基于CONE的速生人工林杨树木材热释放特性研究∗

尚健雄 胡进波 苌姗姗 于朝阳 刘 元 郑 磊

[1.中南林业科技大学材料科学与工程学院，长沙 410004；2. 希美埃（芜湖）机器人技术有限公司，芜湖 241000]

杨树是我国三大人工林树种之一，具有生长速度快、材质轻、适应性强等特点，在我国种植范围广[1-2]。杨木主要用于人造板、木制家具、实木复合地板基材及墙裙、天花板等建筑材料，其属于可燃物[3-4]。为改善木材阻燃性能，学者们通过化学改性处理木材，有关以氮系、硼系、磷系、金属化合物、含卤阻燃剂、膨胀型等阻燃剂改性木材的报道很多[5-6]。岳孔等[7]研究了杨木经硼酸复配酚醛树脂改性处理前后的燃烧性能，结果表明：处理后的杨木阻燃性能明显提升，达到常规建筑用材要求。对于木材自身燃烧特性，陈鹏等[8]采用0.9～3.0 mm厚木材进行了火蔓延的系统研究；当木材厚度＜1.6 mm时，火蔓延速度和厚度成反比；1.6 mm＜木材厚度＜2.6 mm时，火蔓延容易受到外界条件的影响，瞬时速度震荡加剧；木材厚度＞2.6 mm时，由于木材在燃烧时碳化而阻碍材料内部发生热传递，火蔓延行为不能发生。事实上，木材材性和燃烧时环境因素对燃烧特性有很大影响，木材受热面（弦/径面、上/下面）、木材厚度（＞2.6 mm）、火灾中热辐射大小等都可能影响木材燃烧，但尚未见有这方面的研究报道。

热释放速率是材料燃烧过程中能量释放随时间变化的重要参数，也是建筑消防性能评估中的关键基础数据。锥形量热仪是采用氧消耗原理设计用于测定材料燃烧放热的仪器，氧消耗原理即材料完全燃烧每消耗一单位质量的氧气所释放的热量基本相同[消耗1 kg 氧气释放热量（13 .1±0 .655）MJ]，建筑业使用的多数塑料和其他固体材料均遵循这一规律。因此，发达国家一些标准中均将锥形量热仪法确定为材料燃烧性能测试的标准试验方法[9-11]。

本文选用锥形量热仪，以杨木径切板、弦切板为试验对象，在25 kW/m2和50 kW/m2两种不同辐射功率下测试分析杨木燃烧的热释放速率，探究速生杨木的燃烧特性，以期为速生木材应用于木结构建筑或建筑材料，对其火灾危害性提供较完整的评价。

1 材料与方法

1.1 材料

试材为杨木（Populus L.）板材，规格均为100 mm×100 mm×10 mm（弦×径×纵）的径切板和弦切板，以及长宽不变而厚度分别为5、10、15、20、25 mm的弦切板。杨木板材购自广东鹤山木森科技有限公司，木材等级均为一等材，无节子等缺陷。试样在试验前需保存在温度为（23±2）℃, 相对湿度为（65±5）%的环境中, 以保证质量恒定。每种材料需进行3 组平行试验。径切板和弦切板受火面如图1 所示。

图1 杨木板加热方向示意图Fig.1 Schematic diagram of heating direction of poplar board

1.2 试验设备

FTT型锥形量热仪（英国防火测试技术公司），热电偶及数据采集器（上海思百吉仪器系统有限公司），ARA520 电子天平（瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司），数显游标卡尺（成都成量工具集团有限公司）。

1.3 试验方法

按照ISO5600-1: 2015[12]，将CONE试样除受热面以外的其他5 个面用铝箔纸包裹，水平放入不锈钢样品架中，然后填充隔热棉防止热量散失。电弧点燃木材试样，热辐射功率为25 kW/m2和50 kW/m2。采用Excel和Origin软件对试验数据进行处理，分析杨木燃烧热释放特性。

