膠合板火焰蔓延特性研究

摘 要： 本文采用兩面臨空垂直燃燒的實(shí)驗(yàn)方法，取代傳統(tǒng)的單體燃燒實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同厚度膠合板的火蔓延特性進(jìn)行研究，得出不同厚度膠合板火焰蔓延的規(guī)律，為膠合板的使用、防火設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 膠合板;火前鋒位置;最大燃燒速率

膠合板是三大人造板材之一，由于其變形小、幅面大、施工方便、橫紋抗拉性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如飛機(jī)、船舶、火車、汽車、建筑和包裝箱等[1-3]。由于膠合板本身具有可燃性，在燃燒時(shí)會(huì)放出大量濃煙和有毒氣體，會(huì)增加建筑物的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。膠合板一旦被點(diǎn)燃將會(huì)釋放出大量的熱量，進(jìn)而會(huì)加速建筑內(nèi)的火勢(shì)蔓延。給火場(chǎng)人員逃生和消防員撲救帶來難度，極易造成重大經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的人員傷亡[4-6]。近年來，由膠合板引發(fā)的火災(zāi)事故越來越多，學(xué)者對(duì)膠合板燃燒的研究進(jìn)度大大加快。不過對(duì)膠合板垂直壁面火蔓延試驗(yàn)研究卻很少，這嚴(yán)重影響了膠合板防火性能的提高及其應(yīng)用。本文以膠合板作為研究對(duì)象，探討了不同板材厚度對(duì)膠合板兩面臨空垂直燃燒的燃燒速率和火前鋒位置的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本次試驗(yàn)采取小尺寸試驗(yàn)，試驗(yàn)材料為不同厚度的膠合板，厚度分別為5 mm、9 mm與12 mm，寬度為20 mm，高度為130 mm，離壁面距離為5 mm。

試驗(yàn)裝置由接物盒、15 cm長(zhǎng)耙型固定釘、100 cm鋼尺、點(diǎn)火器、石膏板壁面和數(shù)碼攝像機(jī)組成。接物盒收集燃燒過程中的滴落物;耙型固定釘固定試驗(yàn)材料，石膏板固定在外圍，以此模擬材料在建筑物外兩面臨空垂直燃燒;在該石膏板上豎向粘貼100 cm 長(zhǎng)的鋼尺，以此來記錄火焰前鋒位置。點(diǎn)火器為點(diǎn)型點(diǎn)火器，人為對(duì)材料進(jìn)行引燃，引燃材料后撤離火源;試驗(yàn)過程中，利用數(shù)碼攝像機(jī)對(duì)試樣火焰前鋒位置數(shù)據(jù)進(jìn)行采集解析。在所有試樣下端20 mm處與上端10 mm處畫線，將材料分為引燃區(qū)、試驗(yàn)區(qū)與預(yù)留區(qū)。先將試樣用耙型釘固定到石膏板上，把試驗(yàn)平臺(tái)上的豎向鋼尺零刻度線對(duì)準(zhǔn)材料下端20 mm畫線處，用點(diǎn)型點(diǎn)火源引燃試樣，當(dāng)燃燒位置到達(dá)試驗(yàn)區(qū)（材料下端20 mm劃線處）時(shí)攝像機(jī)開始攝像記錄燃燒過程。試驗(yàn)過程中，火焰沿豎直方向均質(zhì)向上蔓延，材料表面開始碳化并伴隨著煙氣產(chǎn)生，而后隨火焰豎向蔓延程度越高，材料碳化加深、變脆并且龜裂，隨著燃燒現(xiàn)象的加劇，材料有部分變形翹起，之后材料整體達(dá)到完全燃燒，最后熄滅。試驗(yàn)結(jié)束后，利用視頻解析軟件解析各時(shí)刻火焰前峰位置。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 火前鋒位置

由圖1可以發(fā)現(xiàn)：在前8 s內(nèi)，厚度為9 mm的膠合板火前鋒位置最高，其次是厚度為12 mm的試樣，厚度為 5 mm的試樣火前鋒位置最低。8 s-35 s內(nèi)，12 mm厚試樣和5 mm厚試樣的火前鋒位置大致相同，而9 mm 厚試樣的火前鋒位置在三個(gè)試驗(yàn)組中始終處于最高位置，且比其余兩組試樣大5 cm左右。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，9 mm厚試樣火前鋒位置達(dá)最高值48 cm，比5 mm厚試樣高5 cm，比12 mm厚試樣高10 cm。說明9 mm厚試樣安全性能較差，12 mm厚試樣安全性能最高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，火前鋒位置并非隨厚度增大而增大，而是在厚度9 mm—12 mm之間存在一個(gè)臨界厚度H，達(dá)到臨界厚度H之前，試樣越厚，火焰前鋒位置越高，火蔓延越快，達(dá)到臨界厚度H之后，火蔓延速率變慢。

2.2燃燒速率

為進(jìn)一步研究火蔓延特性的影響因素，通過火焰前鋒位置的變化計(jì)算出燃燒速率。固體可燃物表面燃燒速度一般定義為火焰前鋒位置對(duì)于試樣表面的移動(dòng)速率，具體計(jì)算公式如公式1所示。

式中：Vt為燃燒速率，cm/s;Xp（t+△t）為時(shí)刻火焰前鋒的位置，cm;Xp（t）為t時(shí)刻火焰前鋒的位置，cm。

通過公式（1）計(jì)算出每組的最大燃燒速率，如表1所示。

對(duì)表1分析可得：膠合板在相同寬度、與壁面距離一致的情況下，在厚度9 mm～12 mm之間存在一個(gè)臨界厚度H，在臨界厚度H之前，試樣越厚，最大燃燒速率越慢，達(dá)到臨界厚度H之后，最大燃燒速率隨著厚度的增加而加快。這一發(fā)現(xiàn)與火前鋒位置實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

3 結(jié)論

采用兩面臨空垂直燃燒的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)不同厚度膠合板火蔓延特性進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)膠合板在厚度9 mm～12 mm之間存在臨界厚度H，達(dá)到臨界厚度H之前，火前鋒位置和最大燃燒速率隨厚度的增加而增大，達(dá)到臨界厚度H之后，這種趨勢(shì)逆轉(zhuǎn)，即火前鋒位置和最大燃燒速率隨厚度的增加而減小。

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作者簡(jiǎn)介：羅靜，男，漢族，1982.4，湖北宜昌，在讀博士研究生，西南林業(yè)大學(xué)消防學(xué)院工作，講師，主要研究材料燃燒行為與消防工程。