王秀麗 張盛東

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系,上海 200092)

0 引 言

與鋼材和混凝土材料相比,木材作為一種可再生的建筑材料,具有較高強(qiáng)重比(高于普通鋼材)、紋理美麗、加工性好等優(yōu)點(diǎn)。且木結(jié)構(gòu)建筑在保溫、節(jié)能、環(huán)保、舒適性、結(jié)構(gòu)靈活性等方面有著傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不可比擬的優(yōu)越性[1]。

但木材屬于可燃材料,許多人認(rèn)為木結(jié)構(gòu)耐火性能差,這就使得木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用受到一定限制。在進(jìn)行木結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)時(shí),炭化速率是不可忽略的重要特性。研究表明[2],木材具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)0.43～0.6 W/mK (鋼材導(dǎo)熱系數(shù)23～55 W/mK,混凝土0.6～1.6 W/mK)。木構(gòu)件受火后,表面形成炭化層,炭化層的導(dǎo)熱系數(shù)是木材的1/3～1/4,可以增加表面熱阻,遲滯熱的穿透,抑制木材內(nèi)層的熱解及繼續(xù)炭化,可見未經(jīng)防火處理的大截面木構(gòu)件仍具有較長的耐火極限。

影響木材炭化速率的因素分為材料特性和外部因素兩個(gè)方面,本文在總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)木構(gòu)件炭化速率的試驗(yàn)研究和結(jié)果分析基礎(chǔ)之上,選擇多數(shù)學(xué)者普遍認(rèn)同的影響因素進(jìn)行討論分析,為今后工程抗火設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 木材的燃燒

木材屬于固體可燃物質(zhì),受火后,表層形成炭化層,不斷加厚的炭化層在一定程度上阻隔了表面熱源與內(nèi)部熱解區(qū)域的熱量傳遞,進(jìn)而減緩了炭化速率。試驗(yàn)研究[3]中也發(fā)現(xiàn),在同一個(gè)試驗(yàn)構(gòu)件中,不同截面的炭化深度會(huì)有所不同,而同一截面的不同位置炭化深度也有一定差異,對(duì)于截面角部炭化的測量也很復(fù)雜。

Friquin[4]對(duì)其他研究者的成果進(jìn)行總結(jié),將木材從受熱到燃燒的過程分為五個(gè)階段(圖1)分別是常溫階段、蒸發(fā)階段、熱降解階段、炭化層形成階段和炭化層收縮階段。

圖1 木材受火反應(yīng)Fig.1 Fire performance of wood

當(dāng)溫度低于100 ℃時(shí),木材處于常溫階段;隨著溫度的升高,木材中的自由水開始從木材表面蒸發(fā)到環(huán)境中;在160 ℃～180 ℃時(shí),木材中的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素開始進(jìn)行熱分解,這個(gè)階段分解出來的氣體是不可燃的,主要是水蒸氣;當(dāng)木材溫度升高到225 ℃～275 ℃時(shí),此時(shí)熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃形成明火。Buchanan[2]認(rèn)為,當(dāng)溫度超過200 ℃時(shí),木材開始進(jìn)行降解,并產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物。溫度超過300 ℃時(shí),木材物理結(jié)構(gòu)開始破壞,密度減小,形成炭化層,在這一階段,大量的氣體釋放出來,其中包括可燃性氣體,如CO,CH4以及焦油等。溫度持續(xù)升高的同時(shí),炭化層的形成速率逐漸保持穩(wěn)定,木材內(nèi)部熱釋放速率也趨于穩(wěn)定值,此時(shí),炭化層表面會(huì)產(chǎn)生垂直木紋方向裂縫,便于內(nèi)部氣體的釋放;當(dāng)溫度升高到450 ℃～500 ℃時(shí),揮發(fā)物的形成已經(jīng)完全,但是炭層會(huì)繼續(xù)燜燒并產(chǎn)生CO2,CO和H2O等,進(jìn)而引發(fā)質(zhì)量損失。

