防火玻璃研究进展及在建筑领域中的应用

贵阳防火玻璃研究进展及在建筑领域中的应用

1 引言

随着经济水平的不断提高，国内各类建筑对玻璃幕墙安全性的要求也在不断提高，我国《高层民用建筑设计防火规范》与《玻璃幕墙工程技术规范》明确要求高层建筑部分外围护必须具备防火性能。防火玻璃是一种高端的建筑玻璃，除了具有普通玻璃的性能外，还具有控制火势蔓延、隔烟和隔热等性能，可防止火灾透过隔断和外幕墙波及到建筑物的其他区域，保证人们的生命安全和减少财产损失。

2 国内外现状及技术发展趋势

随着世界各国对建筑住宅及公用建筑物的要求越来越高，英、法、德等国家相继制定了《建筑设计防火规范》、《建筑物件防火性能测试方法和标准》及《高层民用建筑设计防火规范》等法规，这些法规的出台极大地提高了防火玻璃的安全性能，并促进了防火玻璃的研发步伐，目前建筑安全玻璃和防火隔热玻璃的市场需求在发达国家呈逐年上升趋势。

现代楼层建筑玻璃已从过去单纯作为采光和装饰用材料向安全、调光、控温、降噪等多种功能方向发展。据业内权威人士预测：中国今后有关安全等防火、隔热玻璃产品的市场需求将呈良好、健康发展的上升趋势，年增速在10%~20%以上。国际建筑界及玻璃界的专家指出，世界高层建筑及摩天大厦的兴建，将大大拉动国际防火玻璃市场的需求。市场人士预测认为，在国际市场方面，欧、美两大地区以及中东地区和亚洲的日本、韩国、东南亚地区及大洋洲的澳大利亚对防火、隔热玻璃的市场需求十分强劲。尤其是中东地区，由于该地域干旱、炎热、少水，易引起火灾，防火、隔热玻璃一直走俏于市场。可以预料，未来多功能的防火玻璃市场前景将更好。

玻璃是外窗所占比重最多的材料，为热的不良导体，实现外窗的耐火完整性主要取决于玻璃热学性能。首先是耐热性，玻璃的膨胀系数因材质不同而不同，膨胀系数越小，其热稳定性越高，玻璃本身是不燃材料，但温度急剧变化会引起玻璃的破碎，玻璃承受这种温度剧变的能力称为耐热性，对玻璃热稳定性影响最大的是热膨胀系数，此外还与玻璃材质、厚度、形状和应力分布等密切相关。热应力也是玻璃主要的热学性能，受热不均或膨胀不同，就会在温度变化下因破碎而过早地失去玻璃的完整性。处理好玻璃的热学性能，防止玻璃受火时过早地炸裂，提高玻璃的软化温度，一种全新的玻璃——防火玻璃便应运而生。

市场上的防火玻璃有多种，但就性能和发展前景来说，硼硅单片防火玻璃和新型复合防火玻璃占有明显优势，是今后防火玻璃发展的两个主流产品。

1994年德国Schott公司将先进的高硼硅玻璃全电熔熔化技术和先进的微型浮法工艺技术有机地结合起来，创造性地生产出世界上第一块浮法高硼硅玻璃；肖特公司生产的单片硼硅防火玻璃PYRAN，既具有优良的抗热冲击性能又具有浮法玻璃极好的光学性能和近乎完美的视觉效果，同时它又是钢化的安全玻璃，具有很高的机械强度和安全性，在遇火的情况下仍能保持贯有的透明清晰度，能够提供达到BS62O6A级安全等级，最高耐火极限可达2小时以上。

目前，国外厂商如圣戈班和皮尔金顿垄断了复合防火玻璃的全球高端市场，但价格昂贵，其产品覆盖了大部分防火等级的复合防火玻璃，均采用类三明治式结构，即在两层或多层玻璃间加入透明防火胶，遇火后胶层发泡膨胀将火焰和热量阻隔，保护背火面的人身安全、减少财产损失。虽然少数国内企业可生产无机复合防火玻璃，都是采用常规模数（3.4左右）的K2O·nSiO2为防火层材料，性能与国外产品有一定差距。当无机防火层材料的模数增加到5以上时，防火玻璃耐候性更好，使用中不易产生微泡，是下一代防火玻璃的主要发展方向。

3 贵阳防火玻璃的分类

根据国标15763.1—2009《建筑用安全玻璃防火玻璃》的规定，按照耐火性能分类：

（1）A类防火玻璃：耐火性能同时满足完整性、耐火隔热性能要求的防火玻璃，其耐火极限等级分为五级，分别对应的时间为3h、2h、1.5h、1h、0.5h。

（2）C类防火玻璃：耐火性能仅满足耐火完整性要求的防火玻璃，其耐火等级分为五级，分别对应的时间为3h、2h、1.5h、1h、0.5h。

按照产品结构分为单片防火玻璃和复合防火玻璃。

3.1单片防火玻璃

3.1.1高强度单片铯钾防火玻璃

通过高温熔融盐对普通浮法玻璃进行离子交换后，玻璃表面产生较大的压应力，再经过物理钢化处理，表面形成高强压应力，大大提高了玻璃的抗冲击强度，单片铯钾防火玻璃的强度是普通玻璃的6~12倍，是钢化玻璃的1.5~3倍。

