一、课题的目的、意义及必要性（1）保温材料引发火灾的形势严峻目前，我市及全国的保温材料基本为有机材料，其中聚苯乙烯膨胀泡沫塑料（EPS）为主要品种，其次为挤出聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）和聚氨酯硬泡塑料（PU）。这些有机材料燃烧等级为B2级，属于难燃材料，在特定的条件下还是会燃烧的。由于有机保温材料所引发的火灾接连发生，给国家和人民财产造成了巨大损失，并造成人员伤亡，教训及其惨痛。保温材料用于非透明体的围护结构保温，包括墙体、幕墙、屋顶、地面、钢结构的彩钢板等。典型例子如下：北京CBD华贸中心在建造过程中，两年内发生了6次火灾，火灾原因是有机保温材料，仅一次较大火灾经济损失数千万，诱因不明；2007.7.2，北京大学体育馆，外墙有机保温材料，过火面积达1000平方米；2008.4.30，东直门“当代MOMA”工地，外墙有机保温材料，6层至20多层着火；2009.2.9，央视新址配楼，XPS幕墙结构墙体保温材料火灾，损失过亿；2009.3.26 中央美院宿舍，EPS夹心彩钢板建筑火灾，过火面积1000平方米；2009.4.6中国科技馆新馆，挤塑板保温材料火灾，损失情况不详。（2）研究和开发不燃A级保温材料及其工程应用技术势在必行有机保温材料本身是不会自燃起火的，失火第一步是其它火种的点燃，点燃和被点燃是保温材料内外两个因素共同作用的结果。第二步是材料点燃后的蔓延，这是材料内因决定的，蔓延的既是保温材料本身燃烧，也可点燃其它材料，产生传播。第三步是保温材料轰燃，轰燃的火灾已是难以控制。由于点燃是火灾发生的必要条件，因此焦点往往关注在火源管理上。有机保温材料连连发生的火灾表明仅仅通过管理已经不能控制现有材料火灾的发生。在建筑物建造过程、在建筑物使用过程、在极端条件下（如地震、战争等），不可避免地会产生火种，因此，可以被点燃的有机保温材料引起火灾的潜在危险始终是存在的，有机保温材料燃烧问题不可回避。当前一个城市的建筑林立都在向立体空间发展，这种潜在的危险是对城市安全产生巨大的威胁，研究和发展不燃型保温材料及其工程应用技术势在必行。（3）研究开发A级防火保温材料是工作和法规的需要当前国家相关职能机构对保温材料引发的火灾及其重视，建筑部、公安部、住房城乡建设委、消防局、规划委、经信委、发改委、财政局、质监局等部门先后出台了对建筑保温工程火灾问题提出了加强并研究解决建筑保温消防安全领域的问题。 “科技北京”计划中也明确了开展高层建筑防火、灭火及救援等城市安全方面重点技术和装备的研究的工作内容。 2009年9月20日公安部、住房和城乡建筑部联合颁发公通字[2009]46号“民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定”，首次明确A级防火保温材料的使用要求，其它的规范将相继出台，这样规范的完整性不足只是时间问题，要求相适应的保温材料满足规定和规范的要求。（4）课题目的通过本项目解决材料生产和应用的基础问题，确定不燃型A级保温材料性能要求，解决材料生产的关键技术，试制具有技术经济可行性高的A级防火保温材料，推进材料制造的产业化实现；以材料为基础设计防火保温系统和保温构造，建立与之相配套的应用技术规范，施工技术和工程检验验收要求。以材料为基础，以图集、标准、规范、施工工法等形式将应用技术规范化、程序化；通过工程试点加以示范和推广，最终为建筑保温防火安全的法规出台提供依据和支撑。（5）课题意义按一个城市的建筑年竣工面积在1000万平方米以上，保温面积百万平方米。