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阻火圈规范
建筑排水硬PVC管阻火圈的研究
欧阳光明（2021.03.07）
袁凤林 方汝清 陈晓梅
提要 对建筑排水硬PVC管道阻火圈的技术要求、阻燃膨胀芯材配方和研究试验等方面作了较详细的阐述。
阻火圈由金属外壳和阻燃膨胀芯材组成，火灾发生时芯材受热膨胀40倍以上，能在12min内完全封堵硬PVC管道，耐火极限可达2h以上。
关键词 硬聚氯乙烯 阻火圈 建筑排水
引言
硬PVC（以下简称PVCu）排水管具有质轻、美观、不生锈、耐腐蚀、水阻小、不结垢、施工方便、寿命长和造价低等特点，国家经委、建设部已将PVCu排水管确定为重点推广新材料。
但在火灾中，PVCu管道是否会成为火灾传播通道?
使火灾从一层沿管道蔓延至另一层，或从一个房间蔓延到另一个房间?
为此建设部1989年把“PVCu管道在高层建筑中防火措施的研究”列为建设部“七五”重点科技项目，由上海市建筑科学研究所等单位承担。
通过两年多的研究试验，该课题组的研究结论是：
（a）
150mm或以上主管必须设置在管道井内，如确因诸多原因无法实施时，必须用无机防火套管全包覆；（b）
110mm主管可采用管道井保护方式，也可以用化学阻火圈或将其近楼板的外露部分（至少200mm长）用无机防火套管包覆；（c）
75mm及以下的PVCu管（包括主管和横支管）可以不采取防火措施；（d）
150mm及以上的横支管进墙处可用化学阻火圈或无机防火套管全包覆；（e）
110mm横支管进墙处可用化学阻火圈或无机防火套管（至少包覆200mm）。
通过以上防火措施后，在高层建筑中使用PVCu排水管道是可行的。
因此，建设部在制定“建筑排水硬聚氯乙烯管道工程技术规程”时，规定高层建筑室内排水管道的立管明设且其管径大于或等于110mm时，在楼板贯穿部位应设置阻火圈或长度不小于500mm的防火套管；横干管不宜穿越防火分区隔墙和防火墙，当不可避免确需穿越时，应在管道穿越墙体处的两侧设置阻火圈或长度不小于500mm的防火套管。
防火套管已由该“七五”重点科技项目课题组研制成功，并投放市场。
化学阻火圈因关键技术没有突破至今没有投产，目前我国采用的主要是进口产品。
PVCu排水管阻火圈，在火灾发生时，芯材受热迅速膨胀，挤压软化或炭化的管材，能在较短时间封堵管道洞口，阻止火势沿洞口蔓延。
与防火套管相比，具有小巧美观、安装方便等优点，是比较理想的阻火装置，国外已普遍采用。
为了贯彻实施CJJ/T29-1998《建筑排水硬聚氯乙烯管道工程技术规程》，火灾发生时阻止火灾沿PVCu排水管道蔓延，减少火灾损失，公安部四川消防科学研究所和四川省建筑设计院与东泰（成都）塑胶建材工业有限公司共同开展了建筑PVCu排水管用阻火圈的研究，并列为1998年四川省应用和发展研究重点项目，同年9月通过省级鉴定。
1 主要技术指标
建筑排水硬聚氯乙烯管道工程技术规程规定：
阻火圈的耐火极限不宜小于管道贯穿部位构件的耐火极限。
《高层民用建筑设计防火规范》对墙和楼板的耐火极限作了明确规定，即：
承重墙和住宅单元之间的墙耐火极限为2h；非承重外墙、疏散走道两侧的隔墙耐火极限为1h；楼板耐火极限1h～1.5h。
考虑到耐火极限为1h的阻火圈外径只比耐火极限为2h的阻火圈外径小5%左右，在阻火圈制造成本模具费和加工费用占有较大比重的情况下，为了降低成本，减少规格，便于管理和避免安装时可能出现的混级，采用国外通用作法，各种规格管道用阻火圈耐火极限统一定为2h，以满足高层建筑对各种等级的楼板和墙耐火极限的需要。
在墙体两侧安装耐火极限为2h的阻火圈，也能满足排水管穿越防火墙时的耐火要求。
阻火圈的主要作用是在火灾发生时，阻燃膨胀芯材受热迅速膨胀，挤压PVCu管，在较短时间封堵管道贯穿的洞口，阻止火势沿洞口蔓延。
因此，阻燃膨胀芯材起始膨胀温度、高温下膨胀体积和管道从火灾发生至被完全封堵的时间是相当重要的，有必要作出具体规定。
另外，在施工安装阻火圈时，阻火圈有可能被水和水泥浆浸泡，阻燃膨胀芯材应具有较好的耐水性、耐水泥浆等性能。