高强度单片防火玻璃的生产具有原料来源丰富、生产工艺简单、设备投资少等优点，目前占有一定的市场份额。但由于原片玻璃可能存在的缺陷（结石、划伤等）以及强化过程中可能出现的应力不均或应力集中等工艺因素，产品质量的稳定性和一贯性难以保证，甚至于检测过程中也难保片片合格，这些致命短板致使一些科研机构放弃了对这一产品的研究和推广。

3.1.2硼硅酸盐防火玻璃

硼硅防火玻璃是一种通过改变玻璃基本成分，降低玻璃自身的膨胀系数、提高玻璃自身的软化点温度和提高玻璃自身的导热能力，从而达到安全防火目的的新型防火玻璃。其优异的性能使该玻璃成为真正意义的防火玻璃。

硼硅酸盐玻璃具有良好的化学稳定性、较高的软化点（约850℃左右），较低的热膨胀系数（30-40×10-7/℃）,机械强度高,在国外一些发达国家中使用较为广泛，它集优良的抗热冲击性能及浮法玻璃极好的光学性能于一身，具有很高的机械强度和安全性。可广泛应用于民用及商业建筑物的立面、隔断墙、窗户、防火门及船舶防火，该玻璃的防火性能远优于目前市场上的单片防火玻璃和复合防火玻璃。

硼硅防火玻璃的主要技术指标：软化点845±10℃；膨胀系数(4.0±0.1)×10-6/k；密度2.28±0.029/cm³；导热系数1.2W/m·k。

3.1.3铝硅酸盐防火玻璃

此类防火玻璃的主要特征是Al2O3高，碱含量低，软化点在900℃~920℃之间，热膨胀系数为25℃~300℃时36×10-7/℃，在火焰上加热一般不会炸裂和变形，可直接用作防火玻璃。

3.1.4锂铝硅透明微晶防火玻璃

该玻璃的膨胀系数很小，理论上视为零膨胀，软化点900℃，是目前防火性能最佳的产品，是一种极为理想的防火玻璃。由于成本较高，主要用于航天、国防、科研等特殊领域。

3.2复合防火玻璃

复合防火玻璃是由两层或两层以上的平板玻璃中间夹以透明的防火胶粘剂组成。在遇火灾时，胶粘剂会迅速发泡膨胀形成绝热的耐火隔热的泡沫层，能吸收大量热量。其隔热和防热辐射功能可使火灾发生时玻璃背火面区域的人员免遭高温侵害，近年来复合防火玻璃日益受到人们的关注。

复合防火玻璃的生产方法分为夹层法和灌浆法。

3.2.1干法/夹层法复合防火玻璃

干法/夹层法复合防火玻璃是在两层或多层玻璃上附着一层或多层水溶性无机防火胶夹层，经固化干燥复合而成，无机防火夹层多选择硅酸钠水玻璃或锂、钾硅酸盐水玻璃的混合物，在火灾发生时会发泡膨胀，形成坚硬的防火胶板，从而有效阻断火焰，隔绝高温和有害气体。

复合防火玻璃以其优异的阻火隔热性能成为建筑防火等级最高的玻璃，并广泛应用于船舶防火系统。国际上圣戈班和皮尔金顿在防火玻璃国际市场上占主要份额。目前国内有少数企业可生产无机复合防火玻璃，都是采用常规模数（3.4左右）的K2O·nSiO2为防火层材料，性能上与国外产品有一定差距，但与灌浆法防火玻璃相比，性能已有很大改善。当无机防火层材料的模数增加到5以上时，防火玻璃耐候性更好，使用中不易产生微泡，是下一代防火玻璃的主要发展方向。

国内复合防火玻璃已经可以达到建筑防火的基本要求，但产品中的微气泡、耐紫外线辐照性能等尚需改善，因此研发出无微泡、耐紫外线辐照性能优异的高性能复合防火玻璃，实现产品性能质的飞跃，扩大产品的应用范围，既是我国防火玻璃技术发展的必然趋势，也是建筑节能、安全玻璃产业化发展的一个重要方向。

目前复合防火玻璃现有技术直接利用常规低模数的K2O•nSiO2基原料（模数3.4～3.6）作为防火中间层物质，这种材料的硅氧键交联度小、亲水性强，导致其会从大气中吸收水分诱发材料降解，在使用过程中，特别是在紫外线作用下，引起-Si-O-Si-桥氧键断裂并羟基化，造成材料的可见光透过率下降和产生气泡、流胶等缺陷。随着模数增加，防火中间层材料的硅氧键交联度高，化学稳定性明显提高，热稳定性和防火性能提升。中国建筑材料科学研究总院采用纳米SiO2微粒分散液，制成高模数K2O•nSiO2防火中间层材料，实现了高性能防火玻璃的快速生产和产品结构的异型化，为高性能复合防火玻璃的大规模生产奠定了基础。