建筑物使用寿命在50～70年。同时，城市建筑林立的三年大变样，是科学发展的必然需求，也是我国建筑节能减排推广应用城市的普及。建设防火等级更高的建筑对于城市消防减灾具有广泛和持久的意义。二、课题相关行业、领域国内外研究发展现状、趋势（1）建筑保温系统发展现状和趋势我国的建筑保温体系基本是从欧美保温系统中发展起来，其中欧洲标准“EN13499:建筑绝热制品－基于膨胀聚苯乙烯外墙保温复合体系－规程”和美国专威特保温系统（Dryvit Systems）对我国影响深远，前者是我国标准化的基础，后者是工程化的基础。然而，欧美国家对使用有机保温材料十分审慎。德国规定高度在22m以上的高层建筑（该高度为现有消防扑救设施可及高度），以及宾馆、学校、医院、商场、体育馆等“具有特别的形式或功能的建筑体” 必须采取特别的措施来满足防火要求。作为与EN13499并行的标准，采用A级防火材料的矿物棉系统的“EN13500：建筑绝热制品－基于矿物棉外墙保温复合体系－规程”则一直没有“国产化”。其原因是多重的，但我国矿物棉材料不能满足外墙外保温的性能要求是重要的原因之一。我国的有机保温材料对氧指数进行了限定，近几年对防火构造研究很多，目前防火构造方面的规范正在积极推进中。今年出台的“民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定”在法规上提出了具体要求。国内外现状和趋势是，保温系统防火是依据建筑物的用途、高度、使用功能等综合因素决定的，不是简单的一种取代另一种。但是，A级防火保温材料不可或缺是公认的。（2）A级保温材料的发展现状和趋势A级保温材料一般属于无机材料。现有规模化的A级保温材料中，加气混凝土的导热系数过高，单一材料用于框架结构填充墙可以满足节能65％标准的要求，与墙体配合使用，因需要厚度太大，基本不采用。泡沫水泥有类似的问题，且用于立面很难，现在屋顶保温中有一定市场。玻璃棉因抗拉强度过低，不能用于墙体外保温，一般用于填充式保温中，如幕墙和彩钢板等。粒状的保温材料（如珍珠岩、闭孔微珠等）需要和其它胶凝材料混合使用，这样其导热系数增大，强度下降，单一材料需要很大的厚度才能达到保温指标要求，一般与其它有机材料配合使用。从国内外状况看，国外的岩棉制品和泡沫玻璃主要用于建筑节能，既可用于墙面，也可用于屋顶。其中泡沫玻璃强度高，吸收性极低，在屋顶保温中优势明显。岩棉保温板和泡沫玻璃单一材料采用外墙外保温即可满足节能65%标准的要求，因此，它们是性价比、产业基础综合可行性俱佳的防火A级的保温材料。（3）岩棉国内外现状和课题基础1840年英国首先发现融化的矿渣喷吹后形成纤维，并生产出矿渣棉；1880年德国和英国开始生产矿渣棉，以后其它国家才相继使用和生产，本世纪30年代开始大规模生产和应用；1960年至1980年，世界各国矿物棉发展最为迅猛；1980年以后至今，国际上矿物棉制品的产量处于比较平稳的阶段，主要原因是其它保温材料如玻璃棉、泡沫塑料发展加快，加之发达国家发展速度放慢，近年来世界矿物棉制品年产量约800万吨左右，矿物棉在建筑中应用最为广泛，有统计认为英国占85％、德国占70％、日本占92％、美国占90％以上。国外制订建筑节能的相关标准，如材料标准（ EN 13162），应用标准（EN13500）等。我国矿物棉工业可以追溯到20世纪50年代，其应用集中在工业保温的范畴。我国现有矿岩棉生产企业有上百家，甘肃、东北曾采用岩棉做过试点保温工程，但问题较大，无法继续推行。主要问题一是耐水性差，吸潮后逐渐下垂，二是强度不足。