基于錐形量熱的建筑材料耐火性能研究

黃自知，王瓊，袁利萍，胡云楚，胡進(jìn)波

（1．中南林業(yè)科技大學(xué) 理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2．中南林業(yè)科技大學(xué) 材料與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的逐漸提高，人們對(duì)居住環(huán)境的要求也越來(lái)越高，這就大力推動(dòng)了建筑行業(yè)的發(fā)展。常見(jiàn)的建筑構(gòu)件包括水泥板、鋼材、石膏板、木板等，在火災(zāi)中的耐火性能決定其使用范圍[1-2]，建筑構(gòu)件的耐火性能是該構(gòu)件在火災(zāi)過(guò)程中能夠起到隔離或承載作用的能力的表征，通常用耐火極限表示。耐火極限是將構(gòu)件置于標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)環(huán)境下（如ISO834 或ASTM E119），從受火開(kāi)始到構(gòu)件發(fā)生失效的時(shí)間。而我國(guó)GB/T 9978.1—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法第1 部分：通用要求》采用多功能耐火實(shí)驗(yàn)爐模擬典型火災(zāi)的發(fā)生過(guò)程來(lái)研究材料耐火性能，實(shí)驗(yàn)爐按照標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)進(jìn)行升溫[T=345 log（8 t+1）+T0，式中T 為爐溫，T0為實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度，t 為時(shí)間]。耐火性能測(cè)試的目的是評(píng)價(jià)建筑構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)受熱和壓力條件下的性能。

由于火災(zāi)可以有2種方式從一個(gè)分隔區(qū)間蔓延到另一個(gè)分隔區(qū)域：一種是由于分割構(gòu)件完整性的破壞而造成火災(zāi)蔓延；另一種是由于分割構(gòu)件過(guò)分受熱導(dǎo)致其背火面溫度高于可接受的溫度造成火災(zāi)蔓延。因此，構(gòu)件應(yīng)滿(mǎn)足的耐火性能通常從以下3 方面進(jìn)行判定：（1）承載能力：承載能力指標(biāo)是為了確定承重構(gòu)架在耐火試驗(yàn)中不出現(xiàn)坍塌的情況下支撐試驗(yàn)載荷的能力；（2）完整性：試件背火面的棉墊被點(diǎn)燃或竄火達(dá)10 s 以上，或者在背火面出現(xiàn)貫通至爐內(nèi)的裂縫、且裂縫的尺寸超過(guò)規(guī)定大小時(shí)，則認(rèn)為試件失去完整性；（3）隔熱性：試件在耐火試驗(yàn)期間持續(xù)保持耐火隔熱性能的時(shí)間。試件背火面的平均溫度溫升超過(guò)初始平均溫度140 ℃或背火面上任一點(diǎn)位置溫度溫升超過(guò)初始溫度180 ℃時(shí)，則認(rèn)為試件失去隔熱性。

由于采用多功能耐火實(shí)驗(yàn)爐研究材料耐火性能要求試樣尺寸比較大，實(shí)驗(yàn)條件苛刻，操作繁瑣，測(cè)試成本昂貴。而錐形量熱分析法因其試驗(yàn)結(jié)果與大型燃燒試驗(yàn)結(jié)果之間具有很好的相關(guān)性，已廣泛地被應(yīng)用在火災(zāi)科學(xué)、消防工程、材料阻燃等領(lǐng)域[3]，現(xiàn)已成為國(guó)際公認(rèn)的研究材料真實(shí)燃燒過(guò)程的權(quán)威方法，但是鮮少報(bào)道采用錐形量熱儀來(lái)獲得材料熱輻射下隔熱性能用以研究材料的耐火性能[4-5]。利用錐形量熱儀可以很好的模擬火災(zāi)發(fā)生過(guò)程，且可以提供材料燃燒過(guò)程中熱釋放速率、煙釋放速率等參數(shù)的優(yōu)勢(shì)[6]，在錐形量熱儀測(cè)試樣品背部埋設(shè)熱電偶，則可以準(zhǔn)確記錄材料背火面溫度變化曲線(xiàn)，即材料的隔熱性。另外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀(guān)察樣品開(kāi)裂等情況，獲得材料是否完整性，以此來(lái)評(píng)價(jià)材料的耐火性能。

