張盛東 程 龍 劉 靜

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海200092)

1 引言

木材具有對(duì)環(huán)境友好、外表美觀、加工方便、強(qiáng)度/密度比高、可再生等優(yōu)點(diǎn)，在人類歷史上一直是主要的建筑材料。隨著人們對(duì)可持續(xù)發(fā)展的重視，木結(jié)構(gòu)在發(fā)達(dá)國(guó)家得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)也開始了復(fù)興。但木材是一種生物材料，具有可燃性，因而在木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用受到限制［1］。因此，研究木材的耐火性能以及改進(jìn)木材耐火性能的方法對(duì)木結(jié)構(gòu)的發(fā)展具有重要意義。

木材曝火時(shí)，自身會(huì)發(fā)生熱分解并釋放出可燃性氣體，并且會(huì)在燃燒過(guò)程中釋放大量的熱，這更助長(zhǎng)了火焰的發(fā)展。當(dāng)木材表面溫度達(dá)到300℃左右時(shí)，表面開始炭化，并形成炭化層，隨著燃燒深入，炭化層厚度會(huì)逐漸加大，炭化層幾乎不具有強(qiáng)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(qiáng)度和剛度。炭化層的導(dǎo)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(guò)東北落葉松木材的ISO 834標(biāo)準(zhǔn)［2］火災(zāi)燃燒試驗(yàn)確定其耐火性能，同時(shí)研究YSW0012型阻燃劑涂刷處理對(duì)木材耐火性能的影響作用。

2 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，燃燒爐為RX3-24Q燃?xì)馐娇够鹪囼?yàn)爐。試驗(yàn)選用東北落葉松實(shí)木，實(shí)測(cè)密度平均值為690 kg/m3?？紤]到重木結(jié)構(gòu)梁、柱等最小截面尺寸要求一般為140 mm(名義尺寸6 in)，同時(shí)考慮到木材的炭化速率、燃燒時(shí)間，可近似估算木試件燃燒60 min時(shí)截面減少的尺寸為78 mm(0.65×60×2=78 mm)，再結(jié)合燃燒爐的尺寸，試件的尺寸設(shè)計(jì)為140 mm×140 mm×800 mm。鑒于對(duì)既有建筑進(jìn)行阻燃處理時(shí)，將阻燃劑采用真空加壓或浸漬的方法并不現(xiàn)實(shí)，本研究采用表面涂敷法，對(duì)一半試件各面涂抹三次YS-W0012型阻燃劑，涂抹間隔時(shí)間為3小時(shí)。受燃燒爐空間及測(cè)溫設(shè)備通道限制，每次燃燒試驗(yàn)燃燒4個(gè)試件，2個(gè)涂抹阻燃劑，2個(gè)不涂抹阻燃劑，同時(shí)對(duì)其中各1個(gè)試件在不同深度處插入熱電偶，來(lái)測(cè)定試件內(nèi)部的溫度變化。溫度測(cè)點(diǎn)距試件表面距離分別為15 mm、30 mm、45 mm和70 mm，每個(gè)測(cè)溫試件共插入13個(gè)熱電偶，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。本試驗(yàn)共14個(gè)試件，分成四組，試件分組見(jiàn)表1。試驗(yàn)開始前，先對(duì)Ⅱ、Ⅳ組試件布置測(cè)點(diǎn)，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(jiàn)圖2)，其測(cè)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(yàn)開始前，每組分別取1個(gè)試件放置在試驗(yàn)爐中。木材燃燒試驗(yàn)分四次進(jìn)行，每次試件燃燒時(shí)間分別為15 min、30 min、45 min和60 min。按照根據(jù)ISO 834［2］標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線設(shè)定的燃燒程序進(jìn)行木材燃燒試驗(yàn)，試件四面受火。試驗(yàn)開始后，通過(guò)熱電偶測(cè)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(yàn)結(jié)束后立即打開試驗(yàn)爐門，取出試件，再對(duì)試件灑水冷卻，最后去除試件表面的炭化層，用游標(biāo)卡尺測(cè)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(jiàn)圖3。

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

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)測(cè)爐溫及ISO 834升溫曲線

本試驗(yàn)燃燒爐有2個(gè)噴火口，分別位于燃燒爐側(cè)壁的上部。試驗(yàn)爐原來(lái)設(shè)計(jì)主要用于鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究，無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)爐溫，因此試驗(yàn)實(shí)測(cè)(爐內(nèi)頂部自帶兩個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕?溫度曲線與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線有所區(qū)別，見(jiàn)圖4。

