王海暉，朱?鳳，靳邦鑫，Aktar Shamima

錐形量熱儀測試分層樹葉樣品燃燒性中的質(zhì)量效應(yīng)

王海暉，朱?鳳，靳邦鑫，Aktar Shamima

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥 230027)

本文研究具有分層特性的針闊葉樹葉樣品的燃燒性，側(cè)重探討樣品質(zhì)量對熱釋放速率的影響方式和機(jī)制．選取4種典型形狀的樹葉在不同質(zhì)量和含水量條件下開展錐形量熱儀測試，觀測特定輻射熱流作用下熱釋放速率峰值(PHRR)隨樣品參數(shù)設(shè)置的變化規(guī)律．結(jié)果表明，其中3種植物葉樣PHRR隨裝載量的增加而下降，并在超過臨界質(zhì)量后基本持平，而另外一種葉樣的變化則不明顯；隨著含水量減小，同等質(zhì)量樣品的PHRR有所提升．改變質(zhì)量造成樣品PHRR的變化可以歸結(jié)為分層效應(yīng)引起的熱邊界差異．樣品質(zhì)量增加，用于其表層升溫的熱流通量下降，這由同步檢測的消光系數(shù)值變化得到驗證．樹葉分布達(dá)到或超過3層后，其質(zhì)量突破臨界值，基本保證樣品由熱薄材料向熱厚材料轉(zhuǎn)變，其燃燒過程中熱交換趨于穩(wěn)定，熱釋放速率峰值基本不受樣品質(zhì)量影響．形成的認(rèn)識對于建立分層樹葉樣品可燃性以及碳排放測試標(biāo)準(zhǔn)有現(xiàn)實意義．

分層樹葉樣品；燃燒性；熱釋放速率峰值；臨界質(zhì)量；測試標(biāo)準(zhǔn)化

在森林火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展過程中，樹冠葉片及其凋落物發(fā)揮著極其重要的作用．森林火災(zāi)以地表火為主，其蔓延主要通過輻射引燃鄰近的地表可燃物，而地表最理想的可燃物則是堆積的干枯落葉．精準(zhǔn)把握植物葉片的燃燒性，對于植物樣品可燃性分類、森林火災(zāi)的預(yù)防以及潛在林火行為和碳排放的預(yù)測預(yù)報都有重要價值[1-2]．

植物的燃燒性通常指植物燃料在特定火災(zāi)條件下熱釋放的能力，由此評估其在火災(zāi)場合中的作用和對環(huán)境的影響．目前，針對植物葉樣的燃燒性研究已經(jīng)開展了大量的工作．國際上常用的測試設(shè)備有錐形量熱儀及其改進(jìn)型[2-11]．此類設(shè)備以特定輻射源模擬普遍存在的輻射引燃場景，檢測到的參數(shù)包括熱釋放速率、總熱釋放量、質(zhì)量損失速率等．相關(guān)工作主要集中在不同植物葉樣燃燒性的差異以及含水量和物質(zhì)組成對燃燒性影響的研究[1,4,6,9-10]．建立起來的認(rèn)識表明，不同的樹種之間燃燒特性存在差異，主要受到葉片形狀、含水量、葉片組成(質(zhì)量)等因素的影響[1,6,8-10]．

與其他固相燃料不同，樹葉樣品在錐形量熱儀測試中表現(xiàn)獨特．在其點燃和持續(xù)燃燒過程中，熱釋放速率表現(xiàn)為尖銳峰形．樣品受到外部熱源作用后會形成表層效應(yīng)．作為積碳型材料，表層將轉(zhuǎn)化成炭層，阻止外部輻射熱流向內(nèi)層的滲透．這與實際地表火現(xiàn)場觀察到燃燒不充分現(xiàn)象高度吻合[2]．緣于樹葉樣品有別于通常連續(xù)性固體燃料和多孔燃料的特性，將其定義為分層燃料．在近期的論文工作中，作者對其點燃過程中呈現(xiàn)的表層效應(yīng)以及持續(xù)燃燒的效率開展了細(xì)致研究[2,12]．

