尚健雄 胡進(jìn)波 萇姍姍 于朝陽 劉 元 鄭 磊

[1.中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410004；2. 希美埃（蕪湖）機(jī)器人技術(shù)有限公司，蕪湖 241000]

楊樹是我國三大人工林樹種之一，具有生長速度快、材質(zhì)輕、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在我國種植范圍廣[1-2]。楊木主要用于人造板、木制家具、實(shí)木復(fù)合地板基材及墻裙、天花板等建筑材料，其屬于可燃物[3-4]。為改善木材阻燃性能，學(xué)者們通過化學(xué)改性處理木材，有關(guān)以氮系、硼系、磷系、金屬化合物、含鹵阻燃劑、膨脹型等阻燃劑改性木材的報(bào)道很多[5-6]。岳孔等[7]研究了楊木經(jīng)硼酸復(fù)配酚醛樹脂改性處理前后的燃燒性能，結(jié)果表明：處理后的楊木阻燃性能明顯提升，達(dá)到常規(guī)建筑用材要求。對于木材自身燃燒特性，陳鵬等[8]采用0.9～3.0 mm厚木材進(jìn)行了火蔓延的系統(tǒng)研究；當(dāng)木材厚度＜1.6 mm時(shí)，火蔓延速度和厚度成反比；1.6 mm＜木材厚度＜2.6 mm時(shí)，火蔓延容易受到外界條件的影響，瞬時(shí)速度震蕩加?。荒静暮穸龋?.6 mm時(shí)，由于木材在燃燒時(shí)碳化而阻礙材料內(nèi)部發(fā)生熱傳遞，火蔓延行為不能發(fā)生。事實(shí)上，木材材性和燃燒時(shí)環(huán)境因素對燃燒特性有很大影響，木材受熱面（弦/徑面、上/下面）、木材厚度（＞2.6 mm）、火災(zāi)中熱輻射大小等都可能影響木材燃燒，但尚未見有這方面的研究報(bào)道。

熱釋放速率是材料燃燒過程中能量釋放隨時(shí)間變化的重要參數(shù)，也是建筑消防性能評(píng)估中的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。錐形量熱儀是采用氧消耗原理設(shè)計(jì)用于測定材料燃燒放熱的儀器，氧消耗原理即材料完全燃燒每消耗一單位質(zhì)量的氧氣所釋放的熱量基本相同[消耗1 kg 氧氣釋放熱量（13 .1±0 .655）MJ]，建筑業(yè)使用的多數(shù)塑料和其他固體材料均遵循這一規(guī)律。因此，發(fā)達(dá)國家一些標(biāo)準(zhǔn)中均將錐形量熱儀法確定為材料燃燒性能測試的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[9-11]。

本文選用錐形量熱儀，以楊木徑切板、弦切板為試驗(yàn)對象，在25 kW/m2和50 kW/m2兩種不同輻射功率下測試分析楊木燃燒的熱釋放速率，探究速生楊木的燃燒特性，以期為速生木材應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)建筑或建筑材料，對其火災(zāi)危害性提供較完整的評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 材料

試材為楊木（Populus L.）板材，規(guī)格均為100 mm×100 mm×10 mm（弦×徑×縱）的徑切板和弦切板，以及長寬不變而厚度分別為5、10、15、20、25 mm的弦切板。楊木板材購自廣東鶴山木森科技有限公司，木材等級(jí)均為一等材，無節(jié)子等缺陷。試樣在試驗(yàn)前需保存在溫度為（23±2）℃, 相對濕度為（65±5）%的環(huán)境中, 以保證質(zhì)量恒定。每種材料需進(jìn)行3 組平行試驗(yàn)。徑切板和弦切板受火面如圖1 所示。

圖1 楊木板加熱方向示意圖Fig.1 Schematic diagram of heating direction of poplar board

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

FTT型錐形量熱儀（英國防火測試技術(shù)公司），熱電偶及數(shù)據(jù)采集器（上海思百吉儀器系統(tǒng)有限公司），ARA520 電子天平（瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司），數(shù)顯游標(biāo)卡尺（成都成量工具集團(tuán)有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

