东北落叶松耐火性能的试验研究

张盛东 程 龙 刘 静

(同济大学建筑工程系，上海200092)

1 引言

木材具有对环境友好、外表美观、加工方便、强度/密度比高、可再生等优点，在人类历史上一直是主要的建筑材料。随着人们对可持续发展的重视，木结构在发达国家得到越来越广泛的应用，在我国也开始了复兴。但木材是一种生物材料，具有可燃性，因而在木结构中的应用受到限制［1］。因此，研究木材的耐火性能以及改进木材耐火性能的方法对木结构的发展具有重要意义。

木材曝火时，自身会发生热分解并释放出可燃性气体，并且会在燃烧过程中释放大量的热，这更助长了火焰的发展。当木材表面温度达到300℃左右时，表面开始炭化，并形成炭化层，随着燃烧深入，炭化层厚度会逐渐加大，炭化层几乎不具有强度，因而木材表面丧失承载力，但木材内部未炭化部分仍具有强度和刚度。炭化层的导热系数很低，因此木材表面的炭化层能够减缓热量向内传递并延缓木材燃烧的速度。

本文通过东北落叶松木材的ISO 834标准［2］火灾燃烧试验确定其耐火性能，同时研究YSW0012型阻燃剂涂刷处理对木材耐火性能的影响作用。

2 试验概况

本次试验在同济大学结构抗火实验室进行，燃烧炉为RX3-24Q燃气式抗火试验炉。试验选用东北落叶松实木，实测密度平均值为690 kg/m3。考虑到重木结构梁、柱等最小截面尺寸要求一般为140 mm(名义尺寸6 in)，同时考虑到木材的炭化速率、燃烧时间，可近似估算木试件燃烧60 min时截面减少的尺寸为78 mm(0.65×60×2=78 mm)，再结合燃烧炉的尺寸，试件的尺寸设计为140 mm×140 mm×800 mm。鉴于对既有建筑进行阻燃处理时，将阻燃剂采用真空加压或浸渍的方法并不现实，本研究采用表面涂敷法，对一半试件各面涂抹三次YS-W0012型阻燃剂，涂抹间隔时间为3小时。受燃烧炉空间及测温设备通道限制，每次燃烧试验燃烧4个试件，2个涂抹阻燃剂，2个不涂抹阻燃剂，同时对其中各1个试件在不同深度处插入热电偶，来测定试件内部的温度变化。温度测点距试件表面距离分别为15 mm、30 mm、45 mm和70 mm，每个测温试件共插入13个热电偶，测点位置见图1。本试验共14个试件，分成四组，试件分组见表1。试验开始前，先对Ⅱ、Ⅳ组试件布置测点，按图1所示位置垂直试件表面钻孔(钻孔直径2 mm)，再插入K形热电偶(直径2 mm，见图2)，其测温范围是0℃～1300℃。

图1 热电偶的位置及试件尺寸Fig.1 The location of thermocouples and sizes of the specimens

表1 试件分组Table 1 List of specimens

试验开始前，每组分别取1个试件放置在试验炉中。木材燃烧试验分四次进行，每次试件燃烧时间分别为15 min、30 min、45 min和60 min。按照根据ISO 834［2］标准升温曲线设定的燃烧程序进行木材燃烧试验，试件四面受火。试验开始后，通过热电偶测定试件不同深度处的温度变化。

图2 K形热电偶Fig.2 Type K thermocouple

每次试验结束后立即打开试验炉门，取出试件，再对试件洒水冷却，最后去除试件表面的炭化层，用游标卡尺测出试件的剩余截面尺寸，从而得到木材的炭化深度。试件燃烧前及燃烧后的照片见图3。

图3 燃烧试验照片Fig.3 Photos of the fire test

3 试验结果及分析

3.1 实测炉温及ISO 834升温曲线

本试验燃烧炉有2个喷火口，分别位于燃烧炉侧壁的上部。试验炉原来设计主要用于钢结构或混凝土结构抗火研究，无法自动调节炉温，因此试验实测(炉内顶部自带两个测温热电偶)温度曲线与标准升温曲线有所区别，见图4。

图4 实测炉温及ISO 834标准升温曲线Fig.4 Measured temperature of furnace and the ISO 834 standard temperature-time curve

炉温1、炉温2的曲线形状几乎完全相同，因此实际炉温可以取两者的均值。从图4可看出，在试验的开始阶段，实际炉温小于标准温度，在炉温为500℃左右时，两者温度相等，此后实际炉温大于标准温度。

