馬國儒邵路山張玉濤張博王鵬宇

(1.北京建筑材料檢驗研究院有限公司，北京 100041；2.國家建筑防火產(chǎn)品安全質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100041；3.中國船級社質(zhì)量認證公司，北京 100006)

引言

木材具有舒適、環(huán)保、可再生、節(jié)能和抗震等優(yōu)點，廣泛應用于建筑領域。作為天然有機物質(zhì)的木材，主要由纖維素、木質(zhì)素組成，易燃并釋放大量的熱量，極易引發(fā)突發(fā)性火災，威脅人們的生命財產(chǎn)安全，在使用過程中存在很大的局限性[1]。建筑中采用大量木質(zhì)裝修材料，會加大火災荷載和火勢蔓延的速度。另外，木材燃燒過程中會產(chǎn)生大量的有害煙氣，加大了人員疏散的潛在壓力和火災的危險性，對人們的生命財產(chǎn)安全造成極大威脅。世界各地均發(fā)生過因木結構建筑而引發(fā)的大火，造成眾多文物古跡毀于一旦。2018年，擁有二百年歷史的巴西國家博物館發(fā)生火災，大量藏品在大火中被燒毀，造成了無法估量的損失。2019年，法國巴黎發(fā)生了震驚世界的巴黎圣母院大火，大火導致其尖頂坍塌，致使這座歷史悠久的古建筑毀于一旦。為了減少此類事故的發(fā)生，木結構建筑材料防火處理顯得尤為重要。

木結構建筑的安全應用研究主要集中在木材燃燒特性研究和木材阻燃研究2個研究方向[2-5]。木材燃燒特性的研究主要是對木材熱解、燃燒和碳化過程進行試驗研究和理論分析。木材阻燃研究主要包括木材阻燃改性研究[6-9]和木結構防火處理。本文綜述了國內(nèi)外木材阻燃和木結構建筑防火構造的研究進展，并對未來木結構建筑防火技術發(fā)展進行了展望。

1 木結構建筑的燃燒特性

1.1 木材的燃燒

木材遇火后，木材的熱傳遞方式和分解均與外部因素有直接關系。在以往的研究中，Konig[10]認為，木材燃燒時熱傳遞方式分為傳導、對流和輻射3種形式；外部燃燒環(huán)境會將熱量通過傳導方式傳遞到木材內(nèi)部，木材內(nèi)部蒸發(fā)的水分通過對流方式在冷木材區(qū)域重新形成，與此同時，木材表面的炭化會進一步造成對流和輻射的傳熱方式的發(fā)生。Lau等[11]研究認為，外部火場的溫度、木材的樹種和密度等是木材燃燒并分解的主要影響因素，而樹種類別、含水率、滲透率等則是影響木材熱量交換的主要因素；當溫度達到200～400℃時，木材開始燃燒，熱量迅速釋放并達到高值；隨著溫度的增加，炭化層開始形成，在一定程度上能夠阻止熱量向冷木區(qū)傳遞[12]；當溫度達到300℃以上，炭化層開始分解，木材橫切面方向出現(xiàn)小裂紋，隨著炭化深度的增加，裂縫寬度將會加大，裂縫呈鱷魚皮式分布。劉山山[13]等認為，木材燃燒過程可以分為熱分解速度緩慢階段、熱分解速度加快階段、熱分解急劇發(fā)生階段和汽化階段。燃燒初期，基材的燃燒會消耗一部分能量并伴隨惰性氣體(水蒸氣、二氧化碳等)的釋放。隨著燃燒的進一步進行，水分全部蒸發(fā)并產(chǎn)生一氧化碳等可燃氣體。隨后熱解反應加劇，產(chǎn)生更多可燃氣體(乙烯、甲烷等)，并且會產(chǎn)生焦油以及醋酸等分解產(chǎn)物。熱分解過程結束之后，木炭就會發(fā)生燃燒，釋放熱量進入汽化階段并在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生一些易燃及揮發(fā)性的氣體。