按照ISO5600-1: 2015[12]，將CONE試樣除受熱面以外的其他5 個(gè)面用鋁箔紙包裹，水平放入不銹鋼樣品架中，然后填充隔熱棉防止熱量散失。電弧點(diǎn)燃木材試樣，熱輻射功率為25 kW/m2和50 kW/m2。采用Excel和Origin軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析楊木燃燒熱釋放特性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輻射功率對楊木熱釋放的影響

圖2 10 mm楊木板材熱釋放速率曲線Fig.2 HRR curves of samples with 10mm thickness

熱釋放速率（HRR）是表征火災(zāi)強(qiáng)度的重要性能參數(shù)，其中峰值熱釋放速率（pk-HRR）反映材料燃燒時(shí)的最大熱釋放程度，是判定火災(zāi)發(fā)展規(guī)模和消防滅火的重要參考依據(jù)[13-14]?？偀後尫帕浚═HR）為材料在試驗(yàn)過程中所釋放的熱量總和，總熱釋放量越大，表示產(chǎn)生的熱量越多，材料在火災(zāi)中的危險(xiǎn)性就越高[15]。楊木徑切板和弦切板在25 kW/m2和50 kW/m2兩種輻射功率下的燃燒測試結(jié)果如圖2 和表1 所示。

表1 10 mm楊木板材燃燒參數(shù)數(shù)據(jù)表Tab.1 Combustion parameter data of samples with 10 mm thickness

由圖2 可知，在25、50 kW/m2兩種輻射強(qiáng)度下，楊木徑切板和弦切板的HRR曲線均有兩個(gè)明顯的熱釋放峰。在燃燒初期階段，楊木板在輻射源持續(xù)作用下，表面開始受熱分解并快速形成第一個(gè)熱釋放峰，比較兩種板材在25 kW/m2與50 kW/m2輻射強(qiáng)度下的第一放熱峰，峰值與出現(xiàn)時(shí)間有明顯差別，均有滯后；在25 kW/m2輻射強(qiáng)度下，弦切板與徑切板第一放熱峰的峰值和出現(xiàn)時(shí)間相差不大；在50 kW/m2輻射強(qiáng)度下，弦切板的第一放熱峰比徑切板的峰值要大，出現(xiàn)時(shí)間略微提前。木材表面燃燒初期會(huì)形成炭化層，炭化層具有一定隔熱隔氧等作用[16-17]，隨著木材的碳化持續(xù)，炭層的隔絕作用使熱釋放速率減小，繼而出現(xiàn)了一段熱釋放速率較穩(wěn)定的狀態(tài)；兩種板材在輻射強(qiáng)度25 kW/m2下的熱釋放速率穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間明顯比50 kW/m2要長；在兩種輻射強(qiáng)度下，弦切板比徑切板的熱釋放速率均要大些，熱釋放速率穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間也要長些。隨著時(shí)間的推移，在熱輻射持續(xù)作用下，炭化層內(nèi)部的木材繼續(xù)受熱分解產(chǎn)生氣體產(chǎn)物，促使炭化層爆裂形成裂紋，導(dǎo)致內(nèi)部木材受熱迅速分解釋放出可燃?xì)怏w，形成第二個(gè)熱釋放峰[18]，兩個(gè)峰值分別對應(yīng)材料剛點(diǎn)燃時(shí)的有焰燃燒階段和后續(xù)材料全面燃燒階段過程，比較兩個(gè)不同熱輻射燃燒時(shí)的熱釋放速率，第二峰值均比第一峰值高，說明第二峰階段試樣燃燒更加激烈，且50 kW/m2輻射下的第二放熱峰值比25 kW/m2輻射下的要高很多、出現(xiàn)時(shí)間要早；楊木板弦切板在兩個(gè)不同熱輻射功率下，第二峰出現(xiàn)的時(shí)間均比徑切板出現(xiàn)的時(shí)間要晚；在25 kW/m2輻射強(qiáng)度下，第二放熱峰峰值弦切板比徑切板要大。