造成标准升温曲线与炉内实际温度的差异有许多因素，如炉子的燃烧系统、密封性、试验时周围的环境温度、试件等。该燃烧炉曾做过钢材的燃烧试验，其炉温曲线见图4，图中钢材的炉温曲线与标准升温曲线差异较小。从图4中可得到，60 min燃烧试验中前30 min的炉温与30 min燃烧试验的炉温也有一定的差异。说明本次试验实测炉温与标准温度的差异由多重因素造成，其中由于木材本身原因的影响很大。

3.2 试件内部温度随时间变化

试验主要研究火灾下木材内部的温度场分布情况和木材内部不同深度的温度随时间变化规律以及阻燃剂对木材耐火性能的影响。试验中，各试件内部温度随受火时间增加而逐渐升高，靠近试件表面温度上升快，远离试件表面温度上升慢。图5表示Ⅱ、Ⅳ两组试件在60 min燃烧试验中不同深度处的温度随时间变化曲线。图中虚线和实线分别代表未涂阻燃剂和涂阻燃剂试件的温度—时间曲线(以下各图虚线和实线分别代表未涂阻燃剂和涂阻燃剂试件)。从图中可看出，距试件表面相同深度处，未涂阻燃剂的试件温度均高于涂阻燃剂的试件温度，说明本试验采用的阻燃剂对减缓木材温度升高起了一定的作用。

图5 涂阻燃剂及未涂阻燃剂的试件在不同深度处的温度—时间曲线Fig.5 The temperature-time curve of specimens with and without fire retardant at different depths

3.3 试件内部温度场分布

图6表示涂阻燃剂及未涂阻燃剂的试件在60 min燃烧试验中不同时刻的温度场分布情况。由于炭化层具有良好的隔热作用，延缓了木材内部温度升高，整个炭化层温度梯度很大［3］。图中折线段的斜率反映了试件温度随内部深度的变化率，即温度梯度。为了便于在图中显示，图6比较了涂阻燃剂及未涂阻燃剂的试件分别在5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min时的温度随深度变化曲线。从图中可看出，在试件同一截面处，离表面距离越远，温度上升越慢。涂阻燃剂试件温度梯度大于未涂阻燃剂试件的相应温度梯度，说明阻燃剂起到了一定的作用。随着时间增加，最大温度梯度段在内移，说明炭化线在内移，炭化层厚度增加。

图6 涂阻燃剂及未涂阻燃剂的试件在不同时刻的温度—深度曲线Fig.6 The temperature-depth curve of specimens with and without fire retardant at different time

3.4 试件炭化

木材是可燃性材料，当其燃烧时，自身发生热分解并产生可燃性气体，使木材的质量和截面减小，木材表面形成炭化层。炭化层具有低导热性，阻碍热量传递到木材内部。

国外学者Schaffer［4］和White［5］通过研究，认为木材炭化层形成的起点是当温度分别达到288℃和360℃。EN1995-1-2［6］把300℃作为木材炭化的临界温度［7］，300℃等温线所在的位置称为炭化线。从炭化线到木材初始截面的距离称为炭化深度。木材燃烧过程中，截面尺寸逐渐减小，可采用炭化速率来描述木材的耐火性能。木材的炭化速率定义为木材炭化深度与木材受火时间的比值。当木材表面未受保护时，可通过假定木材的炭化速率为定值［8］，来计算木材的炭化深度及剩余截面尺寸。EN1995-1-2给出针叶材的一维炭化速率为0.65 mm/min。

试验假定木材炭化速率为常数，两侧均匀炭化。试验结束后，去除试件表面炭化层，分别取每个试件的四个截面，用游标卡尺测出试件四边的残余截面尺寸，试件初始截面尺寸与相应残余截面尺寸之差的一半即为试件的炭化深度，据此再计算出各试件分别燃烧15 min、30 min、45 min和60 min的炭化速率。各试件的炭化速率的平均值及标准差见表2，涂阻燃剂及未涂阻燃剂试件的炭化速率的平均值及标准差见表3。

表2 各试件炭化速率的平均值和标准差Table 2 The average value and standard deviation of the charring rate of each specimen mm/min

表3 涂阻燃剂及未涂阻燃剂试件的炭化速率的平均值及标准差Table 3 The average value and standard deviation of the charring rate of specimens with and without fire retardant

