張盛東 程 龍 劉 靜

(同濟大學建筑工程系，上海200092)

1 引言

木材具有對環(huán)境友好、外表美觀、加工方便、強度/密度比高、可再生等優(yōu)點，在人類歷史上一直是主要的建筑材料。隨著人們對可持續(xù)發(fā)展的重視，木結構在發(fā)達國家得到越來越廣泛的應用，在我國也開始了復興。但木材是一種生物材料，具有可燃性，因而在木結構中的應用受到限制［1］。因此，研究木材的耐火性能以及改進木材耐火性能的方法對木結構的發(fā)展具有重要意義。

木材曝火時，自身會發(fā)生熱分解并釋放出可燃性氣體，并且會在燃燒過程中釋放大量的熱，這更助長了火焰的發(fā)展。當木材表面溫度達到300℃左右時，表面開始炭化，并形成炭化層，隨著燃燒深入，炭化層厚度會逐漸加大，炭化層幾乎不具有強度，因而木材表面喪失承載力，但木材內(nèi)部未炭化部分仍具有強度和剛度。炭化層的導熱系數(shù)很低，因此木材表面的炭化層能夠減緩熱量向內(nèi)傳遞并延緩木材燃燒的速度。

本文通過東北落葉松木材的ISO 834標準［2］火災燃燒試驗確定其耐火性能，同時研究YSW0012型阻燃劑涂刷處理對木材耐火性能的影響作用。

2 試驗概況

本次試驗在同濟大學結構抗火實驗室進行，燃燒爐為RX3-24Q燃氣式抗火試驗爐。試驗選用東北落葉松實木，實測密度平均值為690 kg/m3?？紤]到重木結構梁、柱等最小截面尺寸要求一般為140 mm(名義尺寸6 in)，同時考慮到木材的炭化速率、燃燒時間，可近似估算木試件燃燒60 min時截面減少的尺寸為78 mm(0.65×60×2=78 mm)，再結合燃燒爐的尺寸，試件的尺寸設計為140 mm×140 mm×800 mm。鑒于對既有建筑進行阻燃處理時，將阻燃劑采用真空加壓或浸漬的方法并不現(xiàn)實，本研究采用表面涂敷法，對一半試件各面涂抹三次YS-W0012型阻燃劑，涂抹間隔時間為3小時。受燃燒爐空間及測溫設備通道限制，每次燃燒試驗燃燒4個試件，2個涂抹阻燃劑，2個不涂抹阻燃劑，同時對其中各1個試件在不同深度處插入熱電偶，來測定試件內(nèi)部的溫度變化。溫度測點距試件表面距離分別為15 mm、30 mm、45 mm和70 mm，每個測溫試件共插入13個熱電偶，測點位置見圖1。本試驗共14個試件，分成四組，試件分組見表1。試驗開始前，先對Ⅱ、Ⅳ組試件布置測點，按圖1所示位置垂直試件表面鉆孔(鉆孔直徑2 mm)，再插入K形熱電偶(直徑2 mm，見圖2)，其測溫范圍是0℃～1300℃。

圖1 熱電偶的位置及試件尺寸Fig.1 The location of thermocouples and sizes of the specimens

表1 試件分組Table 1 List of specimens

試驗開始前，每組分別取1個試件放置在試驗爐中。木材燃燒試驗分四次進行，每次試件燃燒時間分別為15 min、30 min、45 min和60 min。按照根據(jù)ISO 834［2］標準升溫曲線設定的燃燒程序進行木材燃燒試驗，試件四面受火。試驗開始后，通過熱電偶測定試件不同深度處的溫度變化。

圖2 K形熱電偶Fig.2 Type K thermocouple

每次試驗結束后立即打開試驗爐門，取出試件，再對試件灑水冷卻，最后去除試件表面的炭化層，用游標卡尺測出試件的剩余截面尺寸，從而得到木材的炭化深度。試件燃燒前及燃燒后的照片見圖3。

圖3 燃燒試驗照片F(xiàn)ig.3 Photos of the fire test

3 試驗結果及分析

3.1 實測爐溫及ISO 834升溫曲線

本試驗燃燒爐有2個噴火口，分別位于燃燒爐側壁的上部。試驗爐原來設計主要用于鋼結構或混凝土結構抗火研究，無法自動調(diào)節(jié)爐溫，因此試驗實測(爐內(nèi)頂部自帶兩個測溫熱電偶)溫度曲線與標準升溫曲線有所區(qū)別，見圖4。

