建筑用防火密封材料防火等级测试中的膨胀性能测试

建筑用防火密封材料是建筑被动防火体系的“缝隙守护者”，主要用于填补墙体、楼板或管道贯穿处的缝隙，阻止火灾中火焰与烟气的蔓延。而膨胀性能是这类材料的核心功能——遇火时，材料中的膨胀组分发生化学反应，快速形成多孔致密的炭质膨胀层，既能隔绝热量传递，又能封堵缝隙。因此，膨胀性能测试是防火密封材料防火等级认定的关键环节，直接决定材料是否能在实际火灾中有效发挥作用，需严格遵循专业标准与规范流程。

膨胀性能的防火原理：从组分反应到炭层形成

建筑用防火密封材料的膨胀性能，依赖于“碳源-酸源-气源”三元体系的协同作用。其中，碳源（如季戊四醇、淀粉）是形成炭层的基础，酸源（如聚磷酸铵、磷酸二氢铵）在高温下释放酸性物质，催化碳源脱水碳化；气源（如三聚氰胺、尿素）则分解产生氨气、二氧化碳等气体，使碳化后的骨架膨胀成多孔结构。例如，当材料遇火达到150℃左右时，酸源率先反应，释放的磷酸将季戊四醇脱水成炭；随着温度升至300℃以上，气源分解产生气体，将炭骨架“吹胀”成厚度数倍于原材的膨胀层。这种膨胀层的孔隙率可达80%以上，能有效降低热传导系数（通常仅为原材的1/10~1/20），同时封堵缝隙，阻止烟气穿透。

需要注意的是，三元体系的比例直接影响膨胀效果——若酸源不足，碳源无法充分碳化，会导致炭层强度差；若气源过多，气体释放过快，可能撑破炭层造成开裂。因此，材料配方的优化需以膨胀性能测试为依据，确保三元体系的平衡。

膨胀性能测试的标准体系：国内与国际的差异

目前，国内外针对防火密封材料膨胀性能的测试，主要遵循三类标准：国内的GB 23864-2009《防火封堵材料》、国际的ISO 10140-3《建筑材料和制品的燃烧性能 第3部分：建筑制品引燃特性的试验方法》，以及欧洲的EN 1366-3《建筑构件的耐火试验 第3部分：服务设施贯穿件的耐火试验》。

国内GB 23864-2009对膨胀性能的要求更为具体，明确规定“膨胀型防火封堵材料的膨胀倍数不应小于5倍”，且加热至500℃并保持1小时后，残余炭层应完整无脱落。而欧洲EN 1366-3则更关注炭层的“功能完整性”——不仅要求膨胀倍数，还需测试炭层在火灾模拟环境下的稳定性，例如持续加热2小时后，炭层是否仍能封堵缝隙。美国UL 1479标准则侧重“实际应用场景”，会模拟管道贯穿处的缝隙，测试材料膨胀后对管道的包裹性，避免因管道变形导致炭层开裂。

不同标准的侧重点差异，源于各国对火灾风险的评估不同：国内更注重材料的基础膨胀能力，欧洲强调长期稳定性，美国则关注实际安装后的适配性。

测试前的准备：样品状态与设备校准是关键

膨胀性能测试的准确性，首先依赖样品的状态调节。根据GB 23864-2009要求，样品需裁剪为100mm×100mm×原厚（通常为3~5mm），并在“标准环境”（温度23±2℃、相对湿度50±5%）下放置24小时，确保材料内部水分平衡。若样品未充分调节，比如湿度偏高，遇火时水分快速蒸发会冲散膨胀组分，导致膨胀倍数偏低；若温度过低，材料中的高分子组分可能处于“玻璃态”，影响膨胀反应的启动。

设备方面，核心要求是“精准控温”。测试需使用能模拟火灾升温曲线的高温炉（如按ISO 834曲线升温），炉内温度误差需控制在±5℃以内。此外，测量工具也需校准：游标卡尺的精度应达到0.02mm（用于测量初始厚度与膨胀后的厚度），千分尺用于测量炭层的密度（密度=炭层质量/炭层体积）。试样支架需采用耐高温材料（如陶瓷），确保样品在加热过程中保持垂直放置，避免因自重导致膨胀层坍塌。

测试步骤：从升温到冷却的全流程控制

膨胀性能测试的流程，可分为四个核心步骤：

第一步是“初始尺寸测量”：用游标卡尺测量样品的初始厚度（取不同位置3个点的平均值）、面积，记录初始质量（用于后续计算炭层密度）。

第二步是“高温加热”：将样品放入高温炉，按标准升温曲线加热。以GB 23864-2009为例，需将炉温从室温升至500℃（升温速率约10℃/min），并保持1小时。加热过程中，需每隔5分钟观察一次样品的膨胀状态，记录“最大膨胀时间”（从加热开始到膨胀层达到最大厚度的时间）——这一指标反映材料的“响应速度”，若超过15分钟，可能无法在火灾初期封堵缝隙。