圖4 實(shí)測(cè)爐溫及ISO 834標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際爐溫可以取兩者的均值。從圖4可看出，在試驗(yàn)的開始階段，實(shí)際爐溫小于標(biāo)準(zhǔn)溫度，在爐溫為500℃左右時(shí)，兩者溫度相等，此后實(shí)際爐溫大于標(biāo)準(zhǔn)溫度。

造成標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線與爐內(nèi)實(shí)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(yàn)時(shí)周圍的環(huán)境溫度、試件等。該燃燒爐曾做過(guò)鋼材的燃燒試驗(yàn)，其爐溫曲線見(jiàn)圖4，圖中鋼材的爐溫曲線與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線差異較小。從圖4中可得到，60 min燃燒試驗(yàn)中前30 min的爐溫與30 min燃燒試驗(yàn)的爐溫也有一定的差異。說(shuō)明本次試驗(yàn)實(shí)測(cè)爐溫與標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間變化

試驗(yàn)主要研究火災(zāi)下木材內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布情況和木材內(nèi)部不同深度的溫度隨時(shí)間變化規(guī)律以及阻燃劑對(duì)木材耐火性能的影響。試驗(yàn)中，各試件內(nèi)部溫度隨受火時(shí)間增加而逐漸升高，靠近試件表面溫度上升快，遠(yuǎn)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(yàn)中不同深度處的溫度隨時(shí)間變化曲線。圖中虛線和實(shí)線分別代表未涂阻燃劑和涂阻燃劑試件的溫度—時(shí)間曲線(以下各圖虛線和實(shí)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(shuō)明本試驗(yàn)采用的阻燃劑對(duì)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(shí)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(chǎng)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(yàn)中不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)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(gè)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(shí)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(yuǎn)，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(yīng)溫度梯度，說(shuō)明阻燃劑起到了一定的作用。隨著時(shí)間增加，最大溫度梯度段在內(nèi)移，說(shuō)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(shí)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(dāng)其燃燒時(shí)，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(dǎo)熱性，阻礙熱量傳遞到木材內(nèi)部。

國(guó)外學(xué)者Schaffer［4］和White［5］通過(guò)研究，認(rèn)為木材炭化層形成的起點(diǎn)是當(dāng)溫度分別達(dá)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(guò)程中，截面尺寸逐漸減小，可采用炭化速率來(lái)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(shí)間的比值。當(dāng)木材表面未受保護(hù)時(shí)，可通過(guò)假定木材的炭化速率為定值［8］，來(lái)計(jì)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(yàn)假定木材炭化速率為常數(shù)，兩側(cè)均勻炭化。試驗(yàn)結(jié)束后，去除試件表面炭化層，分別取每個(gè)試件的四個(gè)截面，用游標(biāo)卡尺測(cè)出試件四邊的殘余截面尺寸，試件初始截面尺寸與相應(yīng)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)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(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表3。

表2 各試件炭化速率的平均值和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)木材的保護(hù)作用主要在木材開始燃燒的前30 min內(nèi)，之后對(duì)木材的保護(hù)作用已不太明顯。同時(shí)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(yàn)的離散性，也有可能是試件內(nèi)部溫度升高。Yang等［9］報(bào)道了這個(gè)現(xiàn)象。

圖7是對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(shuō)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(duì)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(shí)間的關(guān)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(yīng)

由于矩形截面試件的拐角處同時(shí)受到兩個(gè)方向的熱量，其炭化速率會(huì)增大，因而在拐角處產(chǎn)生“拐角圓效應(yīng)”，見(jiàn)圖8。本次試驗(yàn)對(duì)每個(gè)試件各取三個(gè)截面，再用圓規(guī)和精度為0.5 mm的鋼尺測(cè)量拐角圓半徑，每個(gè)截面測(cè)出四個(gè)拐角處的半徑，試件拐角圓半徑的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表4。

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

表4 各試件的拐角圓半徑的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差Table 4 The average value and standard deviation of the radius of corner rounding of each specimens mm

4 結(jié)論

根據(jù)本次試驗(yàn)的結(jié)果，可得到以下結(jié)論:

(1)在同一燃燒時(shí)間，試件內(nèi)部離表面距離越遠(yuǎn)溫度越低。從試件的溫度隨燃燒時(shí)間、深度變化曲線可看出，隨燃燒時(shí)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(yù)測(cè)的，對(duì)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(shí)間時(shí)，涂阻燃劑試件的溫度值均小于未涂阻燃劑試件的相應(yīng)溫度值;在燃燒15 min和30 min的試驗(yàn)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(yàn)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(shuō)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(duì)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(lái)擬對(duì)不同樹種、不同密度、不同含水率、不同截面尺寸等因素對(duì)木材耐火性能的影響進(jìn)行深入研究。

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