已有的工作對于認(rèn)識植物葉樣的燃燒性差異具有重要指導(dǎo)意義．但是，由于測試方法上的差異，使得檢測結(jié)果難以相互融合．一方面，由于測試設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)上存在差異，不同研究人員的檢測參數(shù)存在不可比性；另一方面，即使是采用同類設(shè)備進(jìn)行測試，不同的配置和樣品參數(shù)設(shè)定，其結(jié)果研讀上亦有區(qū)別．目前的量熱儀設(shè)備，配備了兩種不同的樣品盒：一種是標(biāo)準(zhǔn)樣品盒，可以消除樣品盒底部和周邊空氣流動的影響；另一種為多孔樣品盒，其特點是底部和四周的空氣流動會造成卷吸邊界[8-10]．前者較適合地表分布燃料的場景，而后者較適合樹冠層分布的燃料情形．另外，盡管這些測試方法已經(jīng)普遍使用，所測得的參數(shù)非常豐富，包含了溫度、質(zhì)量和熱量釋放等諸多信息，但是這些研究只停留在利用這些參數(shù)比較不同樹種和不同含水量樣品燃燒性的層面，并沒有對特定現(xiàn)象的成因和機(jī)理進(jìn)行深入分析，也沒有能夠就構(gòu)建普適的檢測標(biāo)準(zhǔn)予以探討．

為了進(jìn)一步確認(rèn)樹葉樣品分層特性以及熱釋放速率峰值(peaked heat release rate，PHRR)直接受樣品表層屬性影響的機(jī)制和規(guī)律，本文選取具有典型形狀的針闊葉樹葉開展錐形量熱儀測試，觀察不同質(zhì)量和含水量樣品PHRR參數(shù)的變化規(guī)律，研討采用該參數(shù)表征樣品燃燒性的可靠性；與此同時，探討樣品質(zhì)量對PHRR結(jié)果影響的成因和機(jī)制．本項工作對于構(gòu)建分層樹葉樣品燃燒性測試標(biāo)準(zhǔn)提供參考，觀測到的現(xiàn)象和檢測數(shù)據(jù)將成為分層樹葉燃料輻射引燃理論?；闹匾A(chǔ)和依據(jù)．

1?實驗材料和方法

1.1?實驗樣品

選取葉片形狀典型的樹種取樣，采集地為廣東省廣州市華南植物園(北緯23°10～23°11，東經(jīng) 113°21～113°22，海拔20～330m)．樹齡5年生以上較粗樹干，葉片連著枝采下后在低溫條件下封存.選取的樹種名稱、樹葉的厚度(直徑)、密度以及工業(yè)分析結(jié)果見表1．對20余種樹葉開展去除水分?和灰分的元素分析結(jié)果顯示，其C、H、O、N的摩爾比基本為34.3∶2.1∶22.8∶1.0，S含量可以忽略不計[11].

在實驗前，分別對選取的植物葉樣進(jìn)行晾干或在55℃條件下烘干處理，得到不同含水量的樣品. 55℃進(jìn)行烘干不僅可以保證葉樣的形狀不發(fā)生翹曲變形，也保證了葉樣含有的有機(jī)質(zhì)不發(fā)生變化．葉片的含水量由奧豪斯MB-25水分測量儀測試獲得，可重復(fù)性達(dá)到0.2%．測得的含水量數(shù)據(jù)與熱重設(shè)備分析結(jié)果高度一致．

表1?樣品名稱和新鮮樣品的厚度、密度信息以及收到基工業(yè)分析結(jié)果

Tab.1?Thickness and density as well as proximate analysis of plant species adopted in the current study