基于上述木材燃燒過程的觀點，木材燃燒過程依次可分為干燥準備階段、有焰燃燒階段和無焰燃燒階段。干燥準備階段，溫度升高木材中水開始蒸發(fā)。當溫度達到150～200℃時，木材開始分解，產(chǎn)生水蒸氣、CO2、甲酸和乙酸等惰性氣體。隨后溫度升高，進入有焰燃燒階段。當溫度>200℃后，木材發(fā)生炭化反應，此時會產(chǎn)生少量水蒸氣和CO、甲烷等可燃氣體并伴隨閃燃現(xiàn)象。產(chǎn)生的可燃氣體也會參與燃燒反應，進一步加大燃燒程度，導致溫度進一步升高。當溫度逐步升高至280℃時，木材開始劇烈燃燒，產(chǎn)生大量可燃氣體，進入穩(wěn)定的有焰燃燒階段。隨著燃燒反應的持續(xù)進行，木材的有機成分會被完全分解。此時則標志著有焰燃燒階段的結束，進入無焰燃燒階段。隨著燃燒的進行，可燃氣體的濃度越來越小，氧氣會擴散到炭層表面燃燒，直至完全熄滅。木材燃燒過程非常復雜，往往伴隨火焰燃燒階段、無焰燃燒和陰燃。當可燃氣體的有焰燃燒完成后，炭的無焰燃燒仍可持續(xù)較長的時間[14]。

1.2 木材的炭化

木材易燃，燃燒后表面形成的炭層能夠隔絕基材與外界氧氣和熱量的傳遞。一般認為木材轉化為炭層的溫度為300℃；而在北美，這一溫度被認為是288℃。而在300℃附近木材升溫曲線變化很快，因此取300℃或288℃對判斷炭化深度(炭化深度是指木材的外表面到炭化線所在位置間的距離)并沒有太大的影響。木材在炭化后的結構由外到內(nèi)，可以分為碳化層、熱解層以及木材基層，如圖1所示。木材受熱后，隨著溫度的升高，木材的結構也會發(fā)生很大的變化。當溫度升高至100℃以上時，木材中的水分開始蒸發(fā)。隨著溫度繼續(xù)升高至200℃，此時木材會熱解產(chǎn)生可燃性氣體，導致木材顏色變化和質(zhì)量損失。隨后溫度繼續(xù)升高超過300℃后，則會出現(xiàn)明顯的炭層[15]。

圖1 木材炭化內(nèi)部結構示意圖

木材的炭化速率，一般由炭化深度和受火時間決定。而木材炭化速率的影響因素主要包含材料特性與外部因素。其中，材料特性包括木材的物理形狀、密度、導熱性能及含水率等；外部因素包括受火溫度和氧濃度[16]。具體而言，當密度越大，含水率越高時，木材的炭化速率越緩慢。而當木材的加熱溫度高，通風供氧條件良好時，燃燒速度也會加快。

1.3 木結構建筑燃燒特點

木結構建筑歷史悠久，廣泛應用于宗教、文化、住宅等建筑中，以及大型構筑物與橋梁中。國內(nèi)外學者研究了木結構建筑的燃燒過程，發(fā)現(xiàn)木材的燃燒常常伴隨著火勢蔓延速度快、燃燒劇烈、建筑物易坍塌、撲救及滅火困難等特點。

1.3.1 火勢蔓延速度快

木結構建筑火災載荷大，易燃燒?；馂陌l(fā)生時，高溫煙氣在室內(nèi)沿垂直的木構件迅速向上蔓延并聚集在屋頂。在室內(nèi)良好的空氣對流條件下，高溫煙氣會沿屋頂向四周快速蔓延并迅速到達轟燃階段，導致建筑物的全面燃燒。

1.3.2 燃燒猛烈易垮塌

木結構建筑多使用香樟、松柏等木材，火災荷載較大。另外，木質(zhì)構件通常較為干燥，加之表面涂覆的油漆未做阻燃處理或處理程度不足，極易在木質(zhì)構件的表面形成火勢。隨后，火勢沿木結構邊向整個建筑物迅速蔓延并形成猛烈的立體燃燒，最終造成建筑物全面垮塌。

1.3.3 火災撲救難度大

木結構常見于古建筑應用中，而古建筑大多建造在島嶼、深山等偏僻或者建筑物密集、巷長路窄的地方。這些地方往往伴隨消防水源缺乏、消防車通道不暢、防火間距不足等問題，導致消防人員無法正常開展火災的撲滅工作，延誤火災撲滅的最佳時間，造成人身財產(chǎn)的損失。