2 结果与分析

2.1 不同辐射功率对杨木热释放的影响

图2 10 mm杨木板材热释放速率曲线Fig.2 HRR curves of samples with 10mm thickness

热释放速率（HRR）是表征火灾强度的重要性能参数，其中峰值热释放速率（pk-HRR）反映材料燃烧时的最大热释放程度，是判定火灾发展规模和消防灭火的重要参考依据[13-14]。总热释放量（THR）为材料在试验过程中所释放的热量总和，总热释放量越大，表示产生的热量越多，材料在火灾中的危险性就越高[15]。杨木径切板和弦切板在25 kW/m2和50 kW/m2两种辐射功率下的燃烧测试结果如图2 和表1 所示。

表1 10 mm杨木板材燃烧参数数据表Tab.1 Combustion parameter data of samples with 10 mm thickness

由图2 可知，在25、50 kW/m2两种辐射强度下，杨木径切板和弦切板的HRR曲线均有两个明显的热释放峰。在燃烧初期阶段，杨木板在辐射源持续作用下，表面开始受热分解并快速形成第一个热释放峰，比较两种板材在25 kW/m2与50 kW/m2辐射强度下的第一放热峰，峰值与出现时间有明显差别，均有滞后；在25 kW/m2辐射强度下，弦切板与径切板第一放热峰的峰值和出现时间相差不大；在50 kW/m2辐射强度下，弦切板的第一放热峰比径切板的峰值要大，出现时间略微提前。木材表面燃烧初期会形成炭化层，炭化层具有一定隔热隔氧等作用[16-17]，随着木材的碳化持续，炭层的隔绝作用使热释放速率减小，继而出现了一段热释放速率较稳定的状态；两种板材在辐射强度25 kW/m2下的热释放速率稳定持续时间明显比50 kW/m2要长；在两种辐射强度下，弦切板比径切板的热释放速率均要大些，热释放速率稳定持续时间也要长些。随着时间的推移，在热辐射持续作用下，炭化层内部的木材继续受热分解产生气体产物，促使炭化层爆裂形成裂纹，导致内部木材受热迅速分解释放出可燃气体，形成第二个热释放峰[18]，两个峰值分别对应材料刚点燃时的有焰燃烧阶段和后续材料全面燃烧阶段过程，比较两个不同热辐射燃烧时的热释放速率，第二峰值均比第一峰值高，说明第二峰阶段试样燃烧更加激烈，且50 kW/m2辐射下的第二放热峰值比25 kW/m2辐射下的要高很多、出现时间要早；杨木板弦切板在两个不同热辐射功率下，第二峰出现的时间均比径切板出现的时间要晚；在25 kW/m2辐射强度下，第二放热峰峰值弦切板比径切板要大。

结合表1 和图2 来看，在相同热辐射功率下，杨木弦切板的有关燃烧参数（mean-HRR和THR）均高于杨木径切板；其中平均热释放速率（mean-HRR）弦切板分别是径切板的119.1%和147.3%，总热释放量（THR）分别为186.7%和143.6%。比较不同方向杨木板的热释放速率峰值（pk-HRR），在25 kW/m2时，弦切板为242.94 kW/m2，比径切板的228.61 kW/m2略高；在高辐射强度下的数值则相近。弦切板峰值出现的时间均比径切板要晚，一旦发生建筑火灾，杨木弦切板在第二峰强火来临之前，可提供近1 min的撤离时间，减少火灾带来相应的人员财产损失。在相同条件下，辐射功率增加，木材径、弦切板被点燃的时间（TTI）显著变短，在25 kW/m2时 分 别 为101 s和110 s，在50 kW/m2时 分别为13 s和17 s，平均点燃速度加快了将近7.2 倍，同样试样的熄火时间（TTF）也有较大幅度的提前；高辐射强度使木材燃烧更加充分，在相同的时间内热释放总量更多，杨木径切板在25 kW/m2和50 kW/m2下的总热释放量分别为40.76 MJ/m2和40.54MJ/m2，两者之间只有略微差距。