注：1)工業(yè)分析結(jié)果是根據(jù)樣品分別在惰性氛圍和空氣中的TG結(jié)果確定．

2)馬尾松針橫截面不規(guī)則，直徑在0.54～1.3mm之間變化，但大部分的松針直徑集中在0.60mm．

1.2?實驗裝置及步驟

實驗使用英國Fire Testing Technology Limited (FTT)生產(chǎn)的錐形量熱儀．按照ISO 5660標(biāo)準(zhǔn)配備的測試單元，該設(shè)備能同步檢測標(biāo)準(zhǔn)化的樣品在特定火源作用下形成煙氣、O2、CO和CO2的濃度隨時間動態(tài)變化，由此計算出包括樣品熱釋放速率在內(nèi)的若干表征材料氧化和燃燒以及煙氣特性的動態(tài)參數(shù)值．實驗前，首先對預(yù)熱的錐形量熱儀進(jìn)行校正，管路中抽氣機(jī)空氣的流量調(diào)節(jié)為24L/s．為模擬野外火源輻射點燃的場景[2,11]，系列實驗中設(shè)定的輻射熱流強度分別為55kW/m2和70kW/m2．

將預(yù)先準(zhǔn)備好的樣品稱取所需質(zhì)量，均勻放置在表面尺寸100mm×100mm樣品盒中，通過在樣品盒底部墊石棉層將樣品厚度控制在 10mm．石棉層的上面墊有錫箔紙，以保證邊緣效應(yīng)最小化，同時也便于保存最后的殘留物．為了阻止樣品的翹曲和膨脹，在樣品盒表面罩以1mm粗鐵絲編成的“#”字架．沒有使用隨機(jī)配置隔柵的原因是避免太密的網(wǎng)格以及較粗網(wǎng)格絲對輻射熱流的遮擋作用，同時避免較粗的鐵絲對表面溫度場和流場的影響．實驗中采用葉樣的形狀和擺放方式如圖1所示，與實際野外地表局部落葉分布狀態(tài)貼近．

實驗時，首先設(shè)定錐形爐的功率．將空樣品盒置于電子稱重裝置上，調(diào)節(jié)高度使其位于加熱錐的中心位置下25mm，去皮，再對測試系統(tǒng)進(jìn)行基線掃描 60s．然后將稱量好的樣品均勻放置在樣品盒內(nèi)并重新安置在稱量系統(tǒng)上，隨即打開錐形爐擋板并同時將高壓電火花產(chǎn)生器移至樣品盒正中央離樣品表面較近的位置開始實驗．在熱釋放速率曲線趨于平直并且樣品質(zhì)量基本不變時，結(jié)束實驗．實驗持續(xù)時間在60～360s，取決于所裝載的樣品質(zhì)量．測定出的熱釋放速率(HRR)、消光系數(shù)值均可直接由設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生的后綴csv數(shù)據(jù)文件中讀?。畬γ總€樣品進(jìn)行重復(fù)實驗，重復(fù)測試結(jié)果取平均值．

2?結(jié)果與討論

2.1?基本現(xiàn)象觀察和數(shù)據(jù)分析

對3種葉樣分別取不同的質(zhì)量進(jìn)行實驗，圖2為典型的測試結(jié)果．在55kW/m2輻射強度下含水量28.97%桂花葉不同質(zhì)量情形下觀測到的熱釋放速率隨時間變化，如圖2(a)所示．在外界輻射熱流作用下，樣品受熱分解點燃并燃燒，熱釋放速率出現(xiàn)陡升，并迅速上升至最大值．當(dāng)樣品質(zhì)量很小(質(zhì)量為3.3g)時，熱釋放速率達(dá)到最大值后迅速下降；對于質(zhì)量相對較大(大于7.6g)樣品來說，熱釋放速率峰值有所下降，只是下降幅度有所減緩．圖2(b)為馬尾松針不同質(zhì)量樣品熱釋放速率隨時間的變化曲線．變化趨勢與桂花葉樣觀察到的現(xiàn)象一致，只是在質(zhì)量大于10.6g后，其熱釋放速率峰值基本持平．