木材的炭化速率可定義為炭化深度與相應(yīng)受火時(shí)間的比值,炭化深度是指木材的外表面到炭化線(木材本色與炭化層黑色之間的分界面)所在位置間的距離。通常,炭化的界線通常認(rèn)為在280 ℃到300 ℃之間,在歐規(guī)5[5]中,認(rèn)為炭化界線為300 ℃,北美研究[6]中則定義炭化線為288 ℃。由于在300 ℃附近木材升溫曲線變化很快,因此取300 ℃或288 ℃對(duì)判斷炭層厚度的差別并不明顯。

2 炭化速率在規(guī)范中的取用

在《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[7]中推薦的膠合木構(gòu)件炭化速率值為0.6 mm/min,該數(shù)值是基于國外樹種探究數(shù)據(jù),且在使用上亦無樹種之分,在我國的適用性和應(yīng)用性都存在疑問。

歐規(guī)5[5]考慮實(shí)際應(yīng)用,對(duì)于針葉木密度ρ≥290 kg/m3和闊葉木密度ρ≥450 kg/m3時(shí),假定炭化率與密度沒有關(guān)系,把炭化率β簡化為一個(gè)常數(shù),而對(duì)于闊葉木密度ρ介于290 kg/m3與450 kg/m3之間時(shí),假定可進(jìn)行線性插值,如表1所示。

表1木材炭化率β0和βn

Table 1 Charring rate of wood β3 and βn

β0代表木材在標(biāo)準(zhǔn)火暴露條件下的一維炭化速率;而βn則是考慮了構(gòu)件圓角效應(yīng)以及炭化層表面龜裂等影響后的名義炭化速率。

然而,在北美的試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn),不同密度的樹種在炭化速率上有顯著差異[3]。炭化速率同樣也受到其他因素和特性的影響,如炭化層的厚度、含水率、氧濃度和受火條件等。在標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)中,木材在一開始通常會(huì)出現(xiàn)較快的炭化過程,隨著炭化層變厚,炭化速率基本保持穩(wěn)定。如果經(jīng)歷較長時(shí)間的受火過程,覆蓋在木材表面的炭層厚度會(huì)不斷增大,從而令炭化速率有所減小,但變化幅度并不大。因此,大多數(shù)情況下,可以假設(shè)重型木結(jié)構(gòu)的木材炭化速率保持恒定。

加拿大規(guī)范[8]把木材的炭化速率設(shè)計(jì)值定為0.6 mm/min,澳大利亞規(guī)范[9]則規(guī)定炭化速率是木材密度ρ的函數(shù):

β=0.4+(280/ρ)2

(1)

美國AFPA推薦的計(jì)算方法則是采用有效炭化速率。該方法基于White的研究工作,考慮了炭化速率隨時(shí)間的非線性變化,并通過提高一維炭化速率20%的方法來計(jì)算有效炭化速率。據(jù)稱,該有效炭化速率考慮了構(gòu)件邊緣的圓角效應(yīng),以及炭化線以內(nèi)受熱的木材強(qiáng)度和剛度的折減:

(2)

式中:βn為名義炭化速率,取值為0.635 mm/min (1.5 in/h);t為受火時(shí)間(h)。

3 影響炭化速率的材料特性及外部因素

根據(jù)多數(shù)學(xué)者的研究總結(jié),木材炭化速率的影響因素可大致分為材料特性與外部因素兩個(gè)方面,其中材料特性包括木材密度、含水率、化學(xué)成分、木紋方向和試驗(yàn)構(gòu)件尺寸,外部因素包括受火溫度和氧濃度。