1.3.4 滅火困難

與鋼筋混凝土建筑相比，木結構建筑強度較低，燃燒過程中會進一步降低其強度，容易發(fā)生垮塌，加大滅火難度。

1.3.5 木材自身因素

基于木結構建筑燃燒特點，從木材內(nèi)部因素出發(fā)，影響木材燃燒速度的因素有密度、含水量、比表面積和紋理結構等。

方志勇等[17]研究人員對影響木材燃燒的自身因素進行總結，結果顯示，木材的燃燒速度隨木材密度的增大而變慢；含水量越高，燃燒速度越低；比表面積越大，燃燒速度越快；沿平行方向逸出的可燃氣體的量和燃燒速度均大于垂直方向。

2 木結構建筑中木材的阻燃研究

基于木材的燃燒特性，通常對木材進行阻燃處理或進行防火構造處理。木材的阻燃是利用阻燃劑對木材進行處理，從而抑制木材燃燒，達到阻燃的目的。木材阻燃劑的阻燃機理主要包括凝聚相阻燃機理和氣相阻燃機理。凝聚項阻燃機理。在木材內(nèi)部添加或表面涂覆阻燃劑，能夠在木材燃燒過程中形成玻璃狀或穩(wěn)定的泡沫碳化層[18]，隔絕木材基材與外界氧氣和熱量的傳遞，進一步降低可燃物的燃燒，在凝聚相中發(fā)揮阻燃作用，從而起到阻燃目的；一些含磷、硅的化合物，在燃燒過程中會產(chǎn)生含P、Si碎片和能夠促進基材脫水炭化并覆蓋在炭層表面，形成致密炭層；這些炭層能夠很好地隔絕木材基體與外界環(huán)境氧氣和熱量的傳遞，起到了很好屏障保護作用，有效抑制了基體的燃燒強度[19]；另外，一些復配阻燃劑能夠在燃燒過程中產(chǎn)生含有Si-C[20]，P-C[21]等交聯(lián)鍵的致密炭層，有效起到抑煙、抑熱作用。氣相阻燃機理。在木材燃燒過程中，阻燃劑受熱分解會產(chǎn)生CO2、N2、H2O、SO2等惰性氣體，這些惰性氣體能夠稀釋木材產(chǎn)生的熱解產(chǎn)物，起到氣體稀釋效應，減緩燃燒反應。另外，阻燃劑在木材燃燒過程中會產(chǎn)生活性自由基，能夠與燃燒中產(chǎn)生的氫自由基和氫氧自由基發(fā)生反應，中斷燃燒鏈式反應，從而達到阻燃[22]。

木材的阻燃處理主要分為阻燃劑添加法、阻燃劑溶液浸注法和表面涂覆處理法等。

2.1 阻燃劑添加法

阻燃劑添加法是一種在膠粘劑中加入阻燃劑或者在創(chuàng)花、木纖維中拌入阻燃劑的方法。常用于膠合板和創(chuàng)花板等人造板的阻燃處理。木材刨花板膠粘劑分為醛類膠粘劑(也叫三醛膠)、聚氨酯膠粘劑和聚醋酸乙烯酯乳液膠粘劑等。而刨花板膠粘劑常用的阻燃劑大體可分為無機阻燃劑、有機阻燃劑、樹脂型阻燃劑和反應型阻燃劑等。

唐勇等[23]在木材阻燃方向做了很多研究，值得借鑒。以聚乙烯醇(PVA)為原料通過氧化、加成反應制備了含磷雙組分水性聚氨酯木材膠黏劑(P-PU)。將P-PU應用于刨花板，提高了極限氧指數(shù)(LOI)和成炭能力，明顯提高了刨花板的阻燃性能，對阻燃木材的發(fā)展具有積極作用。

2.2 阻燃劑溶液浸注法

阻燃劑溶液浸注法是指在加壓、常壓等條件下，將阻燃劑溶液注入到木材制品中。在不同壓力下，阻燃效果也各不相同，目前國內(nèi)外通常采用常壓浸注法和加壓浸注法。

杉木和泡桐2種木材滲透性好且試件尺寸較小，因此常利用常壓浸注法進行阻燃處理。涂道伍等[24]對杉木和泡桐利用中國科學技術大學研制的KY-Fw木材阻燃劑制備阻燃液，在常溫常壓浸泡7d能夠達到難燃一級的阻燃效果，具有很好的應用價值。