相同輻射熱流強度下，含水量11.51%米老排葉樣熱釋放速率隨時間的變化結(jié)果見圖2(c)．對不同質(zhì)量的米老排樣品，其著火的時間基本接近，熱釋放速率曲線的變化趨勢和桂花葉的相似，前期的著火過程類似，但隨著樣品質(zhì)量的增加，熱釋放速率峰值基本持平．這與桂花葉和馬尾松葉樣測試結(jié)果表現(xiàn)出明顯的差異．

對新鮮桂花葉樣分別進(jìn)行晾干和烘干處理，得到含水量分別為48.94%、38.14%和28.97%的樣品，每組桂花葉樣選取7個不同的質(zhì)量在55kW/m2輻射熱流強度下進(jìn)行測試，由于樣品盒的體積有限，含水量為38.14%的樣品選取了6個質(zhì)量點進(jìn)行測試．為了保證對應(yīng)樣品的干基質(zhì)量相等，以新鮮葉樣的質(zhì)量間隔為基準(zhǔn)，通過換算得到晾干和烘干處理的樣品所需設(shè)定的質(zhì)量．如圖3所示，55kW/m2輻射熱流強度下，3組含水率桂花葉樣測試得到的PHRR隨質(zhì)量變化表現(xiàn)出相似的規(guī)律：對于較小質(zhì)量的樣品，隨著質(zhì)量的增加，PHRR逐漸降低；當(dāng)質(zhì)量達(dá)到特定值后，PHRR保持穩(wěn)定，基本不隨質(zhì)量發(fā)生變化[2]．當(dāng)然，對于相同質(zhì)量的樣品來說，其含水量增加會導(dǎo)致PHRR值下降．圖3展示的結(jié)果表明，新鮮桂花葉樣PHRR發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界質(zhì)量在7.6～10.6g之間，晾干的桂花葉樣的臨界質(zhì)量范圍是6.3～8.7g，而烘干的桂花葉樣的臨界質(zhì)量則在3.3～5.4g之間.

圖2　　55kW/m2輻射強度下不同質(zhì)量的樣品熱釋放速率隨時間的變化

圖3　　55kW/m2輻射強度下3種不同含水量的桂花葉樣品的PHRR隨質(zhì)量的變化規(guī)律

在相同輻射熱流強度下，馬尾松針和紅花油茶樹葉和桂花葉相比也展示了相似的變化規(guī)律．對晾干處理后含水量40.89%的馬尾松針和含水量35.51%紅花油茶各選取一組不同質(zhì)量的樣品，在55kW/m2輻射熱流強度下進(jìn)行實驗，將測試得到的熱釋放速率峰值分別對質(zhì)量作圖對照[2]．由圖4可以看出，含水量為40.89%馬尾松針樣品PHRR發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界質(zhì)量范圍是7.6～10.6g，而含水量為35.51%的紅花油茶樣品的臨界質(zhì)量范圍則為5.4～7.6g．

圖4　　含水量為40.89%的馬尾松針、含水量35.51%的紅花油茶葉和含水量為48.94%的桂花葉在55kW/m2輻射強度下測試獲得的PHRR隨質(zhì)量變化曲線

不同輻射熱流強度下，PHRR隨質(zhì)量變化表現(xiàn)出相同的變化趨勢．在55kW/m2和70kW/m2輻射強度下對馬尾松針進(jìn)行實驗，讀取不同質(zhì)量樣品的熱釋放速率峰值并對質(zhì)量作圖，結(jié)果如圖5(a)所示，其中55kW/m2輻射強度下馬尾松針含水量為40.89%，70kW/m2輻射強度下樣品含水量為49.83%．可以看出，馬尾松樣品熱釋放速率峰值隨質(zhì)量均發(fā)生了先降低后保持穩(wěn)定的變化，只是70kW/m2條件下獲得的PHRR在較高水平上變化．熱釋放速率峰值發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界質(zhì)量范圍是7.6～10.6g．值得一提的是，White等[13]利用錐形量熱儀對Toyon樣品不同質(zhì)量進(jìn)行了測試，測試結(jié)果和桂花、紅花油茶這類樣品PHRR隨質(zhì)量增加的變化趨勢相同．但是，由于測試結(jié)果只有一組，缺乏更多的實驗作為佐證，作者并沒有得出相同的結(jié)論．