3.1 密度

密度是木材最基本的物理特性,通常分為全干密度和氣干密度。全干密度指的是木材全干時(shí)的質(zhì)量與體積的比值,而氣干密度指的是木材在一定的大氣狀態(tài)下達(dá)到平衡含水率時(shí)(一般溫帶地區(qū)12%)的質(zhì)量與體積比值。未燃燒木材的密度和炭層的密度均能夠影響木材的炭化速率。不同樹種間木材的密度存在著差異,在同一樹種內(nèi)不同樹木密度也不盡相同,即使在同一樹木內(nèi),不同截面處的密度也有差別。除此之外,木材受火后在炭層處形成的裂縫也增加了測量其密度的難度。

Schaffer[10]發(fā)現(xiàn)了木構(gòu)件干密度和炭化速率之間的關(guān)系,如圖2所示,從圖中可以看出隨著木材干密度的增加,炭化速率隨之降低。Hadvig[11]比較了兩種不同密度木材的炭化深度,發(fā)現(xiàn)二者差異巨大,從中得出,木材炭化速率與密度密切相關(guān)。White[12]的試驗(yàn)結(jié)果顯示,影響炭化速率兩個(gè)重要因素之一是密度,隨著密度增加,炭化速率降低,這種情況對(duì)于闊葉材更明顯。他同樣發(fā)現(xiàn),密度不單單是影響木材炭化速率唯一因素,含水率、樹種、炭化層收縮系數(shù)等也會(huì)對(duì)炭化速率產(chǎn)生影響。Njankouo等[13]也發(fā)現(xiàn)炭化速率隨著密度的增加而減小,并認(rèn)為歐規(guī)5[5]中給出的闊葉材的炭化速率數(shù)值較保守。Yang等[14]試驗(yàn)結(jié)果表明,木材密度越高炭化速率越低。Janssens[15]和Fredlund[16]認(rèn)為,炭化層的形成過程中涉及到木材質(zhì)量的熱降解,隨著密度的增加,木材受火時(shí)熱降解所造成的質(zhì)量損失增加,因此在密度較高的木材中,炭化速率較低。

圖2 密度和含水率對(duì)炭化速率影響Fig.2 Charring rates as a function of moisture content and density of wood

Frangi和Fontana[17]對(duì)密度范圍在340～500 kg/m3之間的構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)密度對(duì)木材炭化速率影響不大。Hugi[18]也沒有在密度范圍350～750 kg/m3之間發(fā)現(xiàn)密度對(duì)炭化速率的顯著影響。

3.2 含水率

木材的含水率指的是木材中所含水的質(zhì)量占烘干木材質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。木材中的水可分為兩部分,一部分存在于木材細(xì)胞胞壁內(nèi),稱為吸附水;另一部分存在于細(xì)胞腔和細(xì)胞間隙之間,稱為自由水(游離水)。木結(jié)構(gòu)建筑中所使用的構(gòu)件,含水率通常在12%～16%之間。很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),含水率對(duì)與木材炭化速率有顯著影響。

從圖2可以看出,木材的炭化速率隨著含水率增加而降低。對(duì)于密度為400 kg/m3的構(gòu)件,含水率增加10%,炭化深度減少10%[10]。Lee和Diehl[19]在對(duì)含水率不同的橡樹進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)木材中水分的存在延遲了點(diǎn)燃時(shí)間,減少了可燃?xì)怏w的產(chǎn)生,并稀釋了這些氣體,水分的存在也使熱擴(kuò)散率減小,進(jìn)而也減緩了炭化速率。White[12]認(rèn)為,炭化速率隨著含水率的升高而減小。

Fredlund[16]研究發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)構(gòu)件的初始含水率會(huì)影響木材內(nèi)部的壓力梯度的分布。當(dāng)木材受火時(shí),水分蒸發(fā),木材內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度,它的存在促使水蒸氣向溫度較低的地方凝結(jié)。Janssens[15]同樣也發(fā)現(xiàn)了含水率與木材受火反應(yīng)之間的關(guān)系,試驗(yàn)表明,木材中每百分之一含水率會(huì)升高點(diǎn)燃溫度近2℃。Spearpoint[20]發(fā)現(xiàn)木材的含水率會(huì)影響其導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容,進(jìn)而影響木材的點(diǎn)燃和燃燒速率。而Frangi和Fontana[17]選取構(gòu)件含水率在8%～15%的范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果并沒有發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)炭化速率的顯著影響。