圖4 實測爐溫及ISO 834標準升溫曲線Fig.4 Measured temperature of furnace and the ISO 834 standard temperature-time curve

爐溫1、爐溫2的曲線形狀幾乎完全相同，因此實際爐溫可以取兩者的均值。從圖4可看出，在試驗的開始階段，實際爐溫小于標準溫度，在爐溫為500℃左右時，兩者溫度相等，此后實際爐溫大于標準溫度。

造成標準升溫曲線與爐內(nèi)實際溫度的差異有許多因素，如爐子的燃燒系統(tǒng)、密封性、試驗時周圍的環(huán)境溫度、試件等。該燃燒爐曾做過鋼材的燃燒試驗，其爐溫曲線見圖4，圖中鋼材的爐溫曲線與標準升溫曲線差異較小。從圖4中可得到，60 min燃燒試驗中前30 min的爐溫與30 min燃燒試驗的爐溫也有一定的差異。說明本次試驗實測爐溫與標準溫度的差異由多重因素造成，其中由于木材本身原因的影響很大。

3.2 試件內(nèi)部溫度隨時間變化

試驗主要研究火災下木材內(nèi)部的溫度場分布情況和木材內(nèi)部不同深度的溫度隨時間變化規(guī)律以及阻燃劑對木材耐火性能的影響。試驗中，各試件內(nèi)部溫度隨受火時間增加而逐漸升高，靠近試件表面溫度上升快，遠離試件表面溫度上升慢。圖5表示Ⅱ、Ⅳ兩組試件在60 min燃燒試驗中不同深度處的溫度隨時間變化曲線。圖中虛線和實線分別代表未涂阻燃劑和涂阻燃劑試件的溫度—時間曲線(以下各圖虛線和實線分別代表未涂阻燃劑和涂阻燃劑試件)。從圖中可看出，距試件表面相同深度處，未涂阻燃劑的試件溫度均高于涂阻燃劑的試件溫度，說明本試驗采用的阻燃劑對減緩木材溫度升高起了一定的作用。

圖5 涂阻燃劑及未涂阻燃劑的試件在不同深度處的溫度—時間曲線Fig.5 The temperature-time curve of specimens with and without fire retardant at different depths

3.3 試件內(nèi)部溫度場分布

圖6表示涂阻燃劑及未涂阻燃劑的試件在60 min燃燒試驗中不同時刻的溫度場分布情況。由于炭化層具有良好的隔熱作用，延緩了木材內(nèi)部溫度升高，整個炭化層溫度梯度很大［3］。圖中折線段的斜率反映了試件溫度隨內(nèi)部深度的變化率，即溫度梯度。為了便于在圖中顯示，圖6比較了涂阻燃劑及未涂阻燃劑的試件分別在5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min時的溫度隨深度變化曲線。從圖中可看出，在試件同一截面處，離表面距離越遠，溫度上升越慢。涂阻燃劑試件溫度梯度大于未涂阻燃劑試件的相應溫度梯度，說明阻燃劑起到了一定的作用。隨著時間增加，最大溫度梯度段在內(nèi)移，說明炭化線在內(nèi)移，炭化層厚度增加。

圖6 涂阻燃劑及未涂阻燃劑的試件在不同時刻的溫度—深度曲線Fig.6 The temperature-depth curve of specimens with and without fire retardant at different time

3.4 試件炭化

木材是可燃性材料，當其燃燒時，自身發(fā)生熱分解并產(chǎn)生可燃性氣體，使木材的質(zhì)量和截面減小，木材表面形成炭化層。炭化層具有低導熱性，阻礙熱量傳遞到木材內(nèi)部。

國外學者Schaffer［4］和White［5］通過研究，認為木材炭化層形成的起點是當溫度分別達到288℃和360℃。EN1995-1-2［6］把300℃作為木材炭化的臨界溫度［7］，300℃等溫線所在的位置稱為炭化線。從炭化線到木材初始截面的距離稱為炭化深度。木材燃燒過程中，截面尺寸逐漸減小，可采用炭化速率來描述木材的耐火性能。木材的炭化速率定義為木材炭化深度與木材受火時間的比值。當木材表面未受保護時，可通過假定木材的炭化速率為定值［8］，來計算木材的炭化深度及剩余截面尺寸。EN1995-1-2給出針葉材的一維炭化速率為0.65 mm/min。