阻火圈主要技术指标见表1。
表1 阻火圈技术指标
项目
技术指标
阻火圈
耐火极限/h
≥2.0
封堵时间/min
≤15
阻燃膨胀芯材
耐水泥浆性（20%水泥浆）
浸72h，，外观及膨胀性能无明显变化
耐水性
起始膨胀温度t/℃
150≤t≤260
膨胀体积/cm3/g
≥25
2 阻火圈研究2.1 阻火圈结构及尺寸
在搜集国内外有关资料的基础上，考虑到阻火圈主要功能是在火灾发生时能在较短时间内封堵管道，我们确定了阻火圈由金属外壳和阻燃膨胀芯材组成，套在PVCu管道上，用螺栓等固定件固定在楼板下或墙体两侧。
根据上述设想，确定了阻火圈的基础结构图，见图1。
安装方式，阻火圈分为A型和B型。
A型是可打开的，由两个半圆环组成，中间用铰链连接。
A型设计主要考虑是施工安装方便，可在管道施工安装完毕后再安装阻火圈，或原设计方案没有考虑安装阻火圈，但根据有关规范又必须安装的情况使用。
B型阻火圈是一个整环，安装时必须先穿在管道上，然后再固定在楼板或墙体上；或者先埋入楼板（墙体）内，然后再穿排水管。
两种阻火圈结构主要针对不同施工和安装方式而设计。
通过研究试验，确定了阻火圈主要结构尺寸，见表2。
图1 阻火圈结构示意图
表2 阻火圈结构尺寸
阻火圈规格
1/mm
2/mm
H/mm
ZHQ-110
111
136
40
ZHQ-160
161
206
70
2.2 阻燃膨胀芯材
我们先后设计了18个配方，拟定成型工艺，制作试件，测定其理化性能和高温下（950℃）膨胀性能，并通过小型耐火试验检验阻火圈阻火性能。
试验确定的芯材配方组成如下：
复合基料33%；炭化剂6%；催化剂10%；发泡剂5%；填料38%；化学助剂8%。
2.3 阻火圈研究试验和中试生产
为了研究阻火圈在标准构件耐火试验条件下的阻火耐火性能，我们进行了多次小型模拟耐火阻火试验。
试验时将阻火圈固定在厚30mm的耐火板下，受火面PVCu管长100mm，背火面PVCu管长200mm。
受火面管口用玻璃纤维布和矿棉毡封堵，下方布置一只热电偶测量火焰温度。
试验炉按标准温度曲线升温，观察PVCu管封堵时间和失去封堵时间，测定耐火极限。
试验结果表明，所研究的两种规格四种型号（每种规格分A型和B型两种）耐火极限均大于2h，完全封堵管道，无火焰和烟气沿管道蔓延。
根据试验确定的阻火圈结构尺寸和芯材配方及芯材厚度，1997年9月正式设计加工了阻火圈壳体及芯材的模具，购买了必要的生产设备，同年12月和1998年5月先后试制生产ZHQ-110阻火圈和ZHQ-160阻火圈各50个。
中试生产，无废液、废渣、废气排放。
3 性能试验3.1 阻燃膨胀芯材耐液体介质性能
沿竖向锯切3块阻燃膨胀芯材，每块试样长度约50mm，放在电烘箱中，在105℃下烘干4h，将试样从烘箱中取出，放在干燥器内冷却至室温。
然后，将2块试样分别置于蒸馏水和20%（质量比）550号硅酸盐水泥浆中在室温条件下全浸泡72h后取出，放入温度为105℃的电烘箱中烘干4h，取出放在干燥器中冷却至室温，观察外观变化，试验结果见表3。
表3 芯材耐液体介质性能检验结果
序号
检验项目
技术指标
检验结果
1
耐水性
浸72h，外观无明显变化
外观无变化
2
耐水泥浆性
外观无变化
3.2 阻燃膨胀芯材膨胀性能
阻燃膨胀芯材起始膨胀温度和高温下的膨胀体积是芯材最重要的技术指标之一，它们直接影响芯材的热稳定性及阻火圈的封堵时间和耐火极限。
起始膨胀温度低和高温下膨胀体积大，封堵时间就小，耐火极限就高，反之封堵时间就长，耐火极限降低。
阻燃膨胀芯材起始膨胀温度按GB/T13464-1992《物质热稳定性的热分析试验方法》测定，用差热分析仪测量芯材的焓变温度，通过DTA曲线（或DSC曲线）确定芯材的起始膨胀温度。
每克膨胀体积是将3.1制得的经全浸泡后的试样中各称取2g试样，分别放置容积为100mL～150mL坩埚内，置于温度为950℃的电阻炉内，恒温5min后取出，冷却后打散，用精确到5mL的100mL量筒测量试样膨胀后的体积（放入量筒后应摇实），试验测试结果见表4。