結(jié)合表1 和圖2 來看，在相同熱輻射功率下，楊木弦切板的有關(guān)燃燒參數(shù)（mean-HRR和THR）均高于楊木徑切板；其中平均熱釋放速率（mean-HRR）弦切板分別是徑切板的119.1%和147.3%，總熱釋放量（THR）分別為186.7%和143.6%。比較不同方向楊木板的熱釋放速率峰值（pk-HRR），在25 kW/m2時(shí)，弦切板為242.94 kW/m2，比徑切板的228.61 kW/m2略高；在高輻射強(qiáng)度下的數(shù)值則相近。弦切板峰值出現(xiàn)的時(shí)間均比徑切板要晚，一旦發(fā)生建筑火災(zāi)，楊木弦切板在第二峰強(qiáng)火來臨之前，可提供近1 min的撤離時(shí)間，減少火災(zāi)帶來相應(yīng)的人員財(cái)產(chǎn)損失。在相同條件下，輻射功率增加，木材徑、弦切板被點(diǎn)燃的時(shí)間（TTI）顯著變短，在25 kW/m2時(shí) 分 別 為101 s和110 s，在50 kW/m2時(shí) 分別為13 s和17 s，平均點(diǎn)燃速度加快了將近7.2 倍，同樣試樣的熄火時(shí)間（TTF）也有較大幅度的提前；高輻射強(qiáng)度使木材燃燒更加充分，在相同的時(shí)間內(nèi)熱釋放總量更多，楊木徑切板在25 kW/m2和50 kW/m2下的總熱釋放量分別為40.76 MJ/m2和40.54MJ/m2，兩者之間只有略微差距。

綜上所述，隨著輻射強(qiáng)度的增加, 楊木試樣燃燒加快，更強(qiáng)的外加輻射加速了木材的熱解, 從而燃燒加快；在成炭后期，楊木弦切板比徑切板燃燒較難，這可能與可炭化木材表面阻滯火蔓延特性有關(guān)，在熱作用下木材內(nèi)部水分逸出導(dǎo)致試樣發(fā)生變形，相對于徑切板而言，弦切板試樣收縮形成較致密的成炭表層，因而試樣中可燃?xì)怏w逸出較慢，弦切板試樣熱釋放穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間稍長、第二放熱峰出現(xiàn)稍晚[19]。

2.2 不同受熱面對弦切板的熱釋放影響

在不同加熱方向和25 kW/m2和50 kW/m2兩種不同輻射功率下，對弦切板A和弦切板B進(jìn)行燃燒性能對比試驗(yàn)，測試結(jié)果如圖3 和表2 所示。

結(jié)合圖3 和表2 可知，弦切板A和B在不同輻射強(qiáng)度下，熱釋放速率曲線相似，都有兩個(gè)明顯的熱釋放峰，峰值出現(xiàn)的時(shí)間相差20 s左右，且弦切板B的第二熱釋放峰值出現(xiàn)時(shí)間比弦切板A滯后，弦切板B的熱釋放速率峰值（pk-HRR）都略高于弦切板A；不同輻射強(qiáng)度對試樣的平均熱釋放速率（mean-HRR）的影響在10%左右。在總熱釋放量上均表現(xiàn)出低輻射功率大于高輻射功率，但數(shù)值相差不大。試樣點(diǎn)燃時(shí)間和熄火時(shí)間之間的差值小于10%，但弦切板B的點(diǎn)燃時(shí)間和第二熱釋放峰值出現(xiàn)的時(shí)間均晚于弦切板A。因此，可以得出弦切板靠近樹芯的受熱面要比靠近樹皮較難受火，這是因?yàn)樾牟拿芏却?，?nèi)部孔隙率小，且尺寸穩(wěn)定性比邊材要好[20]，靠近心材部分木材相對致密，可以阻滯氣體從炭層表面逸出的速度，阻止了熱量向內(nèi)部擴(kuò)散[21]。