问题根源在于材料的组成中含有水化的成份，工艺也不能满足高强度岩棉的要求。因此，需要重新设计岩棉的组成，并根据组成变化和性能要求对工艺进行改造和调整现行岩棉制品的标准（《GB/T 19686－2005 建筑用岩棉、矿渣棉绝热制品》、《GB/T 11835-2007 绝热用岩棉、矿渣棉及其制品》）可以满足填充保温的要求，也不能满足外墙外保温的要求，因而需要提出新的检测项目、指标和测试方法。（4）泡沫玻璃国内外现状和课题基础 1935年, 法国St.Gubain公司就已经成功的研制出了泡沫玻璃，国外泡沫玻璃生产厂有20余家，无论配方上和工艺上都有自己的独到之处。美国是研制和生产泡沫玻璃较早的国家，主要用于建筑保温石化管道保温。美国是世界上最大的泡沫玻璃生产国，其泡沫玻璃总产量达上千万立方米。美国康宁公司是世界上最大生产厂，其年产量可达120万立方米。康宁公司已在欧洲几个国家建立泡沫玻璃生产厂。我国从20世纪70年代中期开始进行泡沫玻璃小批量生产以来，经历了30多年的发展。毛坯产量已从初期的300m3／年增加到约20万m3/年，单窑生产能力也从300m3／年提高到4万m3/年。我国泡沫玻璃生产企业主要集中在长三角一带，主要应用在石化管道保温领域。建筑节能强制性标准施行后，这些企业积极向建筑节能领域发展，性能突出在高稳定性、高耐久性和高强度，防火性能的宣传并不突出。由于泡沫玻璃的抗压性能优于其它保温材料，尤其适用于屋面保温。在2001年10月，泡沫玻璃被列入国家GB 50207-94《屋面工程技术规范》修改稿所推荐的屋面保温材料，这样泡沫玻璃在第一次进入到建筑规范领域。北京工业大学从事泡沫玻璃的研究工作达20年，承担了国家“十五”科技攻关项目和军工吸波泡沫玻璃的研究，分别荣获建材工业行业科技进步三等奖和总参科技进步二等奖，现拥有专利8项，推广应用企业2家，并有示范工程。现有的泡沫玻璃生产的基础是建筑保温，针对建筑节能规格单一和低成本要求，北工大积极开展了薄板泡沫玻璃的研究，研究采用无模成型工艺方法降低对耐热钢的消耗，薄板减少退火的时间，取得了良好的进展。 三、课题任务与目标1、课题任务：（课题任务应明确科技工作在解决实际问题中的责任和完成工作的范围、界限，即课题全部工作和成果的整体描述。）课题是根据城市的建筑节能防火需求和工作任务提出的，项目的最终目标是解决A级保温材料的工业化和工程化，课题分为两步实施，第一步为“基于防火减灾的保温关键材料研究”，其任务是：解决不燃型保温材料制造基础性关键技术问题，为材料配方、工艺改进，技术改造、工业化制造提供依据；提出不燃型保温应用技术要求和配套材料要求，为不燃型保温材料构造设计、施工和检验提供依据；调查材料北京市产业配套能力和规模，应用推广的技术经济可行性分析，为项目实施提供技术和供应的可行性分析。第二步是工业化和工程化实施，即“基于防火减灾的保温关键材料及系统工程技术研究”，其任务是：攻关不燃型保温材料制造技术，进行产业化实施，解决保温材料和保温工程防火减灾关键材料；系统研究并解决不燃型材料工程应用所需的工程构造、设计、施工和检验等工程技术，提供完备的标准、规范、图集等技术文件，为最终防火保温系统的应用和推广提供支撑；依托企业制造技术改造实现材料产业化生产，依托工程应用实现工程示范，系统测试和总结应用结果并进行推广，为相关政策法规的制定提供依据和支持；第一步是为第二步作基础工作，为第二步实施提供直接支撑依据。2、课题目标：（课题目标体现任务完成的程度和实际效果，包括定性、定量两个部分，定性的内容应概括课题预期效果的几个方面，定量的内容应说明预期效果的程度和范围。）