本文以楊木、杉木、泡桐、水泥板、石膏板、鋼板等常見(jiàn)的建筑構(gòu)件為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用錐形量熱儀研究不同材料在50 kW/m2輻射下的耐火時(shí)間，結(jié)合錐形量熱儀對(duì)燃燒過(guò)程熱釋放、煙釋放等數(shù)據(jù)分析各種材料的耐火性能，并且探討材料不同厚度、阻燃處理等對(duì)耐火性能的影響規(guī)律。旨在通過(guò)錐形量?jī)x來(lái)評(píng)價(jià)材料耐火性，并深入了解建筑材料特別是木質(zhì)材料傳熱耐火規(guī)律及機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 儀器

錐形量熱儀：FTT0007，英國(guó)FTT 公司；AR A520 電子天平：梅特勒-托利多儀器有限公司；數(shù)據(jù)采集器：OM-DAQ-USB-2401，美國(guó)OMEGA 公司；熱電偶：XC-24-K-40，美國(guó)OMEGA 公司。

1.2 材料

由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類(lèi)別不同，共包括4 組試樣，如表1所示，其中木質(zhì)板材由宜華木業(yè)有限公司提供，經(jīng)烘干處理至含水率為10%左右。

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目與試驗(yàn)材料

1.3 錐形量熱實(shí)驗(yàn)方法

按ISO 5660-1—2002《Reaction-to-fire tests：Heat release，smoke production and mass loss rate：Part 1：Heat release rate（cone calorimeter method）》，將錐形量熱試樣除受熱面外其它所有面用鋁箔紙包裹，放入不銹鋼樣品架中，在鋁箔底部用隔熱棉防止熱量向底部散失。然后在鋼板背面接入熱電偶，并用透明膠粘貼于試樣鋼板中心處，在50 kW/m2熱輻照功率下對(duì)樣品進(jìn)行輻射加熱，熱電偶每秒記錄1 次溫度變化數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)方法的重復(fù)性和誤差分析

5 塊相同形態(tài)纖維板在50 kW/m2熱輻照功率下進(jìn)行平行試驗(yàn)得到的背火面溫度曲線(xiàn)以及熱釋放速率曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 纖維板平行試樣背火面溫度曲線(xiàn)

從圖1 可以看出，幾條曲線(xiàn)具有很好的重合度，特別是在200 ℃之前，而在高于200 ℃以上時(shí)，曲線(xiàn)之間間隔變大，說(shuō)明溫度越高，影響因素越復(fù)雜，誤差越大。根據(jù)GB/T 9978.1—2008，背火面上任一點(diǎn)位置溫度溫升超過(guò)初始溫度180 ℃時(shí)，則認(rèn)為構(gòu)件失去隔熱性。本實(shí)驗(yàn)中初始溫度為30 ℃左右，通過(guò)考察背火面溫度達(dá)到210 ℃的時(shí)間為耐火時(shí)間，用以評(píng)價(jià)材料的耐火性能。并對(duì)背火面達(dá)到210 ℃的耐火時(shí)間T210℃以及通過(guò)錐形量熱儀得到煙、熱釋放參數(shù)等進(jìn)行了誤差分析，結(jié)果如表2所示。其中，

由表2 可知，4 組纖維板平行試樣背火面達(dá)到210 ℃耐火時(shí)間T210℃標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.6 s，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.5%，測(cè)定結(jié)果具有較高的精密度，高的精密度預(yù)示著測(cè)試結(jié)果好的準(zhǔn)確度和再現(xiàn)性。這也說(shuō)明熱電偶數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，可以以背火面單點(diǎn)溫度到達(dá)規(guī)定溫度來(lái)評(píng)價(jià)材料的耐火性能。

表2 纖維板5 個(gè)平行試樣的誤差分析

熱釋放速率（HRR）是表征火災(zāi)強(qiáng)度的重要參數(shù)，廣泛用于描述材料的可燃性和燃燒行為。HRR越大單位時(shí)間內(nèi)燃燒反饋給材料單位面積的熱量就越多，材料的熱解越快，揮發(fā)性可燃物生成量增加，從而加速了火焰的傳播，因此HRR越大材料在火災(zāi)中的危險(xiǎn)性越大。圖2 為5 塊同樣形態(tài)纖維板在50 kW/m2熱輻照功率下進(jìn)行平行試驗(yàn)得到熱釋放速率曲線(xiàn)。

圖2 纖維板平行試樣燃燒過(guò)程熱釋放HRR 曲線(xiàn)