表4 芯材膨胀性能测试结果
检验项目
技术指标
测试结果
起始膨胀温度t/℃
150≤t≤260
189.8
每克膨胀体积
/cm3
未浸试样
≥25
40
水浸试样
≥25
40
水泥浆浸试样
≥25
50
3.3 阻燃膨胀芯材耐湿热性和烟密度
为了了解芯材燃烧及分解时产生的烟量和在湿热条件下的性能，我们参照GB1740-79《漆膜耐湿热测定法》和GB8627-88《建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法》，对芯材的耐湿热性和烟密度进行了测定，测试结果见表5。
表5 芯材耐湿热和烟密度测试数据
检验项目
技术指标
测试结果
烟密度
最大烟密度/%
≤75
59
烟密度等级
≤50
43
耐湿热性
24h，外观无明显变化
符合要求
3.4 耐火性能
阻火圈封堵时间和耐火极限，是阻火圈最关键的技术数据。
在标准建筑构件耐火试验条件下，试验开始至硬聚氯乙烯排水管道贯穿洞口处被阻火圈完全封堵所需时间即封堵时间。
当阻火圈失去封堵管道能力或背火面失去隔热性或完整性时，即可判断达到耐火极限。
试验时将阻火圈用膨胀螺钉固定在厚110mm现浇楼板下（楼板受火面保护层厚度为10mm），受火面和背火面PVCu管露出楼板长度分别为1000mm，受火面管口用不燃材料封堵，背火面试验管用固定支承件固定（见图2）。
在背火面试验管距楼板25mm处的试验管中心及外表面对称两侧各安装1只热电偶。
每种规格阻火圈均有明装和暗装两种，试验结果见表6。
图2 阻火圈耐火试验安装示意图
表6 耐火试验结果
规格
安装形式
技术指标/min
测试结果/min
封堵时间
耐火极限
封堵时间
耐火极限
ZHQ-110
明装
≤15
≥120
3．0
135
暗装
6．0
135
ZHQ-160
明装
≤15
≥120
8．0
135
暗装
12．0
135
3.5 阻火圈安装
建筑排水PVCu管道设计施工和阻火圈安装应符合CJJ/T29-1998的规定。
阻火圈的立管安装如图3、图4所示。
图3 楼板A、B型阻火圈安装图
图4 阻火圈立管安装图
4 讨论4.1 安装型式、PVCu管径和封堵时间的关系
从表6可以看出，对同一规格明装的阻火圈，封堵时间都小于暗装的阻火圈，这是由于阻火圈明装受热面积约是暗装的4.4倍。
对不同PVCu管径阻火圈，在安装型式相同情况下，小管径封堵时间小于大管径封堵时间。
暗装和明装阻火圈，由于施工中加了止水翼环等技术措施，所以具有防水和防砂浆污染功能。
为了能在短时间内封堵PVCu排水管道，尽量采用明装，尤其是ZHQ-160阻火圈。
明装阻火圈除封堵时间短以外，同时还具有安装方便，可不需另外考虑阻火圈安装防水措施等优点。
4.2 耐火试验方法
阻火圈安装时，套在PVCu管道外壁，固定在楼板下或墙体两侧，与PVCu管道和楼板（或墙体）组成建筑构件，按建筑构件耐火试验方法进行试验。
目前国内外还没有发布针对阻火圈产品特点的标准试验方法。
美国制定的《贯穿件防火封堵标准试验方法》（ASTME814-88）和澳大利亚制定的《耐火分隔构件洞口防护标准试验方法》（AS4072.1-1992），主要针对电线电缆和贯穿管件周边的封堵，不是管件内洞口的封堵。
因此，阻火圈的耐火试验，只能在标准火灾条件下，不是测定阻火圈本身耐火性能，而是测定阻火圈保护的背火面PVCu管的耐火性能。
以阻火圈封堵性能和背火面PVCu管的完整性及隔热性能为阻火圈耐火性能的判断依据。
在标准耐火试验条件下，参照美国和澳大利亚标准，确定背火面和受火面试验管长各为1000mm。
为了考虑试验管长度对阻火圈封堵性能的影响，我们作了一组对比试验，采用
110mmPVCu管及相同规格和安装的阻火圈，楼板下受火面管长均为1000mm，楼板上背火面试验管一根长1000mm，另一根长为3000mm。
试验结果表明，在整个135min耐火试验过程中，两组试件背火面PVCu管中心温度和表面温度以及封堵时间基本相同，试验管背火面段都完好无损。
4.3
