潘崇根，姜 行，楊亞楠，傅崢嶸，孟誠磊，奚三彩

(1． 浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江寧波 315100； 2． 浙江省文物考古研究所，浙江杭州 310014)

0 引 言

中國大量的古建筑為木結(jié)構(gòu)，并裝飾有各類紗帳、經(jīng)幡、哈達(dá)等易燃物品，建筑比較密集，防火分隔較小，人員疏散比較困難，建筑物本身耐火等級低，火災(zāi)隱患較大[1]。沒有經(jīng)過阻燃處理的古建筑木構(gòu)件與布類裝飾物為可燃物，容易引發(fā)火災(zāi)，如果不采取及時科學(xué)的消防安全保護(hù)措施，就會導(dǎo)致不可逆的破壞。近年來，已有許多歷史古建筑毀于火災(zāi)。從2013年10月到2014年2月，湖南懷化洪江古商城共發(fā)生4起火災(zāi)[2]；2014年7月28日凌晨，全國重點文物保護(hù)單位寧波老外灘天主堂發(fā)生大火；2014年10月6日，寧海前童古鎮(zhèn)發(fā)生火災(zāi)；2014年12月12日，貴州劍河苗寨起火共燒毀286間房屋[3]；2015年1月3日，具有600多年歷史的云南巍山古城拱辰樓遭遇大火幾乎化為廢墟[4]。這樣的案例舉不勝舉，因此，對于古建筑防火安全研究顯得尤為重要。

如今，木結(jié)構(gòu)阻燃劑在一般民用建筑方面的應(yīng)用已經(jīng)證明是有效的，可以考慮將其應(yīng)用于古建筑中[5]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者從材料阻燃處理、表面防護(hù)、木構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、防火設(shè)計等方面開展了研究。其中，通過阻燃材料可以達(dá)到隔熱、隔氧、抑制燃燒的目的。經(jīng)過阻燃處理的木構(gòu)件，其抗火性能明顯提高，木構(gòu)件表面火焰的燃燒速度降低，相應(yīng)地提高了構(gòu)件的耐火極限，已成為木質(zhì)文物建筑的有效防火途徑，國內(nèi)外學(xué)者在文物建筑防火保護(hù)方面進(jìn)行了多方面的研究[6-12]。然而，這些阻燃劑對文物本體是否適用，缺少相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)研究認(rèn)定；目前阻燃劑類型眾多，是否會對古建筑本體造成影響，還尚無定論。同時，雖然國內(nèi)外對木質(zhì)材料或古建筑阻燃劑進(jìn)行了大量的研究工作，但是真正在文物建筑實踐應(yīng)用的阻燃劑很少[13-20]。

本研究通過研選國內(nèi)外透明水性阻燃劑，開展了阻燃劑涂覆木構(gòu)件的性能效果評價，包括木構(gòu)件涂覆阻燃劑前后外觀、顏色、光澤度變化，并進(jìn)行木構(gòu)件強(qiáng)度、阻燃老化性能試驗。

1 原材料與試驗設(shè)備

1.1 試驗原材料

本試驗原材料分別是5種性能不同的阻燃劑和3種不同的木構(gòu)件。阻燃劑的品名和性能如表1所示。木構(gòu)件則是來自100年前的寧波地區(qū)古建筑，主要以杉木為主。取未涂漆的原木構(gòu)件，涂漆的油漆木構(gòu)件和桐油木構(gòu)件3種原料各2根，其中一根進(jìn)行清洗并晾干(該根木材在以下內(nèi)容中稱為清洗后的木構(gòu)件)。分別為原木構(gòu)件(UWUP)、清洗后的原木構(gòu)件(WUP)、油漆木構(gòu)件(UWP)、清洗后的油漆木構(gòu)件(WP)、桐油木構(gòu)件(UWT)、清洗后的桐油木構(gòu)件(WUWT)。為方便實驗記錄，對每根木材和每種阻燃劑進(jìn)行了字母編號，有機(jī)磷雜環(huán)阻燃劑(B1)、磷—氮類阻燃劑(B2)、磷—氮水性阻燃劑(B3)、阻燃油(B4)、乳液阻燃劑(B5)。

表1 阻燃劑的種類和性能

1.2 試件制備

在6根木料上各自取總長10cm且平均分為5個單元格子，在每個格子的木料上貼好標(biāo)簽，按標(biāo)簽分別涂覆不同類型的阻燃劑。如圖1所示，原木構(gòu)件、清洗后的原木構(gòu)件、油漆木構(gòu)件、清洗后的油漆木構(gòu)件、桐油木構(gòu)件、清洗后的桐油木構(gòu)件等6根木材為一組原材料，準(zhǔn)備3組。