第三步是“膨胀过程记录”：使用高温摄像机或炉内观察窗，记录膨胀层的形成过程，重点关注是否出现开裂、鼓包或脱落。例如，若膨胀层在加热10分钟时出现大于2mm的裂缝，说明材料的柔韧性不足，无法承受膨胀应力。

第四步是“冷却后测量”：加热结束后，关闭高温炉，让样品自然冷却至室温（约2小时），再测量残余炭层的厚度、密度及完整性。需注意，冷却过程中不能触碰样品，避免破坏炭层结构。

结果判定：四个核心指标决定材料是否合格

膨胀性能测试的结果，需围绕“炭层的有效性”判定，核心指标有四个：

其一，膨胀倍数：即最大膨胀厚度与初始厚度的比值，GB 23864-2009要求≥5倍。若膨胀倍数不足，炭层厚度不够，无法有效隔绝热量——例如，初始厚度3mm的材料，膨胀后需达到15mm以上，才能将背面温度控制在140℃以下（这是多数可燃物的引燃温度）。

其二，炭层完整性：冷却后的炭层不能有开裂（宽度＞2mm）、脱落或粉化。若炭层开裂，火焰会从裂缝中渗透，失去封堵作用；若脱落，缝隙重新暴露，烟气将快速蔓延。

其三，残余高度：冷却后炭层的厚度需≥初始厚度的3倍。这一指标反映炭层的“稳定性”——若残余高度不足，说明膨胀层在高温下发生收缩，无法长期保持封堵效果。

其四，隔热性能：部分标准（如EN 1366-3）会在样品背面粘贴热电偶，测量加热过程中背面的最高温度。若背面温度超过140℃，说明炭层的隔热能力不足，可能引燃周围的可燃材料（如保温棉、木材）。

例如，某款防火密封材料的初始厚度为4mm，加热后最大膨胀厚度为22mm（膨胀倍数5.5倍），最大膨胀时间为12分钟，冷却后残余厚度为14mm（残余高度3.5倍），且炭层无开裂——这样的结果符合GB 23864-2009的要求。

测试中的常见问题：避免这些错误影响结果

实际测试中，常因细节把控不到位导致结果偏差，需重点注意以下问题：

问题1：升温速率不符合标准。例如，ISO 834曲线要求前30分钟升温至500℃，之后每小时升100℃。若高温炉的升温速率过快（如20分钟达到500℃），会导致酸源快速分解，碳源来不及脱水成炭，最终膨胀倍数偏低。解决方法是使用带“程序升温”功能的高温炉，并在测试前用标准热电偶校准炉温。

问题2：测量时间点不准确。部分材料的膨胀层会“先膨胀后收缩”（如含淀粉的材料，高温下淀粉碳化后易收缩），若未在膨胀峰值时测量，会低估膨胀倍数。解决方法是每隔2分钟测量一次厚度，记录连续三次测量中的最大值。

问题3：样品放置方式错误。若样品倾斜放置，膨胀层会向一侧倾倒，导致厚度测量不准确。需使用陶瓷支架将样品垂直固定，确保膨胀方向与重力方向一致。

问题4：平行试验数量不足。GB 23864-2009要求每个样品做3次平行试验，取平均值。若仅做1次试验，可能因样品均匀性差导致结果偏差——例如，某批材料中部分样品的膨胀组分分布不均，单次试验可能刚好取到“不合格”的样品。

测试后的思考：从实验室到实际应用的衔接

需注意的是，实验室中的膨胀性能测试，是基于“标准条件”的评估，但实际火灾中的情况更复杂：比如管道贯穿处的缝隙形状不规则，材料膨胀后需适应不同的缝隙尺寸；或者火灾中存在水流冲击（如喷淋系统启动），膨胀层需承受水的冲刷。因此，部分企业会在实验室测试后，进行“模拟现场试验”——例如，将材料填充在φ100mm的管道缝隙中，加热至600℃并喷水，观察炭层是否保持完整。

这种“实验室+现场”的测试组合，能更全面评估材料的实用性。例如，某款材料在实验室测试中膨胀倍数达6倍，但在模拟管道缝隙测试中，因管道受热变形，膨胀层被挤压开裂，最终无法通过现场验证——这说明材料的柔韧性需进一步优化。

简言之，膨胀性能测试不是“终点”，而是“起点”，其目的是确保材料在实际火灾中，能真正成为“缝隙的防火墙”。