圖3 不同受熱面弦切板熱釋放速率曲線Fig.3 HRR curves of samples heated A and B

表2 不同受熱面弦切板燃燒參數(shù)數(shù)據(jù)表Tab.2 Combustion parameter data of samples heated A and B

2.3 不同厚度弦切板的熱釋放特性分析

在輻射功率為50 kW/m2條件下，以5 mm為增量，依次對5、10、15、20 mm和25 mm厚楊木弦切板（A和B）進(jìn)行CONE試驗(yàn)，探究厚度變化對楊木弦切板燃燒特性的影響和變化規(guī)律。測試結(jié)果如圖4 和表3 所示。

由圖4 可知，在厚度有限變化中，楊木弦切板熱釋放速率曲線依然具有兩個(gè)熱釋放峰，隨著厚度增加，試樣第二熱釋放峰明顯滯后于第一熱釋放峰，且厚度越大越明顯；5 個(gè)試樣的第一個(gè)熱釋放峰出現(xiàn)的時(shí)間相同，表明材料具有相同升溫和著火階段[22]，在HRR曲線圖上體現(xiàn)高度重合。厚度增加同樣使材料燃燒的時(shí)間延長，第二熱釋放峰的峰值也隨厚度增大而越來越低，呈逐漸減小趨勢。從圖4 可以觀察到15 mm厚楊木弦切板的第二熱釋放峰具有三個(gè)明顯的峰值，峰值分別是510 s時(shí)pk-HRR的227.09 kW/m2、525 s的224.62 kW/m2和535 s時(shí)的225.22 kW/m2，表明在510～535 s之間，木材炭化層經(jīng)歷三次比較強(qiáng)烈的爆裂，導(dǎo)致可燃性氣體析出，使材料發(fā)生劇烈燃燒并產(chǎn)生相應(yīng)的峰[23]。

圖4 不同厚度弦切板熱釋放速率曲線Fig.4 HRR curves of samples with different thickness

圖5 不同厚度弦切板熱電偶溫升曲線Fig.5 Temperature curve of samples with different thickness

木材上表面火的蔓延，其固相內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化存在預(yù)熱階段、熱解階段和炭燃燒階段三個(gè)階段。該研究證實(shí)，上表面火蔓延的預(yù)熱區(qū)域要小于下表面火蔓延，可能是由于下表面的火焰羽流特性——由浮力帶來的上升氣流會(huì)對未燃木材有更強(qiáng)的加熱作用。因此，上表面火蔓延期間可燃物受火焰加熱的時(shí)間較短，燃燒過程相對下表面火焰來講更迅猛；而從熱解時(shí)間和熱解溫度看，兩種火蔓延狀態(tài)差異并不明顯[24-25]。如圖5 所示，木材上表面火焰主要集中在前100 s附近，對應(yīng)圖4 中各樣品HRR曲線的第一熱釋放峰階段。隨著厚度增加，下表面經(jīng)歷預(yù)熱、熱解和炭燃燒的時(shí)間逐漸變長，溫度在木材上下表面的傳遞時(shí)間也逐漸延長。木材熱解產(chǎn)生的能量在下表面主要集中于試樣的固相，而氣相的火焰輻射較低，圖4 的HRR兩個(gè)波峰也證實(shí)此結(jié)論。

圖6 木材燃燒示意圖[8, 25]Fig.6 Wood burning schematic[8, 25]