110mm以下PVCu排水管道的消防安全问题
不同PVCu排水管道的消防安全问题，上海市建筑科学研究所等单位在1989年～1991年期间曾做过研究试验工作。
通过模拟耐火试验和参照美国ASTME814-88《贯穿件防火封堵标准耐火试验方法》进行的耐火试验，结论为：
（1）在没有采取防火保护措施的情况下，由于PVCu材料的自熄性高温炭化，使穿越墙体和楼板的
75mm及
75mm以下的PVCu管至少达到120min的耐火极限，可以不采取防火措施；
（2）
110mm和
150mmPVCu排水管采用阻火圈或无机防火套管，能较好地防止火势沿PVCu管道蔓延。
为此，建设部在修定CJJ/T29-1998《建筑排水硬聚氯乙烯管道工程技术规程》时，没有要求
110mm以下PVCu排水管立管和横干管应采取防止火灾贯穿措施。
国外PVCu管用阻火圈已应用多年。
澳大利亚管径为：
40、50、65、80、100和150mm的PVCu排水管都有相应阻火圈产品。
英国管径为：
50、56、63、75、82、90、110、125、140和160mm的PVCu排水管也有相应阻火圈产品。
这就提出一个问题，
110mm以下PVCu排水管道在火灾条件下是否安全?
是否需要装阻火圈?
为了回答这个问题，我们对
50mm、
75mm、
83mmPVCu管（
90mmPVCu管因试验时没有买到，所以没做试验），按GB9978-1988《建筑构件耐火试验方法》（该方法等效采用ISO834——建筑构件耐火试验）进行耐火试验。
试验时将试验用PVCu管安装在厚150mm楼板上，楼板上下管长都为1000mm，受火面管口用不燃材料封堵，背火面PVCu管用固定支承固定。
试验结果如下：
50mmPVCu管：
试验进行1min，受火面管件烧断烧落，楼板处形成
50mm孔洞；20min时，楼板内PVCu管软化、炭化，形成局部封堵，封堵面积约达洞口截面积50%；40min时背火面管口有大量浓烟冒出，失去封堵；48min时背火面PVCu管被烧穿烧断，形成
50mm火焰喷口，火焰高约12cm。
75mmPVCu管：
试验进行1.5min，受火面管件烧掉，楼板处形成
75mm孔洞；30min，楼板内PVCu管软化、炭化，孔洞处形成局部封堵；44min，背火面管口有大量浓烟冒出，失去封堵；48min，背火面PVCu管被烧断烧穿，形成
75mm火焰喷口，火焰约高15cm。
83mmPVCu管：
试验进行1.5min，受火面管件烧掉，形成
83mm孔洞；20min，楼板内PVCu管软化、炭化，形成约40%封堵；36min，背火面管口有大量浓烟冒出，失去封堵；51min，背火面PVCu管烧断烧穿，火焰高近20cm。
从试验结果可以看出，
110mm以下PVCu管在火灾条件下，虽然在20min～30min内楼板洞口处PVCu可形成局部暂时封堵，但局部封堵15min以后，即失去作用形成和管径大小一样的洞口。
48min～51min，楼板背火面PVCu管都被烧断烧穿，形成火焰喷射洞口，火焰高度达12cm～20cm，火灾沿洞口向上蔓延。
因此，
110mm以下PVCu排水管不加阻火圈等防火措施在火灾条件下是不安全的。
4.4 技术水平
我国从90年代初就开展了阻火圈方面的研究，由于技术方面原因，产品没有投入市场。
1997年7月东泰（成都）塑胶建材工业有限公司（以下简称东泰）与公安部四川消防科学研究所和四川省建筑设计院合作开发
110mmPVCu管和
160mmPVCu管用阻火圈产品，于年底研制成功。
英国等国80年代就把阻圈应用到PVCu排水管的防火保护。
现将英国CopyrightDutayliteDevelopmentsLtd.和NULLIFIRELtd.两公司的阻火圈与东泰公司生产的阻火圈产品主要技术指标列表比较见表7。
表7 东泰公司和英国两公司阻火圈产品主要技术指标
生产厂家
规格
内径
/mm
外径
/mm
高度
/mm
耐火极限
/min
CopyrightDutaylite
110
110
158
80
120
DevelopmentsLtd.