1.3 試驗儀器設(shè)備

試驗主要包括木構(gòu)件的外觀、色度、反光度、性能檢測和分析過程中所采用的儀器設(shè)備，主要儀器見表2。

表2 試驗主要儀器設(shè)備

2 試驗方法與結(jié)果

2.1 表觀特征測量

2.1.1外觀變化 在相應(yīng)的格子上涂覆對應(yīng)的阻燃劑后，等其完全晾干，觀察試驗前后木料外觀的變化。根據(jù)圖2，可以看出有機(jī)磷雜環(huán)阻燃劑對油漆木構(gòu)件和桐油木構(gòu)件的外觀產(chǎn)生了影響；阻燃油則使原木構(gòu)件表面顏色變得較深， 使油漆木構(gòu)件的表面多了一層釉狀物并有輕微掉漆的現(xiàn)象；乳液阻燃劑使所有的木構(gòu)件表面均呈乳白色；相對的，磷—氮類阻燃劑對木構(gòu)件的外觀沒有產(chǎn)生任何變化；除此之外，磷—氮水性阻燃劑則使桐油木構(gòu)件的表面產(chǎn)生斑點狀白色物質(zhì)。

圖1 不同類型的木構(gòu)件

圖2 木構(gòu)件外觀變化

2.1.2色度和反光度測量 外觀變化結(jié)果為肉眼的直觀判斷，還需利用色度計、光度計等便攜式儀器進(jìn)一步測定噴涂阻燃劑后木料表面的色度與反光度，更好地說明阻燃劑對木料外觀產(chǎn)生的變化。試驗結(jié)果如表3～6所示。

表3 原木構(gòu)件的色度測定值

表4 油漆木構(gòu)件的色度測定值

表5 桐油木構(gòu)件的色度測定值

將涂阻燃劑構(gòu)件的色度各項指標(biāo)值與無阻燃劑構(gòu)件進(jìn)行差值對比，對于原木構(gòu)件而言，有機(jī)磷雜環(huán)阻燃劑、磷—氮類阻燃劑、磷—氮水性阻燃劑這三種阻燃劑對其外表顏色基本無影響；對于油漆木料和桐油木料而言，磷—氮類阻燃劑、磷—氮水性阻燃劑和阻燃油這三種阻燃劑對其外表顏色基本無影響。

根據(jù)表6可知：對于原木構(gòu)件而言，有機(jī)磷雜環(huán)阻燃劑、磷—氮類阻燃劑、磷—氮水性阻燃劑對其外表反光度基本無影響；對于油漆木料而言，磷—氮類阻燃劑對其外表反光度基本無影響；對于桐油木料而言，磷—氮類阻燃劑、阻燃油這兩種阻燃劑對其外表反光度基本無影響。

綜合可得，磷-氮類阻燃劑對木料的表觀特征影響最小，最適合各類古建筑使用。

表6 不同阻燃劑對木構(gòu)件的反光度影響

2.2 表征測試

2.2.1熱重分析法 熱重分析法[7]簡稱TG，是使樣品處在一定的溫度程序控制下，觀察樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)隨溫度(℃)或時間的變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù)，用來研究材料的熱穩(wěn)定性和組分。本試驗?zāi)康氖抢脽嶂胤治龇▉泶_定噴涂阻燃劑后，木構(gòu)件的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度的變化關(guān)系，從而得出噴涂阻燃劑是否有利于木構(gòu)防火性能。通過表觀測試，已經(jīng)知道磷—氮類阻燃劑和磷—氮水性阻燃劑要優(yōu)于其他阻燃劑，所以在熱重分析時，主要噴涂這兩種阻燃劑。試驗時，為無漆原木構(gòu)件噴涂磷—氮水性阻燃劑；油漆木構(gòu)件噴涂磷—氮類阻燃劑。試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 TG曲線

通過圖3中噴涂阻燃劑的木構(gòu)件質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度的變化關(guān)系可以得出阻燃劑的阻燃效果。根據(jù)圖中的斜率比較，可以看出噴涂阻燃劑后木料質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少速率變慢，原木構(gòu)件分解溫度主要在250～580℃之間，在噴涂磷—氮水性阻燃劑后，最終分解溫度有明顯提升，在250～800℃之間，這表明阻燃劑能有效抑制木料在高溫的分解速率；同時，對于油漆木構(gòu)件，分解速率略微有所加快，主要集中在250～500℃之間，噴涂磷—氮類阻燃劑后，分解溫度明顯提高。因此，不同類型的阻燃劑對于有漆或者無漆木構(gòu)件，都能提高木構(gòu)件本身的分解溫度，有利于防火安全。