3.3 化學(xué)成分

木材按樹種不同可分為針葉材和闊葉材,是天然高分子有機(jī)化合物,纖維素、半纖維素、木質(zhì)素是木材分子的主要組成,不同樹種間各物質(zhì)含量不盡相同。由于三種物質(zhì)的熱解特征不同,不同樹種甚至同樹種不同構(gòu)件的熱解特征也存在著差異。

根據(jù)Yang等[21]的試驗(yàn)研究,半纖維素和木質(zhì)素的分解屬于放熱反應(yīng),發(fā)生在溫度較低時(shí)(<500 ℃)。然而,當(dāng)溫度高于500 ℃時(shí),由于纖維素分解是吸熱反應(yīng),此時(shí)多發(fā)生纖維素的分解。這種反應(yīng)的差異主要是與纖維素、半纖維素和木質(zhì)素不同的分子構(gòu)成有關(guān),從而會(huì)使不同木材在不同溫度范圍內(nèi)的產(chǎn)生不同的熱解反應(yīng)和現(xiàn)象。

Blasi等[22]發(fā)現(xiàn),由于針葉材和闊葉材化學(xué)成分含量不同,它們之間的熱解溫度和平均熱釋放速率也存在差異。試驗(yàn)研究了兩種半纖維素含量不同的闊葉材,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種木材之間具有不同的熱解溫度和熱釋放速率。另外,他們認(rèn)為降解木材中的木質(zhì)素需要更高的溫度,所以在試驗(yàn)中增大了熱輻射率,以使針葉材固態(tài)轉(zhuǎn)化程度達(dá)到50%。通過研究試驗(yàn)過程中炭層、氣體和液體的產(chǎn)量,他們發(fā)現(xiàn)具有高木質(zhì)素含量的試件產(chǎn)生了較多的固體殘?jiān)?而高半纖維素和纖維素含量的試件會(huì)產(chǎn)生更多的液體。通過試驗(yàn)結(jié)果的分析可以看出,木材的每種化學(xué)成分的含量差異比單純區(qū)別針葉材和闊葉材更能反映出受火過程中的問題。Janssens[15]在針葉材和闊葉材之間發(fā)現(xiàn)質(zhì)量損失速率,熱釋放速率和氣化熱的差異,他認(rèn)為這種現(xiàn)象與針葉材中較高的木質(zhì)素含量有關(guān)。Yang等[21]認(rèn)為不同樹種因其化學(xué)成分上存在差異,炭化速率從而受到影響,此時(shí)密度不能單獨(dú)作為衡量炭化速率高低的指標(biāo)。

3.4 木紋方向

木材各種分子的形態(tài)、大小和排列各不相同。管胞、木纖維、軸向薄壁組織和導(dǎo)管等為軸向排列,但木射線則為橫向排列,從而造成木材的各項(xiàng)異性。在不同的方向上,木材的分子特征、物理性質(zhì)和力學(xué)強(qiáng)度等均有差異。木材的三個(gè)主軸指的是縱向、徑向和切向。White[12]認(rèn)為,木材切向炭化層收縮系數(shù)較高,并且密度較低的早材會(huì)加速鄰近晚材的炭化,因而,木材切向炭化速率要高于徑向。Gr?nli[23]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于徑向構(gòu)件炭化層的軸向收縮較高,厚度的減小會(huì)導(dǎo)致透過炭化層的熱傳遞增加,而縱向木構(gòu)件具有較低的熱傳導(dǎo)系數(shù),徑向構(gòu)件與之相比會(huì)有較高的熱解速率。Spearpoint[20]認(rèn)為木紋方向會(huì)影響木材的點(diǎn)燃特性,燃燒速率和釋熱特性,因而會(huì)影響到木材的炭化速率。

