结,形成一张不透明的防火隔热板.在阻止火焰蔓延的同时,也阻止高温向背火面传导.适用于防火门窗、建筑天井、中庭、共享空间和计算机机房防火分区隔断墙.单片防火玻璃:它是一种单层玻璃构造的防火玻璃.在一定的时间内保持耐火完整性、阻断迎火面的明火及有毒、有害气体,但不具备隔温绝热功效.适用于外幕墙、室外窗、采光顶、挡烟垂壁、防火玻璃无框门,以及无隔热要求的隔断墙.

因此,在高层建筑中应综合考虑经济和防火特性,合理选用玻璃类型,以达到相应防火和使用要求.

3.3木材

木材具有质量轻,强度大,热导率小,容易加工,装饰性好,取材广泛等优点,试验研究表明,在火灾条件下,截面尺寸大的木构件在短时间内仍可保持所需的承载力,但在火灾中,木材极易燃烧.

因此,在作为装饰材料中,为克服木材易燃烧的缺点,一般可以通过以下两种方法:(1)加压浸注,将木材浸在容器内的阻燃剂溶液中,一般阻燃剂有磷酸、硫酸铵等.阻燃剂的加压处理对改进木制品的表面燃烧特性非常有效,但这些化学物品不能耐水和潮湿的环境.但同时这种处理降低了木材的强度,还有加压的方法不能使用在低渗透性材料的结构中,此时,在表面使用防火涂料是唯一的选择.(2)表面涂刷,在木材表面涂刷一层有一定防火作用的防火涂料,造成保护性的阻火膜.有两类防火涂料可使用在木材产品上,一种使用是与注入方法相同的化学品.这些涂料能改善表面可燃性,但不会影响成碳率和耐火性.另一种是涂料暴露在火灾中能膨胀并在表面形成一种低密度的焦炭层,能改善表面的可燃性和木材结构的耐火性.

3.4其他装饰材料

塑料制品,其火焰温度高,燃烧速度快,发烟量大,毒性大,处理方法就是添加各种阻燃剂,所以应尽量少用.

防火板,目前市场上最为常用的材质,其优点是防火、防潮、耐磨、易清洗,而且花色品种较多.在建筑物出口通道、楼梯井和走廊等处装设防火吊顶天花板,能确保火灾时人们安全疏散,并保护人们免受蔓延火势的侵袭.

墙纸,目前,国内兴建的不少高层公共建筑和重要的住宅等建筑,采用墙纸的愈来愈多,从防火角度看,采用非燃烧或难燃烧墙纸是有利的,在设计中应注意优先选用.

防火卷帘,一般具有良好的防火、隔热、隔烟、抗压、抗老化、耐磨蚀等各项功能,在建筑物内不便设置防火墙的位置可设置防火卷帘.

4结束语

随着科技的进步和经济的发展,尽管采取各种防火设计和措施,建筑火灾仍频频发生.笔者认为,从对建筑防火材料特性的深入了解和使用的角度考虑,不失为一个良好途径,使材料的应用更加经济而又最大限度的避免火灾发生从而减少相应损失.