2.2.2掃描電鏡測試技術(shù)(SEM) 掃描電鏡測試主要表征木構(gòu)件樣品涂覆阻燃劑后的表面微觀結(jié)構(gòu)形貌變化。本試驗過程為首先在同一條油漆木構(gòu)件的表面分區(qū)噴涂磷—氮類阻燃劑和有機(jī)雜環(huán)阻燃劑，待其完全干透后用工具在其表面取下一小塊，分別為未噴涂阻燃劑、噴涂磷—氮類阻燃劑、噴涂有機(jī)雜環(huán)阻燃劑各一塊，然后進(jìn)行電鏡掃描。掃描結(jié)果為圖4所示。

由圖4可見，噴涂磷—氮類阻燃劑在木材表面析出均勻的晶體，沒有產(chǎn)生晶體堆積，而噴涂有機(jī)雜環(huán)阻燃劑在木材表面析出大量晶體且顯堆積狀態(tài)。同時，噴涂磷—氮類阻燃劑的木材表面用肉眼無法觀察出于原木快相比的明顯差異，而噴涂有機(jī)雜環(huán)阻燃劑的木材表面有能用肉眼觀察出的明顯差異，有白色物質(zhì)析出。這項試驗說明磷—氮類阻燃劑要優(yōu)于有機(jī)磷雜環(huán)阻燃劑。

圖4 噴涂阻燃劑的油漆木料的SEM圖

2.3 力學(xué)性能測試

2.3.1表面硬度測量 取第2組原材料，噴涂阻燃劑后，利用邵氏硬度計分別對6根木構(gòu)件的每個單元格子進(jìn)行表面硬度測量，并對其結(jié)果進(jìn)行比較。表中的增加幅度是指各個阻燃劑相對未做阻燃劑處理的木料的表面硬度增長百分比，如表7～9所示。

對于原木構(gòu)件而言，有機(jī)磷雜環(huán)阻燃劑、磷—氮類阻燃劑、磷—氮水性阻燃劑對木料的硬度均有不同程度的提高。其中，磷—氮水性阻燃劑提高的幅度最大，其次是磷—氮類阻燃劑，最后是有機(jī)磷雜環(huán)阻燃劑。而很明顯的是阻燃油和乳液阻燃劑會使未上漆木料的硬度較大幅度地降低。

對于油漆木構(gòu)件而言，只有阻燃油使木構(gòu)件的表面硬度降低，磷—氮類阻燃劑、磷—氮水性阻燃劑對木構(gòu)件的硬度沒有變化。有機(jī)磷雜環(huán)阻燃劑和乳液阻燃劑提高了木構(gòu)件的硬度，二者比較，有機(jī)磷雜環(huán)阻燃劑更佳。

對于桐油木構(gòu)件而言，磷—氮類阻燃劑、磷—氮水性阻燃劑和阻燃油這三種阻燃劑對其硬度均有提高。其中，磷—氮水性阻燃劑最優(yōu)，然后依次是阻燃油，磷—氮類阻燃劑；而有機(jī)雜環(huán)阻燃劑和乳液阻燃劑會使其硬度降低，其中最差的是乳液阻燃劑。

表7 原木構(gòu)件與油漆木構(gòu)件表面硬度試驗數(shù)據(jù)

表8 桐油木構(gòu)件表面硬度試驗數(shù)據(jù)

2.3.2軸向抗壓性能試驗 首先用原木構(gòu)件制備12個尺寸大小為40mm×30mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，并同等分為3組；然后取對外觀影響最小的磷—氮類阻燃劑和磷—氮水性阻燃劑，一組四周涂覆磷—氮類阻燃劑，另一組四周涂覆磷—氮水性阻燃劑，最后一組保持原樣。然后貼好標(biāo)簽并置于通風(fēng)處48h；接著取上一步中的涂覆磷—氮類阻燃劑和涂覆磷—氮水性阻燃劑的試塊各一塊，用壓力機(jī)測量其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們的最大破壞荷載十分接近，平均值為43.2MPa；最后將剩下的未噴涂阻燃劑、噴涂磷—氮類阻燃劑和噴涂磷—氮水性阻燃劑的試塊置于酒精燈上燃燒5，10，15min后，用壓力機(jī)測量其抗壓強(qiáng)度。得到結(jié)果如表9所示。

表9 燃燒后的原木構(gòu)件抗壓強(qiáng)度

由表9可看出，凡是噴涂阻燃劑后的木構(gòu)件抗壓性能全部優(yōu)于未噴涂阻燃劑的抗壓性能；并且經(jīng)過5，10，15min的燃燒試驗，原木構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度下降較為明顯；而噴涂阻燃劑后，抗壓強(qiáng)度隨著燃燒時間的增長，相比原木構(gòu)件抗壓強(qiáng)度的增加幅度越來越大。其中，噴涂磷—氮類阻燃劑的木構(gòu)件抗壓強(qiáng)度比噴涂磷—氮水性阻燃劑木構(gòu)件強(qiáng)度提高的幅度大。