3.5 尺寸大小

關(guān)于木材耐火性能試驗(yàn)中各試件的設(shè)計(jì)不盡相同,在尺寸和形狀上也有很大的差異,不同的構(gòu)件在受火反應(yīng)時(shí)熱和質(zhì)量的傳遞有差別,炭化速率也受到影響。

在Frangi和Fontana[17]的試驗(yàn)中,當(dāng)受火的木構(gòu)件剩余截面尺寸小于40～60 mm時(shí),底面木材的炭化速率上升,對(duì)于剩余截面較大的的構(gòu)件,試驗(yàn)梁構(gòu)件底面的炭化速率與側(cè)面沒有差別。對(duì)于膠合木梁來說,Hadvig[11]發(fā)現(xiàn)梁頂部的炭化深度要高于底部7%左右,但是由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的較離散,并不能得出確切結(jié)論。并且,在試驗(yàn)爐內(nèi),由于頂部火焰集中且溫度較高,也會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)構(gòu)件頂部炭化深度大于底部。當(dāng)試驗(yàn)構(gòu)件垂直放在試驗(yàn)爐中時(shí),即對(duì)于木柱來說,也會(huì)發(fā)現(xiàn)在構(gòu)件靠近試驗(yàn)爐上部處會(huì)有較高的溫度,炭化深度較深。

3.6 受火溫度

真實(shí)火災(zāi)中木材的炭化速率取決于火災(zāi)本身的嚴(yán)重程度、火災(zāi)荷載以及通風(fēng)情況。熱流量較低時(shí)會(huì)先發(fā)生水分的蒸發(fā),當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃左右時(shí),木材開始熱解,水分的蒸發(fā)和熱解在木材受熱時(shí)是兩個(gè)獨(dú)立的過程。當(dāng)熱流量高于40 kW/m2左右時(shí),由于木材內(nèi)部溫度的急劇升高,熱解和水分的蒸發(fā)會(huì)同時(shí)進(jìn)行[22]。

Hadvig[11]和Spearpoint[20]通過分析熱輻射對(duì)炭化速率的影響,均得出,炭化速率與熱輻射的變化有關(guān)。在Yang等[25]的試驗(yàn)中,對(duì)不同熱流量條件進(jìn)行試驗(yàn),在恒定熱流量下,構(gòu)件初始溫度上升較快,這樣與處于隨時(shí)間增加的熱流量下的試驗(yàn)構(gòu)件相比,前者炭化速率大。Tran 和White[26]找到了熱流量與炭化速率之間的線性關(guān)系,如圖3所示。

圖3 炭化速率與熱流量關(guān)系圖Fig.3 Relationship between charring rate and heat flux

Blasi等[22]對(duì)針葉材和闊葉材均進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明,當(dāng)熱輻射水平超過40 kW/m2時(shí),成炭率降低緩慢。他認(rèn)為在較低的熱流量下的高成炭率的原因可能是由于溫度較低時(shí),未炭化木材中的木質(zhì)素沒有進(jìn)行完全降解。White和Tran[26]發(fā)現(xiàn)由于表面炭層氧化,在低熱流量下剩余炭層厚底較低。

3.7 氧濃度

空氣中氧氣濃度是21%,但是在火災(zāi)環(huán)境中,不同區(qū)域的氧氣濃度不同,出于這個(gè)原因考慮,不同的試驗(yàn)中環(huán)境的氧濃度也作為試驗(yàn)變量之一進(jìn)行研究。