米老排葉片面積較大，其熱釋放速率峰值隨質(zhì)量變化的規(guī)律相對獨特．對米老排葉片進(jìn)行不同程度的烘干處理，得到含水量分別為11.51%和30.92%的樣品．在55kW/m2和70kW/m2輻射熱流強度下，分別選取6個不同質(zhì)量點進(jìn)行重復(fù)實驗．圖5(b)中55kW/m2輻射強度下米老排葉含水量為11.51%，70kW/m2輻射強度下樣品含水量為30.92%．結(jié)果展示，在不同輻射熱流強度和樣品含水量條件下，米老排葉樣熱釋放速率峰值隨質(zhì)量變化不明顯．

圖5　　不同輻射強度下馬尾松針和米老排葉樣PHRR隨質(zhì)量變化

2.2?樣品質(zhì)量變化引起傳熱特性差異以及對熱釋放速率峰值的影響

圖6將較低質(zhì)量樣品和大質(zhì)量樣品分層布置的結(jié)構(gòu)與傳熱機(jī)制進(jìn)行對比．以新鮮紅花油茶樣品為例：最小質(zhì)量(4.6g)的樣品一般有4片樹葉，可以將樣品盒底部覆蓋，如圖6(a)所示．樣品質(zhì)量大時，如實驗測試的樣品最大質(zhì)量為22.6g，大約有30片葉，在物理上形成7～8層．圖6(b)為分布示意圖．

不同質(zhì)量紅花油茶樣品在接受外界輻射熱源作用時，其傳熱機(jī)制存在差異．小質(zhì)量樣品高度單薄，在外界熱源作用下，自動形成接受熱輻射的表層，也是最后一層．樣品置于錫紙的上面，錫紙的下面是導(dǎo)熱性極差的防火板，保證了底部基本為類似土壤的惰性導(dǎo)熱邊界，極大程度限制了熱量向下傳導(dǎo)引起的熱損．葉片自身較薄，直接受熱輻射層可以看成為熱薄層，此時樣品具有熱薄特性[12]．

對于質(zhì)量較大的葉樣，盡管其表層可以看成熱薄層，而整體則呈現(xiàn)為熱厚屬性[12]．表層的下部為質(zhì)量相對較大的內(nèi)層葉樣．表層吸收外界輻射熱量，一部分用于表層升溫和熱解，另一部分則通過熱傳導(dǎo)傳遞給內(nèi)層．由于葉樣多層排布，葉片之間相互擠壓重疊，熱量難以穿透內(nèi)層傳導(dǎo)到樣品盒底部，相應(yīng)地，無法通過反射施加熱量給樣品，尤其是表層(見圖6(b))．因此，在相同輻射熱源作用下，當(dāng)樣品質(zhì)量較大時，用于表層升溫的熱通量低于單層排布的樣品．Weise等[4]在其研究工作中也曾指出，不同質(zhì)量的樣品進(jìn)行錐形量熱儀實驗時，獲得的PHRR不同，與樣品形成的熱邊界有關(guān)．