試驗假定木材炭化速率為常數(shù)，兩側均勻炭化。試驗結束后，去除試件表面炭化層，分別取每個試件的四個截面，用游標卡尺測出試件四邊的殘余截面尺寸，試件初始截面尺寸與相應殘余截面尺寸之差的一半即為試件的炭化深度，據(jù)此再計算出各試件分別燃燒15 min、30 min、45 min和60 min的炭化速率。各試件的炭化速率的平均值及標準差見表2，涂阻燃劑及未涂阻燃劑試件的炭化速率的平均值及標準差見表3。

表2 各試件炭化速率的平均值和標準差Table 2 The average value and standard deviation of the charring rate of each specimen mm/min

表3 涂阻燃劑及未涂阻燃劑試件的炭化速率的平均值及標準差Table 3 The average value and standard deviation of the charring rate of specimens with and without fire retardant

從表2可看出，試件燃燒15 min及30 min，未涂阻燃劑的試件的炭化速率均大于涂阻燃劑的;試件燃燒45 min及60 min，出現(xiàn)了涂阻燃劑的試件的炭化速率大于未涂阻燃劑的情況，這表明阻燃劑對木材的保護作用主要在木材開始燃燒的前30 min內(nèi)，之后對木材的保護作用已不太明顯。同時表2中，出現(xiàn)了未涂阻燃劑試件60 min的炭化速率大于45 min的，其可能原因是試驗的離散性，也有可能是試件內(nèi)部溫度升高。Yang等［9］報道了這個現(xiàn)象。

圖7是對表2中的數(shù)據(jù)進行線性擬合。木材燃燒60 min，未涂阻燃劑和涂阻燃劑的試件的炭化速率分別是0.517 mm/min和0.494 mm/min，兩者數(shù)值非常接近;而30 min時的炭化速率分別是0.576 mm/min和0.485 mm/min，前者的炭化速率明顯大于后者的，以上說明采用此種阻燃劑并采用涂刷處理方法后在木材燃燒的早期階段阻燃劑對木材有阻燃作用。

圖7 涂阻燃劑及未涂阻燃劑的試件的炭化深度與時間的關系Fig.7 The relationship between charring depth and fire duration of specimens with and without fire retardant

3.5 拐角圓效應

由于矩形截面試件的拐角處同時受到兩個方向的熱量，其炭化速率會增大，因而在拐角處產(chǎn)生“拐角圓效應”，見圖8。本次試驗對每個試件各取三個截面，再用圓規(guī)和精度為0.5 mm的鋼尺測量拐角圓半徑，每個截面測出四個拐角處的半徑，試件拐角圓半徑的平均值及標準差見表4。

圖8 拐角圓效應Fig.8 The effect of corner rounding

表4 各試件的拐角圓半徑的平均值及標準差Table 4 The average value and standard deviation of the radius of corner rounding of each specimens mm

4 結論

根據(jù)本次試驗的結果，可得到以下結論:

(1)在同一燃燒時間，試件內(nèi)部離表面距離越遠溫度越低。從試件的溫度隨燃燒時間、深度變化曲線可看出，隨燃燒時間增加，木材炭化層逐漸加厚;木材表面炭化層能很好地延緩木材內(nèi)部溫度上升。

(2)木材炭化速率可以很好地用線性公式擬合，表明木材炭化速率是可以預測的，對于本文所采用的含水率約為25%的東北落葉松木材試件，60 min的炭化深度為27～33 mm。

(3)同一燃燒時間時，涂阻燃劑試件的溫度值均小于未涂阻燃劑試件的相應溫度值;在燃燒15 min和30 min的試驗中，未涂阻燃劑試件的炭化速率均大于涂阻燃劑的，但燃燒45 min及60 min的試驗中，出現(xiàn)了涂阻燃劑的試件的炭化速率大于未涂阻燃劑的情況，說明采用YSW0012型阻燃劑三次涂刷處理方法，在木材燃燒的早期階段對木材耐火性能具有一定的有利作用。

由于木材的耐火性能受到很多因素的影響，本文介紹的是木材耐火性能研究的初步研究，接下來擬對不同樹種、不同密度、不同含水率、不同截面尺寸等因素對木材耐火性能的影響進行深入研究。

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