加壓浸漬法是木材阻燃最常用的一種處理方式。王清文等[25]采用真空-加壓法將主要由磷酸脒基脲(GUP)和硼酸組成的阻燃劑FRW處理含水率為12%的紫椴板材。通過錐形量熱儀測試可知，GUP與硼酸之間存在顯著的阻燃協(xié)同效應。FRW可以通過催化木材的脫水反應而改變其熱解反應的途徑，并使其向著有利于生成炭質(zhì)的方向進行，減少了揮發(fā)性可燃物的生成，降低木材燃燒時的熱釋放，從而達到對木材的良好阻燃作用。

2.3 表面涂覆法

在加工成型的木材及其制品表面上涂覆防火涂料，以期達到隔熱隔氧的目的。常用的防火涂料可分為非膨脹型防火涂料和膨脹型防火涂料。表面涂覆具有操作方便、設備簡單、添加量較小，能有效控制火勢蔓延且對木材物理機械性能影響小等優(yōu)點。但是一旦保護層破損，阻燃效果隨即消失。

王奉強[26]合成一種膨脹型水性改性氨基樹脂阻燃涂料，可應用于膠合板中，具有優(yōu)異的阻燃效果。這種阻燃涂料具有熱失重速率小、成炭率高、阻燃性能優(yōu)異等優(yōu)點，并且能夠與膜樹脂具有良好的協(xié)同阻燃作用，形成致密的泡沫結構，表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃和抑煙效能，有效延緩火勢蔓延，降低火災潛在危險性。

3 木結構建筑防火技術

除了對木結構建筑中木材進行阻燃處理，還可以采取被動防火技術與主動防火技術減緩或阻止木結構建筑的燃燒。

3.1 被動防火技術

3.1.1 封裝處理

為了避免木材直接燃燒，通常將一些不燃的礦物棉添加在木龍骨之間，然后在其表面覆蓋一層石膏板。隨后將木構件進行全面包裹，使得構件得到更高的耐火極限。這種用耐火石膏板來包裹裸露木構件以達到防火目標的做法稱為封裝。

另外，設置隔火構造的方法也能夠有效防止火焰、高溫氣體、煙氣在構件內(nèi)傳播。隔火構造分為水平隔火構造和豎向隔火構造[27]，水平隔火構造可以限制火焰在水平構件中傳播，豎向隔火構造則將各個隱蔽空間分隔開來，形成獨立的隔火空間來限制氧氣量以達到限制火焰增長的目的。

3.1.2 設置防火分區(qū)

利用防火門、防火卷簾等設施能夠?qū)⒔ㄖ澐譃椴煌姆謪^(qū)，可以有效地將火災在一定時間內(nèi)限制在局部區(qū)域內(nèi)，減緩火勢蔓延并隔絕煙氣的傳播。采用建筑物劃分防火區(qū)的措施，可以在建筑物發(fā)生火災時，將火災有效控制在一定范圍內(nèi)，減少火災損失，為安全疏散和滅火工作提供有利條件。

1.木柱；2.耐火石膏板；3.木板

3.1.3 設置合理防火間距

防火間距是指相鄰2棟建筑物之間，保持適應火災撲救、人員安全疏散和降低火災時熱輻射的必要間距。IBC[28]和NBC[29]都是根據(jù)開口情況和外墻材料來確定防火間距，其中美國為1.5～3m，加拿大為1.2～2m。德國、瑞典和瑞士規(guī)范規(guī)定了最小的間距數(shù)值，分別為6m、4m和4m。中國規(guī)范關于建筑防火間距規(guī)定，對于不超過3～4層的商務或居住木結構建筑，當外墻門窗洞口面積之和不超過外墻總面積的10%時，兩相鄰建筑物的防火間距應為5～7m。

3.2 主動防火技術

3.2.1 火災探測技術

火災探測系統(tǒng)主要是通過探測燃燒過程中所產(chǎn)生的各種物理、化學現(xiàn)象來實現(xiàn)的，目的是發(fā)現(xiàn)早期火情，保護人們的生命財產(chǎn)安全[30]。對氣、煙、熱、光等火災參量做出有效響應，轉化為計算機可接收的電信號并分析處理。國內(nèi)外探測技術發(fā)展方向主要分為2個[31]，即發(fā)展新的火災判據(jù)、火災識別模式和基于此的火災探測器或復合探測器[32,33]；基于現(xiàn)有的探測器原理方法與其它技術交叉通過改進信號采集和處理方法來改善系統(tǒng)性能[34]。