圖6?較小質(zhì)量和大質(zhì)量情形樣品配置的傳熱邊界及熱量輸運方式比較

不同質(zhì)量樣品點燃過程中傳熱機(jī)制的差異主要影響促使表層升溫的熱通量．表層接受外界熱輻射能量的差異會波及表層的熱解速率，從而影響揮發(fā)分形成速率，直接表現(xiàn)在改變了PHRR[11,14-15]．樣品在特定輻射熱源作用下形成明火，其熱釋放速率的大小取決于兩個因素：形成的揮發(fā)分質(zhì)量流率以及揮發(fā)分的熱值[2,11,16-17]．對于特定品種樹葉樣品來說，其揮發(fā)分的熱值是固定的，因而隨時間變化的熱釋放速率大小就取決于揮發(fā)分即時質(zhì)量流率，也就是表層中材料熱解產(chǎn)生揮發(fā)分的速率，而表層材料熱解產(chǎn)生揮發(fā)分的速率直接取決于表層材料的升溫速率[11-12]．這從實驗觀測到同一樹種含水率下降導(dǎo)致PHRR提升的現(xiàn)象上得到佐證(參見圖3)．正因為如此，一旦提升外部輻射熱流強度，也會導(dǎo)致PHRR增加(參見圖5(b)).

揮發(fā)分初始擁有量表征樣品所能產(chǎn)生揮發(fā)分最大速率的物質(zhì)基礎(chǔ)，而升溫速率則決定其達(dá)到最大反應(yīng)速率所需要的時間[11]．當(dāng)升溫速率較低時，熱解反應(yīng)速率增長緩慢．因此，在達(dá)到最大值前反應(yīng)物消耗較多，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分產(chǎn)生速率最大值被削減，對應(yīng)的熱釋放速率峰值有所下降；反之，則相反[11,14-15]．這可以由實驗過程中觀測到的消光系數(shù)值隨時間的變化予以確認(rèn)．值是煙粒子濃度的表征參數(shù)．在樣品熱解過程中，生成的煙粒子主要來源于形成氣相火焰的揮發(fā)分，所以值大小對應(yīng)了樣品升溫過程中熱解速率的量階[18-19]．圖7對兩種不同輻射熱流強度下不同樹葉的HRR和值隨時間的變化曲線進(jìn)行了對比．可以看出，質(zhì)量較大的樣品，其值較低，而質(zhì)量較小的樣品值相對較高．這就表明：在著火前期，質(zhì)量較大的樣品熱解速率相對較慢，而質(zhì)量較小的樣品則具有較快的熱解速率，揮發(fā)分可以在較短的時間內(nèi)大量積聚．由圖7還可以看出，在HRR達(dá)到最大值之前，值首先達(dá)到最大值，意味著在著火前期物質(zhì)熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分在不斷積聚，當(dāng)值達(dá)到最大值后出現(xiàn)著火；之后，HRR逐漸增加，直至達(dá)到最大值．著火前期值的變化有效佐證了樣品質(zhì)量對材料熱解速率的直接影響．

由此可見，用于表層升溫的輻射熱流強度直接影響表層材料的熱解速率，進(jìn)而影響了揮發(fā)分質(zhì)量流率的大?。畼悠放挪汲啥鄬?大于兩層)時，吸收外部輻射熱源的熱量有兩個去向：表層物質(zhì)的升溫和向樣品內(nèi)部的熱傳導(dǎo)．也就是說，當(dāng)材料質(zhì)量大于排布成兩層所需要的樣品的質(zhì)量時，用于表層升溫的熱量應(yīng)近似相等，用于形成氣相火焰的熱解揮發(fā)分質(zhì)量流量的最大值也應(yīng)比較接近，決定了熱釋放速率峰值不隨質(zhì)量的增加發(fā)生變化．這就從理論上解釋了當(dāng)樣品質(zhì)量低于特定臨界值時，PHRR隨著質(zhì)量的增加而出現(xiàn)下降；當(dāng)質(zhì)量超過臨界值時，PHRR基本保持不變．米老排葉樣表面積較大，很少的質(zhì)量就會有兩層排布，因而其熱釋放速率峰值基本保持穩(wěn)定，不隨質(zhì)量增加發(fā)生變化．這也是點燃初期形成氣相火焰的揮發(fā)分來自于樣品表層熱解的又一個證明[12]．