3.2.2灌注型防火玻璃

将2层或3层玻璃原片的四周以特质的阻燃胶条密封，中间灌注胶凝聚合物MgCl2、Al2（SiO4）3等水溶性无机盐作为阻燃剂和胶凝偶联剂，经固化后形成透明胶冻状，并与玻璃粘接，形成隔热透明的防火玻璃。可加工成弧形，隔音效果很好，适用于防火门窗、建筑天井及隔断墙等。防火胶液可分为聚丙烯酰胺有机胶液和水玻璃无机胶液。聚丙烯酰胺类防火玻璃由于存在收缩、出泡、老化等缺点，现逐渐被复合防火玻璃所取代。

4 单片防火玻璃与复合防火玻璃性能比较

单片防火玻璃在其具备耐火时限内能够保持完整性不破碎，可以有效地阻隔火焰、烟雾以及高温毒气的蔓延，具有良好的通透性及高强度，同时具备多种地深加工性，可以加工成中空防火、夹层防火、镀膜防火玻璃等，耐热、耐寒、耐潮湿、耐光照、永久不变色，质量轻，便于运输和安装。但是单片防火玻璃不宜进行二次切割、钻孔、喷砂等机械加工，单片防火玻璃属C类防火的玻璃，只能满足耐火完整性，不具有隔热性。由于已经形成了规模化生产能力，硼硅防火玻璃售价在逐步下降，且可以在在200℃以上高温条件下多次使用。可广泛应用于宾馆、饭店、商业中心、图书馆、体育馆、展览馆、机场、广播电视中心和影剧院等公共建筑、高层建筑以及其他有消防要求的民用建筑及工业建筑的防火隔断和安全通道及玻璃幕墙，还可用于车辆、船舶的防火。

复合防火玻璃耐火性能稳定，既具有耐火完整性又具有隔热性，抗冲击强度较高，缺点是怕水、怕潮湿，怕紫外线光照（紫外线照射下易起气泡、发白和脱胶等），产品厚重，使用寿命低于单片防火玻璃，受火后不透明。适用于房间、走廊、通道的防火门窗、防火隔断和重要部位防火隔断墙。

单片防火玻璃和复合防火玻璃各有所长，不能互相取代，在实际使用中，应根据对防火玻璃产品防火性能的要求、应用场所等不同进行合理地选用。

5 防火玻璃在高层建筑幕墙中的应用案例

在国外发达国家和地区，防火玻璃幕墙的应用已有较长的历史，在我国由于受防火玻璃技术的限制，防火玻璃主要用在防火窗、防火门及一些内部防火分隔中，在玻璃幕墙构造中推广应用防火玻璃工程不多。但近年来，全国各地大中城市先后出现了争相建造超高建筑热。这一发展动态已引起建设主管部门对防火玻璃在高层建筑方面使用的高度重视。

普通幕墙玻璃均不耐火，普通浮法玻璃遇火破裂损坏时间仅为1分钟，钢化玻璃仅为5分钟，而在由框架、密封胶条、玻璃共同组成的幕墙构造体系中，玻璃在250℃左右即会炸裂，当幕墙玻璃炸裂掉落后，火焰可从幕墙外侧窜到上层墙面烧裂上层玻璃幕墙后窜入上层室内。而且，垂直幕墙与水平楼板之间往往存在缝隙，如果未经处理或处理不合理，火灾初起时浓烟、高温和火焰会通过该缝隙向上层蔓延扩散。

2011年2月3日，沈阳市标志性建筑沈阳皇朝万鑫酒店由于燃放烟花爆竹引燃塑料草坪和可燃胶条引发了一起震惊全国的大火，B塔楼使用的是普通外窗玻璃，火灾蔓延B塔楼的保温材料完全燃烧殆尽，外窗玻璃几乎完全破裂掉落，B塔楼内部完全被烧毁。A塔楼选用了单片铯钾高强防火玻璃，火灾蔓延A塔楼的保温材料完全燃烧殆尽，但外窗玻璃完好无损，A塔楼内部没有受到火灾影响，依然能正常营业。可以认为，A塔楼使用的防火玻璃有效地阻止了外保温层的火灾烟雾向建筑内部的蔓延渗透，提高建筑外窗和外墙的防火性能，可有效阻止火势蔓延，是降低火灾损失和减少人员伤亡的重要措施。安装防火玻璃是高层建筑阻止火势蔓延的重要手段。

6 结语

6.1防火玻璃以其控制火势蔓延或隔烟的性能受到人们的关注，从根本上解决了玻璃幕墙及门窗的防火问题，作为一种完整的防火构件的组成材料正在被广泛使用在建筑工程中。随着建筑设计防火规范的实施和人们安全意识的提高，防火玻璃将有更大的发展和应用空间。

6.2硼硅单片防火玻璃和新型复合防火玻璃是今后防火玻璃发展的两个主流产品。其研发、创新、生产和产品质量应该受到科研院所、生产企业的高度重视。

6.3贵阳防火玻璃作为建筑安全和防护新材料，关系到人们的生命财产安全，随着防火玻璃的技术进步和生产成本的不断下降，在更大的范围内选用防火玻璃应该成为建筑业界的设计规范和共识。