由圖2可以看出，幾條曲線(xiàn)基本重合，HRR曲線(xiàn)具有2個(gè)大的釋熱峰，其中第2 個(gè)釋熱峰代表木材里層的劇烈燃燒，對(duì)于木材熱傳導(dǎo)影響較大，特別是木材背火面溫度曲線(xiàn)可能與之相關(guān)，纖維板平行試樣HRR曲線(xiàn)到達(dá)第2 個(gè)峰值時(shí)的時(shí)間（t2edpeakofHRR）相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.8%，具有優(yōu)異的重現(xiàn)性能。而總熱釋放量（THR）和平均熱釋速率（mHRR）相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為6.3%和6.9%，相對(duì)而言，誤差較大。這也是由于木材燃燒過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂、裂紋形狀和深度、輕微卷翹等多因素所導(dǎo)致。

對(duì)纖維板平行試樣的總煙氣釋放速率（TSR）和總煙釋放量（TSP）進(jìn)行誤差分析，兩者的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均為8.3%，是表1 中所列出參數(shù)中誤差最大的，說(shuō)明對(duì)于木材燃燒燃燒過(guò)程中產(chǎn)生煙的影響因素更為復(fù)雜，燃燒過(guò)程中隨機(jī)出現(xiàn)的炭層變形和爆裂對(duì)煙氣釋放具有重要影響。

2.2 不同材料耐火性能比較

圖3為不同材料的背火面溫度曲線(xiàn)。

圖3 不同材料背火面溫度曲線(xiàn)

由圖3 可見(jiàn)，不同材料耐火時(shí)間具有很大的差異。瓷磚、膠合板、楊木、泡桐木、松木、鋼板、石膏板的耐火時(shí)間依次為147、216、262、278、289、312、566 s。瓷磚、鋼板和石膏板3種不燃燒材料在一定的溫度范圍內(nèi)其背火面升溫過(guò)程屬于純粹的導(dǎo)熱過(guò)程，在環(huán)境對(duì)流和輻射熱的作用下，依靠溫度梯度的作用傳導(dǎo)熱量。瓷磚耐火時(shí)間較短，這是由于瓷磚受高溫輻射而出現(xiàn)裂紋，向材料背火面的熱傳遞提供了“無(wú)障礙”通道，使試樣背面溫度迅速升高。鋼板的溫升曲線(xiàn)是近乎以同一個(gè)升溫速度進(jìn)行傳熱的，升溫均勻，鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/（m·K），相對(duì)而言，傳熱較快，但在高溫區(qū)域，鋼板的耐火性能最佳。石膏板在500 s 以?xún)?nèi)為均勻而緩慢的升溫速率進(jìn)行升溫，以210 ℃為耐火上限，石膏板耐火時(shí)長(zhǎng)566 s，為最佳耐火材料，一方面，是由于石膏板板芯60%左右為微小氣孔，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，傳熱很慢；另一方面，是由于石膏板主體材料CaSO4·2H2O 遇火釋放結(jié)合水釋放大量的熱，延遲周?chē)h(huán)境溫度的升高。楊木、泡桐木、松木、膠合板背火面溫度曲線(xiàn)趨勢(shì)大體類(lèi)似，因其均為木質(zhì)材料，具有相似的燃燒過(guò)程，背火面溫度曲線(xiàn)相似，且耐火時(shí)間比較接近，是由于幾種木材的密度、木材紋理結(jié)構(gòu)等差異比較小，致使耐火時(shí)間相似。

圖4 為不同材料的HRR曲線(xiàn)。

圖4 不同材料的熱釋放曲線(xiàn)

由圖4 可以看出，瓷磚、鋼板、石膏板這3種材料沒(méi)有HRR峰，屬于不燃材料，而膠合板、楊木、泡桐木、松木這4種木質(zhì)材料容易燃燒且具有相似的HRR曲線(xiàn)，以楊木為例，分析其HRR曲線(xiàn)。楊木的HRR曲線(xiàn)具有2 個(gè)釋放峰，第1 個(gè)釋放峰出現(xiàn)在45 s 左右，對(duì)應(yīng)于木材受熱面燃燒，燃燒之后表層木材炭化形成炭化層，炭化層具有隔熱隔氧的作用，對(duì)試樣內(nèi)部的木材產(chǎn)生一定的保護(hù)作用。隨著木材炭化層加厚，木材燃燒速率變得緩慢，因此，第1 個(gè)釋熱峰之后出現(xiàn)一個(gè)平緩的低谷。但是，在熱輻射和高溫作用下，炭化層內(nèi)部的木材繼續(xù)受熱分解產(chǎn)生氣體產(chǎn)物，會(huì)使木材表面的炭化層發(fā)生爆裂形成裂紋，導(dǎo)致內(nèi)部木材直接受到熱輻射的作用而迅速分解釋放出可燃?xì)怏w，形成第2 個(gè)釋熱峰，出現(xiàn)在270 s 附近。