课题将材料定位于有产业和应用基础、技术经济可行性好的岩棉保温材料和泡沫玻璃保温材料，着重解决材料研发和产业化转化的关键技术。完成材料配方的调整，材料工艺的制度和工艺参数的确定，实施产业转化的工艺和设备改造内容，产品的技术指标和建材方法，产品应用的构造和基本要求等内容。课题目标如下：（1）提出适用于粘锚结合方式岩棉保温板材的技术要求，建立性能测试方法；（2）设计适用于墙体保温要求的岩棉组成，确定相应的熔制、成纤、成型工艺制度，优化粘接剂及其固化工艺，研发出制品，获得工业改造所需技术资料，完成可行性研究；（3）设计利废无模泡沫材料组成，确定相应的发泡工艺、退火工艺制度，生产装备的改进，研发出无模泡沫玻璃制品，并获得完整的工业化技术资料，提供实施报告；（4）获得两类材料构造设计、应用的技术要求；（5）调查材料产业转化基础，转化后产能状况，对城市的供应能力。四、课题研究开发内容岩棉保温板的耐水性能研究矿岩棉制品的耐水性和耐潮湿性能是应用于建筑墙体的主要障碍，其性能不足时，岩棉制品在湿气作用下强度下降，形成自然下坠，工程表现俗称为“垮裤腰”。首先，研究纤维结构与耐水性能的关系。岩棉成分属于CaO-Al2O3-SiO2系统，分析发现现有岩棉的组成位于CaO-Al2O3-SiO2相图的硅灰石-铝方柱石-硅酸二钙的结晶作用区(即CS-C2AS-C2S 区)内，其中虽然铝方柱石、硅灰石不会与水发生反应，但硅酸二钙三种晶型中，除γ-构造外，α-和β-构造性能相似，均能与水发生水化反应。在岩棉中不希望存在这两种构造，应尽量创造条件使α-、β-构造向γ-C2S 的方向转化，以改善其耐水性。但是α-C2S 和β-C2S 只有从高温缓慢冷却至675 ℃以下时,才能实现向γ-C2S的转变。在实际成纤过程中,熔体不是缓冷而是被急骤冷却，其粘度随温度的急降而迅速增大，这时离子运动受阻，不可能继续有规则地排列，抑制了晶体的生长，硅与氧离子便连接成连续、不规则的网架，在低温下保留了β-C2S 变体的形态,形成较多量的玻璃态β-C2S，这意味着它将在水溶液的作用下，形成更多的水化硅酸盐和水化铝酸盐,使矿渣棉纤维在潮湿环境中的稳定性下降。当岩棉组成点应落在硅灰石-铝方柱石-钙长石结晶作用区(即CS-C2AS-CAS2 区) 内，其固相中必定留有这三种结晶相，由于硅灰石、铝方柱石、钙长石均不具备水硬特性，遇水后变化很小，使岩棉具有较好的耐水性。 CS-C2AS-CAS2 区域的酸度系数MK必然要求很高，或者说酸度系数可以从另一个方面说明材料的处于的相图位置，提出酸度系数的要求是为将来行业质量控制提供定性强的考核指标。因此，配方设计不仅是为了满足成分要求，更重要的是满足生成物相的要求，这是其中的技术关键。其次，研究纤维的表面处理与防潮性能关系，新鲜的纤维表面能极大，极易吸附其它物质（主要是水分）以平衡界面能，为了改变这一状况，需要对纤维实施憎水处理，优化憎水剂和处理工艺对于获得理想的处理效果至关重要。岩棉保温板的强度性能研究矿岩棉制品的耐水性和耐潮湿性能是应用于建筑墙体的另一障碍。在外墙外保温系统中，由于岩棉板自重压剪作用和风压的作用，对强度性能要求提高。第一，保温板的强度与组成相关，在CS-C2AS-CAS2 区域纤维，因无为硅酸二钙及其水化作用对结构的变化的影响，纤维自身的强度会得到极大改善。同时，高酸度系数意味着碱含量小，纤维中硅氧键断裂减少，桥氧键的网络提高，强度提高。另外，碱金属离子还易于吸附空气中的水份，使微裂纹扩展，降低碱含量可以降低该因素对强度的不利影响。第二，成纤纤维直径，纤维的直径越小，则强度增加。