160
160
237
95
120
NULLIFIRELtd.
110
111
155
43
240
160
161
210
74
120
东泰公司
110
111
136
40
＞135
160
161
206
70
＞135
注：
东泰公司产品耐火试验中，因楼板耐火极限达不到更长时间，试验至135min停止。
此时炉温1108℃，背火面平均温升只有70℃～73℃，PVCu管封堵深度180mm，没有达到耐火极限。
从表7可以看出，东泰公司生产的阻火圈主要技术指标已达到国外90年代同类产品先进水平。
产品具有造型美观，结构紧凑合理，安装使用方便等优点，填补了我国防火产品又一项空白。
本课题1998年1月委托四川省科技成果查新咨询服务中心查新，采用计算机检索了世界专利索引、工程索引、美国政府报告等大型数据库。
国内文献检索了中国专利、全国报刊索引、科学技术研究成果公报等检索工具，辅以馆藏有关期刊。
在以上所查国内外文献范围内，国外文献中虽有类似产品报道（见表7），但在国内文献范围内，除委托查新单位外，未发现有建筑PVCu排水管阻火圈的报道。
4.5 市场前景分析
PVCu排水管是我国今后重点推广的新材料，目前产量已达到20万t以上。
以上海为例，仅1996年高层建筑面积为2234.4万m2；至1997年，高层建筑已达3000栋以上（66%为住宅）；预计到2000年，高层建筑达6000栋（住宅为4000栋），PVCu排水管市场广阔。
1998年新发布实施的CJJ/T29-1998《建筑排水硬聚氯乙烯管道工程技术规程》规定：
高层建筑室内排水管道明设且管径大于或等于110mm时，在主管穿越楼层处、穿越隔墙处的两侧以及在穿越管井、管窿壁处应采取阻火圈等防止火灾贯通的措施。
按目前我国阻火圈年需求量8万个计算，产值可达1600万元以上，利税达750万元，具有重大社会效益和经济效益。
5 结论
（1）高层建筑在应用建筑排水硬PVC管道时的防火分隔技术是我国目前急需解决的关键问题。
课题组在搜集国内外相关资料，反复试验的基础上，筛选研制的A型和B型阻火圈，具有结构合理、技术成熟、先进实用、性能可靠和安装使用方便等优点，完成了计划任务书的要求。
（2）阻燃膨胀芯材研究技术路线合理。
所研制的阻燃膨胀芯材具有优良的耐水、耐水泥浆和耐火性能，起始膨胀温度低，膨胀倍数高，易于加工成型。
生产无废液、废渣、废气排放，符合安全、卫生、环保要求。
（3）课题提出的施工安装图，科学合理。
与阻火圈结合的止水翼环设计新颖，可防止水和水泥砂浆对阻火圈的污染。
（4）通过
110mm以下管径PVCu排水管耐火试验，得出的高层建筑排水明设
110mm以下PVCu管不加阻火圈等防火措施在火灾条件下是不安全的结论，为我国今后修定建筑排水PVCu管道有关防火条款提供了科学依据。
（5）中试产品经国家防火建筑材料质量监督检验中心检测和科技项目查新，阻火圈的研究成果居国内领先水平，其产品的主要性能指标达到国际同类产品先进水平，满足了建筑排水硬PVC管道工程技术规程要求。
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