圖7?典型葉樣檢測獲得的HRR和K隨時間變化曲線

借助于FTT量熱儀，Jervis Calle[8]采用多孔樣品盒對松針進(jìn)行實驗．實驗觀察到，隨著質(zhì)量的增加，PHRR逐漸增加，而不是減?。划?dāng)質(zhì)量增加到一定值后，PHRR基本不隨質(zhì)量發(fā)生變化．這種變化規(guī)律的差異是由測試用樣品盒以及相應(yīng)的傳熱機(jī)制引起的．帶孔樣品盒底部的自然對流促進(jìn)樣品自身熱量散發(fā)．隨著樣品質(zhì)量的增加，葉片層數(shù)增加，相應(yīng)的內(nèi)部對流效應(yīng)被削弱甚至消失．外界的空氣可以通過樣品盒四周及底部的圓孔進(jìn)入樣品內(nèi)部，空氣的卷吸作用會帶走部分熱解揮發(fā)分．當(dāng)樣品的質(zhì)量較小時，大部分的熱解揮發(fā)分被卷吸到樣品內(nèi)部的流動空氣帶走，導(dǎo)致了用于形成氣相火焰的熱解揮發(fā)分質(zhì)量流率降低．樣品質(zhì)量較大時，樣品對周圍空氣的卷吸作用存在較大的阻力，通過樣品盒四周及底部進(jìn)入樣品內(nèi)部的空氣變少．因此，空氣流動過程中帶走熱解揮發(fā)分的質(zhì)量減少，用于形成氣相火焰的熱解揮發(fā)分質(zhì)量流率降低幅度變?。?/p>

根據(jù)實驗擺放記錄估算得到，桂花擺放單層時，所需葉片的質(zhì)量范圍為3.8～4.8g，對應(yīng)雙層的質(zhì)量為7.6～9.7g．測試得到新鮮桂花葉樣PHRR發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界質(zhì)量為7.6～10.6g．根據(jù)新鮮樹葉排布結(jié)果推算出含水量35.51%的紅花油茶兩層的質(zhì)量為約5.63g(＝2′4.6g′(35.51%/58.0%))，而實驗觀測到的臨界質(zhì)量范圍是5.4～7.6g．實驗觀測到馬尾松針樣品PHRR發(fā)生轉(zhuǎn)變的質(zhì)量在7.6～10.6g之間．由于兩個質(zhì)量測點對應(yīng)的熱釋放速率峰值有較大的差距，其實際臨界質(zhì)量應(yīng)介于兩者之間．經(jīng)排布估算獲得的結(jié)果為9.36g，因而可以縮小其臨界質(zhì)量范圍為9.36～10.6g．米老排葉片個體較大，單片即可覆蓋樣品盒底面．取含水量11.51%樣品2.2g開展實驗，意味著已有兩層以上葉片擺放在樣品盒中，突破熱薄材料的質(zhì)量界限．

在對植物葉樣進(jìn)行錐形量熱儀實驗并用PHRR作為指標(biāo)評定材料的燃燒性時，需要考慮材料屬性的影響．換言之，應(yīng)選取足以構(gòu)成熱厚材料時樣品對應(yīng)的質(zhì)量作為基準(zhǔn)質(zhì)量再進(jìn)行實驗測試，從而消除質(zhì)量對材料燃燒性的影響．當(dāng)然，可以通過實際的實驗嘗試得到不同的植物葉樣熱釋放速率峰值隨質(zhì)量增加發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界質(zhì)量．

值得注意的是，對于所有樹種的葉片來說，個體之間的確存在差異．尤其像紅花油茶葉等，葉片較厚，表面革質(zhì)、不平整，在受熱過程中出現(xiàn)翹曲變形．這類現(xiàn)象會導(dǎo)致樣品在輻射引燃過程中表層質(zhì)量乃至檢測到的熱釋放速率峰值出現(xiàn)某種程度的波動．這也可以歸結(jié)為天然分層燃料的基本屬性．