因此，在工艺允许和料性可控的范围降低纤维直径，有利于提高纤维强度。第三，与粘接剂及其固化条件密切相关，粘接剂的目的是将纤维形成空间立体的交织点，并通过固化工艺将这种结构固定下来。因为材料开裂总是在最薄弱的地方开始的，固化剂的均匀性对强度影响很大，因此如何在高速成纤的情况下将粘接剂喷涂均匀需要对喷胶系统进行不断的调整。增加粘接剂用量可增加纤维间的连接强度，但粘接剂属于有机材料，过量的粘接剂将使得材料的燃烧性能得不到A级要求。第四，保温板打褶工艺，棉片打褶目的是棉片曲面叠加，提高垂直于板面的拉伸强度。从目前强度破坏状态看，打褶的深度需要进一步提高，这样研究摆动铺毡技术，优化摆动机构，保证形成连续的迭棉带,包括摆动铺毡工艺参数的确定,迭棉带成形工艺。岩棉保温板的工艺研究从以上可以看到，改善岩棉板的耐水性能和强度性能几乎贯穿了岩棉板生产工艺的全部，是各种工艺过程协调作用的结果。其中包括原材料分析和选用，配方和料方设计，熔制工艺制度、燃料配用量，成纤工艺，粘接剂选择与喷涂，集棉与打褶，固化温度与时间等诸多环节。这些工艺因素绝大部分与岩棉配方和粘接剂配方改变相关，当配方确定之后，利用设备参数及工作原理进行优化、调整，并最终确定工艺参数。泡沫玻璃的玻璃温度－粘度特性与发泡工艺研究泡沫制品主要利用废弃玻璃，这些玻璃可以是平板玻璃（如玻璃微珠生产形成的超细废粉，玻璃后加工产生的边角废料等）、瓶罐玻璃和电子玻璃（废旧电视），它们的成分变化很大，挑选分类不具有可行性。因此在发泡剂选用和设计上，需要选取发泡温度适应性强的种类。为此，需要研究不同玻璃品种混杂时玻璃的温度－粘度特性，明确玻璃软化的温度变化，然后选取和优化发泡剂的用量和发泡温度。泡沫玻璃成型工艺的研究泡沫玻璃的成型工艺，主要分为平摊法、压制法和浇注法三种，各有特点。平摊法适合大批量生产，因为其生产工艺简单，发泡温度较低，节省能源，所以适合大批量生产时所采用。压制法适合在生产对表面平整度要求较高的泡沫玻璃时采用。浇注法生产的泡沫玻璃的表面平整度也很好，而且这种方法还适合生产对形状要求比较复杂的泡沫玻璃。成型方法还与使用的窑炉相关，因此，成型方法需根据具体生产条件确定。无模成型工艺的装备研究为了获取适用于建筑节能的泡沫玻璃产品，首先在保持原有泡沫玻璃性能的前提条件下，其次应该提高生产规模和降低生产成本。这样无模平摊成型工艺成为首选制造工艺，但是这样的装备在国内尚属首次开发，仅能借鉴一些国外技术资料和相关行业的装备，进行系统设计与开发。玻璃材料应用技术研究应用技术主要内容为两类用于建筑节能外墙外保温是技术要求，结构构造，构造节点，配套材料要求，施工技术等几个主要方面。应用技术研究关注点以现有工程技术为基础，关注点为应用广泛的粘锚结合方式。技术关键： 组成调节使熔体在既能满足熔制和成纤工艺的要求，又能获得所需的硅灰石、铝方柱石、钙长石物相，协调组成与工艺之间的关系；协调高酸度系数与熔制工艺的关系，保证在受限值的熔制设备条件下达到熔制要求和成纤工艺要求；在粘接剂用量受限值条件下，保证材料防火A级要求； 如何控制泡沫玻璃的变形，使之均有发泡，需要同时协调配方和发泡工艺两个因素。创新点：性能上，从材料结构和制造工艺两个方面，突破耐水性和强度两个岩棉墙体保温应用障碍问题。成分设计上，根据相图理论，以材料最终的形态相组成为依据，结合组成和酸度系数进行设计。工艺上，紧密结合岩棉和泡沫玻璃工业化实际问题，以实现研制材料的性能和结构研究工艺及其满足工艺的装备条件。
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