圖6 為木材燃燒時(shí)其表面和內(nèi)部變化的示意圖。在輻射源持續(xù)加熱下，木材燃燒大致可分為表面炭層、中部熱解區(qū)和底部未熱解區(qū)三個(gè)區(qū)域。其中表面炭層是溫度達(dá)到200～250 ℃時(shí)，木材開始炭（焦）化形成的炭層，能有效隔絕火焰和熱量的傳播[24-25]；炭層向內(nèi)部熱解區(qū)滲透時(shí)，木材表面的有機(jī)質(zhì)組分受熱分解完[24]，會(huì)形成一層薄的灰燼附著在炭層表面，灰燼本身為灰白色，但在50 kW/m2熱輻射功率下會(huì)呈紅色，直到燃燒結(jié)束后，才會(huì)顯出灰白色。熱解區(qū)是木材在熱輻射源和火焰的雙重作用下，木材受熱分解，當(dāng)溫度達(dá)250～280 ℃時(shí)，木材開始劇烈分解，產(chǎn)生大量的一氧化碳、氫氣、甲烷等氣體[24-26]，釋放出的氣體致使炭層破裂，在HRR圖中對應(yīng)第二熱釋放峰階段；當(dāng)試樣厚度增加時(shí)，該過程出現(xiàn)時(shí)間就相應(yīng)延遲，圖4 熱釋放速率曲線中也證實(shí)了此結(jié)論。未熱解區(qū)則是在表面炭層和熱解區(qū)的有限保護(hù)下，試樣暫未達(dá)到熱解溫度，仍保持原有形態(tài)，試樣越厚越明顯。

由圖4 和表3 可知，材料厚度對試樣點(diǎn)燃的時(shí)間（TTI）并無太大影響，材料基本在18 s左右被點(diǎn)燃，并且在圖4 上表現(xiàn)為不同厚度的材料在第一個(gè)熱釋放峰出現(xiàn)的時(shí)間段相同，僅在數(shù)值上有差異，表明相同的材料在被點(diǎn)燃時(shí)，不受材料厚度影響。隨著材料厚度的增加，楊木板在第一個(gè)熱釋放峰之后，火勢趨于穩(wěn)定的時(shí)間隨之延長，在表面炭層和熱解區(qū)的保護(hù)下，熱量向未熱解區(qū)進(jìn)行傳遞的時(shí)間明顯延長；在材料熱釋放上則表現(xiàn)為，pk-HRR和mean-HRR隨著厚度的增加而逐漸降低，其中5 mm的楊木板熱釋放速率峰值明顯高于其他4 種厚度，到達(dá)峰值的時(shí)間也更快；材料的總熱釋放量（THR）呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，當(dāng)厚度大于20 mm以后，上升速率開始放緩?；馂?zāi)增長指數(shù)（FGI）是反應(yīng)材料對熱反應(yīng)的能力，指數(shù)越大，材料在火災(zāi)中危險(xiǎn)性越高[27]，從表3 中可以看出木材越薄在火災(zāi)中的危險(xiǎn)性越高，木材越厚則相對安全。

綜上所述，在50 kW/m2輻射功率下，楊木弦切板隨著厚度的增加，第二熱釋放峰出現(xiàn)的時(shí)間明顯滯后，且峰值和平均熱釋放量隨之越來越小，只有總熱釋放量逐漸上升。一旦發(fā)生火災(zāi)，隨著厚度增加，木材在火災(zāi)中向未熱解區(qū)傳熱的時(shí)間延長，能有效防止火勢蔓延，為救援贏得時(shí)間，從而降低火災(zāi)帶來人身與財(cái)產(chǎn)損失。

3 結(jié)論

1）在相同輻射功率下楊木的熱釋放速率表現(xiàn)為：弦切板大于徑切板、弦切板B面受火時(shí)略大于弦切板A面；在第2 熱釋放峰出現(xiàn)的時(shí)間上則表現(xiàn)為：弦切板滯后于徑切板，弦切板B面受火時(shí)略滯后于弦切板A面。

2）在50 kW/m2的輻射功率下，不同厚度的楊木弦切板熱釋放參數(shù)呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，其中板材厚度越大pk-HRR越小、有效燃燒越小，但總熱釋放量逐漸變大，而第2 熱釋放峰出現(xiàn)的時(shí)間越晚。