综上所述，随着辐射强度的增加, 杨木试样燃烧加快，更强的外加辐射加速了木材的热解, 从而燃烧加快；在成炭后期，杨木弦切板比径切板燃烧较难，这可能与可炭化木材表面阻滞火蔓延特性有关，在热作用下木材内部水分逸出导致试样发生变形，相对于径切板而言，弦切板试样收缩形成较致密的成炭表层，因而试样中可燃气体逸出较慢，弦切板试样热释放稳定持续时间稍长、第二放热峰出现稍晚[19]。

2.2 不同受热面对弦切板的热释放影响

在不同加热方向和25 kW/m2和50 kW/m2两种不同辐射功率下，对弦切板A和弦切板B进行燃烧性能对比试验，测试结果如图3 和表2 所示。

结合图3 和表2 可知，弦切板A和B在不同辐射强度下，热释放速率曲线相似，都有两个明显的热释放峰，峰值出现的时间相差20 s左右，且弦切板B的第二热释放峰值出现时间比弦切板A滞后，弦切板B的热释放速率峰值（pk-HRR）都略高于弦切板A；不同辐射强度对试样的平均热释放速率（mean-HRR）的影响在10%左右。在总热释放量上均表现出低辐射功率大于高辐射功率，但数值相差不大。试样点燃时间和熄火时间之间的差值小于10%，但弦切板B的点燃时间和第二热释放峰值出现的时间均晚于弦切板A。因此，可以得出弦切板靠近树芯的受热面要比靠近树皮较难受火，这是因为心材密度大，内部孔隙率小，且尺寸稳定性比边材要好[20]，靠近心材部分木材相对致密，可以阻滞气体从炭层表面逸出的速度，阻止了热量向内部扩散[21]。

图3 不同受热面弦切板热释放速率曲线Fig.3 HRR curves of samples heated A and B

表2 不同受热面弦切板燃烧参数数据表Tab.2 Combustion parameter data of samples heated A and B

2.3 不同厚度弦切板的热释放特性分析

在辐射功率为50 kW/m2条件下，以5 mm为增量，依次对5、10、15、20 mm和25 mm厚杨木弦切板（A和B）进行CONE试验，探究厚度变化对杨木弦切板燃烧特性的影响和变化规律。测试结果如图4 和表3 所示。

由图4 可知，在厚度有限变化中，杨木弦切板热释放速率曲线依然具有两个热释放峰，随着厚度增加，试样第二热释放峰明显滞后于第一热释放峰，且厚度越大越明显；5 个试样的第一个热释放峰出现的时间相同，表明材料具有相同升温和着火阶段[22]，在HRR曲线图上体现高度重合。厚度增加同样使材料燃烧的时间延长，第二热释放峰的峰值也随厚度增大而越来越低，呈逐渐减小趋势。从图4 可以观察到15 mm厚杨木弦切板的第二热释放峰具有三个明显的峰值，峰值分别是510 s时pk-HRR的227.09 kW/m2、525 s的224.62 kW/m2和535 s时的225.22 kW/m2，表明在510～535 s之间，木材炭化层经历三次比较强烈的爆裂，导致可燃性气体析出，使材料发生剧烈燃烧并产生相应的峰[23]。