2.3.3抗彎強(qiáng)度試驗 取一根原木構(gòu)件，將其鋸成3根2m長的木料，并對其擺放支座處進(jìn)行打磨處理使其平整。

1) 在每根木料的跨中位置進(jìn)行清潔并黏貼應(yīng)變片，用焊槍焊好接頭和電線并測量阻值無誤后涂上AB膠；

2) 選取阻燃劑中效果較好的磷—氮類阻燃劑對其中一根木料進(jìn)行整根噴涂，待其完全干透后，進(jìn)行下一步驟；

3) 將一根原木木料和一根噴涂磷—氮類阻燃劑的木料置于相同數(shù)量的酒精燈上，點燃酒精燈燃燒20min后，換一面再燃燒20min，比較兩根木料的碳化程度；

4) 將噴涂磷—氮類阻燃劑的木料置于試驗架上，接好應(yīng)變儀和補償，然后在木料上方放置分配梁并調(diào)整好距離，利用液壓千斤頂對該木料進(jìn)行兩點加載抗彎試驗，加載力穩(wěn)定三秒后記錄液壓表和應(yīng)變儀顯示讀數(shù)，直到力加到40kN為止。試驗得到的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)如表10所示。

表10 應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)

注： *表示中間還有很多荷載數(shù)據(jù)。

由表10可知，燃燒后的木構(gòu)件，隨著荷載的不斷加大，應(yīng)變值較原木構(gòu)件明顯減小，這也表明木構(gòu)件變形較為明顯，而噴涂阻燃劑的木構(gòu)件，燃燒后其應(yīng)變值也隨之提高，使得木構(gòu)件抗彎強(qiáng)度明顯增加，提高了木結(jié)構(gòu)建筑物遇火災(zāi)后的安全性能。

2.3.4老化和阻燃試驗 取6根噴涂阻燃劑的原材料置于多功能氣候模擬實驗室中，將實驗室溫度調(diào)為38℃，濕度調(diào)節(jié)為70%，開啟紫外燈光照，試驗時間為120h，循環(huán)3次共360h。另取6根噴涂阻燃劑的原材料進(jìn)行燃燒，在每根木構(gòu)件的每塊區(qū)域均用酒精燈燃燒20min后測定每個區(qū)域的碳化體積；將多功能氣候模擬實驗室中的試驗?zāi)玖先〕龊笤谕L(fēng)干燥處放至完全干燥，再用同上述相同的燃燒方法進(jìn)行試驗并測定碳化體積。試驗結(jié)果如表11。

表11 老化試驗前的木構(gòu)件在燃燒后炭化體積變化

試驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)木構(gòu)件燃燒20min后木材均未被燒穿，根據(jù)表11中的數(shù)據(jù)得出：不論是哪種木構(gòu)件，磷—氮類阻燃劑和磷—氮水性阻燃劑的炭化體積都是最低的。根據(jù)防火涂料防火性能標(biāo)準(zhǔn)來判定，磷—氮類阻燃劑和磷—氮水性阻燃劑為一級，有機(jī)磷雜環(huán)阻燃劑、阻燃油和乳液阻燃劑均為二級。

經(jīng)過360h的老化試驗，木構(gòu)件燃燒后的碳化體積相比老化前變化較小(表12)。這也表明阻燃劑大部分是以滲透的形式進(jìn)入了木構(gòu)件本體或牢牢吸附在木材表層，起到良好的保護(hù)作用。老化過程中的各種試驗條件并沒有降低阻燃劑本身的性能，因此，燃燒后，木構(gòu)件的阻燃性能仍能保持良好。

表12 老化試驗后的木構(gòu)件在燃燒后炭化體積變化

3 結(jié) 論

根據(jù)目前古建筑木結(jié)構(gòu)火災(zāi)特征和防火要求，通過對不同類型的阻燃劑進(jìn)行研選，進(jìn)行表觀、熱重、力學(xué)性能、耐老化、阻燃性能等試驗。試驗結(jié)果綜合表明：B2、B3阻燃劑涂覆后，對木構(gòu)件的外觀(色度、光澤度、形貌等)影響相對較??；熱重分析法表明，阻燃劑能有效降低材料的高溫分解速率；阻燃劑對木構(gòu)件表面硬度影響較小；同時，進(jìn)行燃燒前后的軸向抗壓試驗和抗彎強(qiáng)度試驗等力學(xué)性能測試，涂覆磷—氮類阻燃劑或磷—氮水性阻燃劑，能有效減少構(gòu)件燃燒后力學(xué)性能的變化；經(jīng)過360h加速老化試驗表明，阻燃劑老化前后的防火性能變化較小，具有較好的耐老化性。阻燃劑對古建筑木結(jié)構(gòu)防火安全有著很好的應(yīng)用前景，在古建筑上噴涂阻燃劑，將在很大程度上減少了人員的傷亡和建筑物及物品的損壞，最大程度上降低火災(zāi)的危害。

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