3?結(jié)?論

(1)植物葉樣熱釋放速率峰值隨著質(zhì)量的變化出現(xiàn)不同的變化規(guī)律與葉片排布的分層特性以及葉片形狀有關(guān)．對于葉片較小的植物葉樣，如桂花、紅花油茶和馬尾松，在一定的質(zhì)量范圍內(nèi)，熱釋放速率峰值隨著質(zhì)量的增加而降低；超過臨界質(zhì)量后，隨質(zhì)量的增加基本不發(fā)生變化．對于葉片較大的植物葉樣，如米老排，其熱釋放速率峰值基本不隨質(zhì)量的增加發(fā)生變化．對于所有形狀的植物葉樣，PHRR隨含水量的增加而減?。?/p>

(2)質(zhì)量變化引起樣品熱釋放速率峰值變化的規(guī)律可以歸結(jié)為分層效應(yīng)以及熱邊界的變化．隨著質(zhì)量的增加，樣品厚度增加，用于表層升溫的熱流率下降，導(dǎo)致表層的熱解產(chǎn)生揮發(fā)分速率降低，這反映在同步測試獲得值水平的變化上．

(3)植物葉樣具有分層特性，使得質(zhì)量較小時具有熱薄屬性，而質(zhì)量較大時則具有熱厚特點．這種改變使得材料的傳熱機(jī)制和效率受到了影響．葉樣排布達(dá)到或超過3層，這就保證了樣品具有熱厚屬性，相應(yīng)地確保樣品熱釋放速率峰值不受質(zhì)量的影響.評估植物葉樣的燃燒性時，采用質(zhì)量大于臨界質(zhì)量的樣品進(jìn)行實驗，基本可以消除樣品質(zhì)量對材料燃燒性的影響．

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Effect of Sample Mass on the Combustibility of Layered Leaf Fuels Under Cone Calorimetric Tests

Wang Haihui，Zhu Feng，Jin Bangxin，Aktar Shamima

(State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China)

In this paper, we studied the combustibility of coniferous and broadleaf samples with layered features, with the emphasis on the impacting mode and mechanism of sample mass on heat release rate. Four typical types of leaves were selected to carry out the cone calorimeter tests under different experimental conditions, and the change of peaked heat release rate (PHRR) with tree species, sample mass and water content under specific external radiant heat flux was monitored throughout the testing. The test results showed that the PHRR of three types of sample leaves decreases with increased sample mass and basically becomes steady after exceeding the critical mass, whereas that of the other leaf type maintains almost unchanged, and that the PHRR of all the samples increases with the decrease of water content. The variation of PHRR with sample mass can be attributed to the change of thermal boundary conditions of a sample resulting from the layered feature. With the increase in sample mass, the heat circulation used for its surface heating slows down, which was verified by the variation ofvalue in the simultaneous measurement of extinction coefficient. Once the distribution of leaves is no less than three layers, the sample mass exceeds its critical value, thus basically ensuring the transition of the sample from thermally thin material to thermally thick one. The heat exchange becomes stable during the combustion, and the peaked heat release rate is basically not affected by the sample mass. The established understanding has practical significance for developing the standards for testing the combustibility of layered leaf samples and their carbon emission efficiency during the combustion.

layered leaf fuels；combustibility；peaked heat release rate；critical sample mass；test standardization

TK448.21

A

1006-8740(2023)01-0011-08

10.11715/rskxjs.R202111026

2021-11-24．

中央財政國家重點實驗室專項經(jīng)費自主課題(SA2320000012).

王海暉（1964—??），男，博士，教授.

王海暉，hhwang4@ustc.edu.cn.

(責(zé)任編輯：隋韶穎)