图4 不同厚度弦切板热释放速率曲线Fig.4 HRR curves of samples with different thickness

图5 不同厚度弦切板热电偶温升曲线Fig.5 Temperature curve of samples with different thickness

木材上表面火的蔓延，其固相内部温度随时间的变化存在预热阶段、热解阶段和炭燃烧阶段三个阶段。该研究证实，上表面火蔓延的预热区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——由浮力带来的上升气流会对未燃木材有更强的加热作用。因此，上表面火蔓延期间可燃物受火焰加热的时间较短，燃烧过程相对下表面火焰来讲更迅猛；而从热解时间和热解温度看，两种火蔓延状态差异并不明显[24-25]。如图5 所示，木材上表面火焰主要集中在前100 s附近，对应图4 中各样品HRR曲线的第一热释放峰阶段。随着厚度增加，下表面经历预热、热解和炭燃烧的时间逐渐变长，温度在木材上下表面的传递时间也逐渐延长。木材热解产生的能量在下表面主要集中于试样的固相，而气相的火焰辐射较低，图4 的HRR两个波峰也证实此结论。

图6 木材燃烧示意图[8, 25]Fig.6 Wood burning schematic[8, 25]

图6 为木材燃烧时其表面和内部变化的示意图。在辐射源持续加热下，木材燃烧大致可分为表面炭层、中部热解区和底部未热解区三个区域。其中表面炭层是温度达到200～250 ℃时，木材开始炭（焦）化形成的炭层，能有效隔绝火焰和热量的传播[24-25]；炭层向内部热解区渗透时，木材表面的有机质组分受热分解完[24]，会形成一层薄的灰烬附着在炭层表面，灰烬本身为灰白色，但在50 kW/m2热辐射功率下会呈红色，直到燃烧结束后，才会显出灰白色。热解区是木材在热辐射源和火焰的双重作用下，木材受热分解，当温度达250～280 ℃时，木材开始剧烈分解，产生大量的一氧化碳、氢气、甲烷等气体[24-26]，释放出的气体致使炭层破裂，在HRR图中对应第二热释放峰阶段；当试样厚度增加时，该过程出现时间就相应延迟，图4 热释放速率曲线中也证实了此结论。未热解区则是在表面炭层和热解区的有限保护下，试样暂未达到热解温度，仍保持原有形态，试样越厚越明显。

由图4 和表3 可知，材料厚度对试样点燃的时间（TTI）并无太大影响，材料基本在18 s左右被点燃，并且在图4 上表现为不同厚度的材料在第一个热释放峰出现的时间段相同，仅在数值上有差异，表明相同的材料在被点燃时，不受材料厚度影响。随着材料厚度的增加，杨木板在第一个热释放峰之后，火势趋于稳定的时间随之延长，在表面炭层和热解区的保护下，热量向未热解区进行传递的时间明显延长；在材料热释放上则表现为，pk-HRR和mean-HRR随着厚度的增加而逐渐降低，其中5 mm的杨木板热释放速率峰值明显高于其他4 种厚度，到达峰值的时间也更快；材料的总热释放量（THR）呈现逐渐上升的趋势，当厚度大于20 mm以后，上升速率开始放缓。火灾增长指数（FGI）是反应材料对热反应的能力，指数越大，材料在火灾中危险性越高[27]，从表3 中可以看出木材越薄在火灾中的危险性越高，木材越厚则相对安全。

综上所述，在50 kW/m2辐射功率下，杨木弦切板随着厚度的增加，第二热释放峰出现的时间明显滞后，且峰值和平均热释放量随之越来越小，只有总热释放量逐渐上升。一旦发生火灾，随着厚度增加，木材在火灾中向未热解区传热的时间延长，能有效防止火势蔓延，为救援赢得时间，从而降低火灾带来人身与财产损失。

3 结论

1）在相同辐射功率下杨木的热释放速率表现为：弦切板大于径切板、弦切板B面受火时略大于弦切板A面；在第2 热释放峰出现的时间上则表现为：弦切板滞后于径切板，弦切板B面受火时略滞后于弦切板A面。

2）在50 kW/m2的辐射功率下，不同厚度的杨木弦切板热释放参数呈现出规律性变化，其中板材厚度越大pk-HRR越小、有效燃烧越小，但总热释放量逐渐变大，而第2 热释放峰出现的时间越晚。