从表2可看出，试件燃烧15 min及30 min，未涂阻燃剂的试件的炭化速率均大于涂阻燃剂的;试件燃烧45 min及60 min，出现了涂阻燃剂的试件的炭化速率大于未涂阻燃剂的情况，这表明阻燃剂对木材的保护作用主要在木材开始燃烧的前30 min内，之后对木材的保护作用已不太明显。同时表2中，出现了未涂阻燃剂试件60 min的炭化速率大于45 min的，其可能原因是试验的离散性，也有可能是试件内部温度升高。Yang等［9］报道了这个现象。

图7是对表2中的数据进行线性拟合。木材燃烧60 min，未涂阻燃剂和涂阻燃剂的试件的炭化速率分别是0.517 mm/min和0.494 mm/min，两者数值非常接近;而30 min时的炭化速率分别是0.576 mm/min和0.485 mm/min，前者的炭化速率明显大于后者的，以上说明采用此种阻燃剂并采用涂刷处理方法后在木材燃烧的早期阶段阻燃剂对木材有阻燃作用。

图7 涂阻燃剂及未涂阻燃剂的试件的炭化深度与时间的关系Fig.7 The relationship between charring depth and fire duration of specimens with and without fire retardant

3.5 拐角圆效应

由于矩形截面试件的拐角处同时受到两个方向的热量，其炭化速率会增大，因而在拐角处产生“拐角圆效应”，见图8。本次试验对每个试件各取三个截面，再用圆规和精度为0.5 mm的钢尺测量拐角圆半径，每个截面测出四个拐角处的半径，试件拐角圆半径的平均值及标准差见表4。

图8 拐角圆效应Fig.8 The effect of corner rounding

表4 各试件的拐角圆半径的平均值及标准差Table 4 The average value and standard deviation of the radius of corner rounding of each specimens mm

4 结论

根据本次试验的结果，可得到以下结论:

(1)在同一燃烧时间，试件内部离表面距离越远温度越低。从试件的温度随燃烧时间、深度变化曲线可看出，随燃烧时间增加，木材炭化层逐渐加厚;木材表面炭化层能很好地延缓木材内部温度上升。

(2)木材炭化速率可以很好地用线性公式拟合，表明木材炭化速率是可以预测的，对于本文所采用的含水率约为25%的东北落叶松木材试件，60 min的炭化深度为27～33 mm。

(3)同一燃烧时间时，涂阻燃剂试件的温度值均小于未涂阻燃剂试件的相应温度值;在燃烧15 min和30 min的试验中，未涂阻燃剂试件的炭化速率均大于涂阻燃剂的，但燃烧45 min及60 min的试验中，出现了涂阻燃剂的试件的炭化速率大于未涂阻燃剂的情况，说明采用YSW0012型阻燃剂三次涂刷处理方法，在木材燃烧的早期阶段对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响，本文介绍的是木材耐火性能研究的初步研究，接下来拟对不同树种、不同密度、不同含水率、不同截面尺寸等因素对木材耐火性能的影响进行深入研究。

［1］ 樊承谋.木结构在我国建筑中应用的前景［J］.木材工业，2003，17(3):4-6.Fan Chengmou.Prospect of timber structures for buildings in China［J］.China Wood Industry，2003，17(3):4-6.(in Chinese)

［2］ ISO 834 Fire-resistance tests-elements of building construction-part 1:general requirements［S］.International Organization for Standardization:Geneva，1995.

［3］ Erchinger C，Frangi A，Fontana M.Fire design of steel-to-timber dowelled connections［J］.Engineering Structures，2010，32(2):580-589.

［4］ Schaffer E L.Charring rate of selected woods-transverse to grain［R］.Forest Service Research Paper FPL 69.Forest Products Laboratory:Madison Winsconsin，1967.

［5］ White R H，Schaffer E L.Transient moisture gradient in fire-exposed wood slab［J］.Wood and Fiber，1981，13(1):17-38.

［6］ Eurocode 5-Part 1-2:Design of timber structures.EN1995-1-2:2004:general-structural fire design［S］. European Committee for Standardization，Brussels，Belgium，2004.

［7］ 范新海，张盛东，屈文俊.重型木结构抗火设计方法介绍［J］.结构工程师，2010，26(6):16-20.Fan Xinhai，Zhang Shengdong，Qu Wenjun.Introduction to the fire-resistant design of heavy timber structures［J］.Structural Engineers，2010，26(6):16-20.(in Chinese)

［8］ Konig J.Structural fire design according to Eurocode 5-design rules and their background［J］.Fire and Materials，2005，29(3):147-163.

［9］ Yang T H.The charring depth and charring rate of glued laminated timber after a standard fire exposure test［J］.Building and Environment，2009，44(2):231-236.