根據(jù)監(jiān)測的火災特性不同，火災探測器可分為感煙、感溫、感光、復合和可燃氣體等5種類型，每個類型又可根據(jù)其工作原理的不同而分為若干種。同時根據(jù)感應元件的結構不同，可分為點型火災探測器和線性火災探測器。

在設計火災自動報警控制系統(tǒng)時，對于不同的場合應選擇不同的探測器，一般分為感煙探測器、感溫探測器、火焰探測器以及復合探測器等。其中，對火災初期有陰燃階段，產(chǎn)生大量的煙和少量的熱，很少或沒有火焰輻射的場所；使用、生產(chǎn)或聚集可燃氣體或可燃蒸汽的場所，可選用感煙探測器。對火災發(fā)展迅速，有強烈的火焰輻射和少量的煙、熱的場所，則應選擇火焰探測器。另外，電纜隧道、豎井、夾層、橋梁和各種皮帶傳送裝置、配電開關、變壓器等場所，對相對濕度>95%，正常情況下有煙和水蒸氣的場合，如廚房、鍋爐房和洗衣房等場所應選用感溫探測器[30]。復合探測器則適用于火災發(fā)展迅速，可產(chǎn)生大量熱、煙和火災輻射的場所以及裝有聯(lián)動裝置、自動滅火系統(tǒng)以及用單一探測器不能有效確認火災的場所。

3.2.2 滅火技術

滅火技術則是利用氣體、干粉和水等構成的滅火系統(tǒng)，對木材燃燒引發(fā)的火災進行撲滅的技術，可分為氣體滅火系統(tǒng)、超細干粉滅火系統(tǒng)和超細水霧滅火系統(tǒng)。其中，氣體滅火系統(tǒng)是在發(fā)生火災時，對火場噴射二氧化碳、三氟甲烷和七氟丙烷等惰性氣體滅火劑，從而降低火場中氧氣濃度，達到滅火的效果。氣體滅火系統(tǒng)對建筑設施損害小，對建筑的圍護要求較高。與氣體滅火系統(tǒng)相比，超細干粉滅火系統(tǒng)則對建筑的圍護要求較低。在使用過程中可將90%的粒徑≤10μm超細干粉滅火劑微粒射入大氣中，形成煙幕狀氣溶膠[35]，具有比表面積大、活性高、受熱分解速度快、捕獲火焰自由基能力強、滅火效率高等特點，而且具有彌散性、流動性、可壓縮性等氣體滅火劑的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)全淹沒式滅火。另外，超細水霧滅火系統(tǒng)則是使用特殊噴嘴，通過高壓噴射產(chǎn)生水微粒。水霧比表面積增大，更容易吸收熱量，冷卻燃燒反應。超細水霧滅火系統(tǒng)具有滅火效率高、反應快、用水量極少、滅火后對建筑損壞小等特點。

4 結語

針對木結構建筑的火災風險，國內(nèi)外學者提出了改善木材燃燒特性、設置科學合理的防火間距和防火分隔的各項被動防火技術，提升火災探測預警技術，增強滅火能力等科學方法。

對木結構建筑防火技術在防火理念上創(chuàng)新、阻燃材料研發(fā)、防火性能好的工程木產(chǎn)品研發(fā)、新型滅火技術等方面進行了展望。從防火理念上的創(chuàng)新不僅要著眼于木制構件的燃燒性能，還要關注于木制構件的耐火極限的研究。強調(diào)木制構件的耐火極限，可以保證結構在火災中的強度及穩(wěn)定性，為人員逃生創(chuàng)造時間。另外，研發(fā)高效、環(huán)保、無毒的綠色阻燃劑和高性能的阻燃木材，從根源上減少人員在火災中因吸入毒性氣體而死亡?；馂南碌哪窘Y構穩(wěn)定性對于阻止火災的蔓延至關重要，提高木產(chǎn)品(如膠合木、交錯層壓木材、單板層級材等)采用的結構用膠在火災下的性能以及增加噴淋系統(tǒng)均能有效阻止火災蔓延。