Hadvig[11]針對(duì)不同環(huán)境氧氣含量進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧濃度從10%降低至零時(shí),木材平均炭化速率會(huì)有輕微的降低。Cedering[27]在氧濃度和炭化速率之間僅發(fā)現(xiàn)了微小的聯(lián)系,當(dāng)試驗(yàn)構(gòu)件受火1小時(shí)之間,氧濃度從4%上升到10%過程中,炭化深度只增加了3 mm。這種情況可能是由于氧濃度變化幅度較小,但是他發(fā)現(xiàn)了當(dāng)含水率下降時(shí),氧濃度對(duì)火焰的發(fā)展有重要影響。

4 結(jié) 論

對(duì)于膠合木和原木受火構(gòu)件來說,影響木材炭化速率的因素有材料特性和環(huán)境因素,不同試驗(yàn)中,不同因素起到的重要性也不相同。材料特性對(duì)炭化速率的影響包括密度、含水率、化學(xué)成分、木紋方向、尺寸大小、環(huán)境因素包括環(huán)境溫度、炭層收縮與氧化、氧氣濃度和通風(fēng)系數(shù)。

木構(gòu)件受火時(shí),多數(shù)情況下,密度越高炭化速率越低。炭化過程涉及到木材內(nèi)部的物質(zhì)降解,密度較高的材料降解所需要的時(shí)間要多于密度較低材料,故高密度木材炭化速率較低。有些試驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)密度與炭化速率的相關(guān)性,或相關(guān)性極小的原因可能是由于試驗(yàn)所選取的木材密度范圍較小,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不明顯。大多數(shù)試驗(yàn)中均證實(shí)含水率的升高會(huì)使炭化速率降低。針葉材和闊葉材中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量不同,而這些物質(zhì)的熱解的差異對(duì)于不同樹種的炭化速率也有不同的影響。木質(zhì)素含量對(duì)炭化速率的影響最為明顯,其含量越多,成炭率越高,而熱解速率降低。因此,木質(zhì)素含量較高的木材因其較高的成炭率在抗火設(shè)計(jì)中具有優(yōu)越性。木紋方向不同,熱滲透性也存在著差異,順紋方向熱滲透性最好,炭化速率也最高。不同尺寸和放置方向的構(gòu)件對(duì)炭化速率產(chǎn)生的影響也不盡相同,表面積大的構(gòu)件增大了炭化速率,但較厚的構(gòu)件卻減小了炭化速率。

隨著環(huán)境溫度的提高,多數(shù)學(xué)者均認(rèn)為木材成炭率降低,炭化速率提高。炭層收縮系數(shù)較大,炭層較厚時(shí),炭化速率越低,而當(dāng)炭層氧化越明顯,炭層厚度降低,反而會(huì)導(dǎo)致炭化速率增加。不同試驗(yàn)中氧濃度含量選擇不同,當(dāng)氧濃度變化較低時(shí),其對(duì)炭化速率的影響不大,但當(dāng)這種變化超過10%時(shí),影響效果反而變的明顯。

文獻(xiàn)中對(duì)于木材熱解溫度多定義在288 ℃到300 ℃之間,也就是炭化界線的溫度,但是White[12]研究發(fā)現(xiàn)熱解溫度與樹種、化學(xué)組成、密度和含水率等也有很大關(guān)系,炭化層和殘余木材之間的邊界也不是十分明顯,炭化界線溫度的確定還需要根據(jù)不同試驗(yàn)進(jìn)行深入研究。在木材受火時(shí),需要考慮的主要影響因素的確定還需要進(jìn)行更多的試驗(yàn)研究,木材導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱擴(kuò)散率對(duì)炭化速率的影響也需要在今后的試驗(yàn)中進(jìn)行研究確定。目前,對(duì)于木材炭化速率的測定試驗(yàn)并沒有統(tǒng)一的方法,這就使不同國家地區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果比較時(shí)增加了難度,而對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果能否應(yīng)用于實(shí)際木結(jié)構(gòu)工程中的抗火設(shè)計(jì)也是值得思考。