結(jié)合熱釋放曲線(xiàn)分析楊木受熱輻射之后背火面溫度曲線(xiàn)，可以分為4 個(gè)階段：第1 個(gè)階段室溫緩緩升溫到35 ℃，大概需要30 s 左右，木材表層開(kāi)始加熱并即將被點(diǎn)燃，此時(shí)木材內(nèi)層可以看作純粹的導(dǎo)熱過(guò)程，在環(huán)境對(duì)流和熱輻射的作用下，木材表面被加熱，依靠溫度梯度的作用傳導(dǎo)熱量，此時(shí)木材內(nèi)部氣體沒(méi)有產(chǎn)生移動(dòng)，由于木材的導(dǎo)熱系數(shù)很低，而存在于木材內(nèi)水分的比熱容是絕干木材的2 倍左右，傳導(dǎo)的熱量被水分吸收，木材內(nèi)部溫度上升緩慢。第2 個(gè)階段從35 ℃快速升溫到95～100 ℃，對(duì)應(yīng)于HRR曲線(xiàn)中第1 個(gè)釋熱峰，木材受熱面燃燒，大量放熱，使得溫度梯度和熱擴(kuò)散作用增強(qiáng)，且燃燒產(chǎn)生的高溫氣體沿木材內(nèi)流體滲透路徑移動(dòng)導(dǎo)致溫度迅速上升。第3 個(gè)階段在100 ℃左右有一個(gè)短暫的滯留平臺(tái)，這與HRR曲線(xiàn)在2 個(gè)釋熱峰之間出現(xiàn)的平臺(tái)相呼應(yīng)，一方面，由于表層炭化形成隔熱隔氧的屏障，且木炭的導(dǎo)熱系數(shù)低于木材，抑制了傳熱過(guò)程；另一方面，木材中的水分汽化后產(chǎn)生的蒸汽壓促使水蒸氣向木材表面擴(kuò)散，使從燃燒區(qū)向木材內(nèi)部的熱擴(kuò)散速度減小。第3 個(gè)階段為100 ℃左右停留一段時(shí)間。第4 階段為100 ℃左右快速升溫直至木材背火面劇烈燃燒，對(duì)應(yīng)于HRR曲線(xiàn)第2 個(gè)釋熱峰階段，即隨著燃燒繼續(xù)，新形成的炭層開(kāi)始龜裂，熱分解加快，內(nèi)部開(kāi)始劇烈燃燒，使得熱傳導(dǎo)加快，使背火面開(kāi)始燃燒[7]。

2.3 試樣厚度對(duì)耐火性的影響

圖5 為不同厚度楊木板的背火面溫度曲線(xiàn)。

圖5 不同厚度楊木板的背火面溫度

由圖5 可知，5、8、10、15、20、25 mm 厚度的楊木板耐火時(shí)間分別為129、228、287、540、813、1081 s，即隨著厚度的增加，耐火時(shí)間延長(zhǎng)，這是由于板材厚度越厚，表層形成炭層越厚，熱傳遞到背面的時(shí)間越長(zhǎng)。不同厚度的楊木板背火面溫度曲線(xiàn)特征很相似，都是經(jīng)歷在100 ℃平臺(tái)后迅速升溫，直至背火面燃燒。背火面達(dá)到210 ℃時(shí)，也意味著木材背面纖維素和半纖維開(kāi)始分解，而當(dāng)燃燒繼續(xù)向里層推進(jìn)，背火面溫度繼續(xù)升高至250 ℃時(shí)，背火面也開(kāi)始劇烈分解燃燒。

圖6 為楊木板厚度對(duì)HRR曲線(xiàn)的影響。

圖6 不同厚度楊木板的HRR 曲線(xiàn)

由圖6 可見(jiàn)，楊木板厚度增加使第2 個(gè)釋熱峰延遲出現(xiàn)且峰寬增加、峰值降低。這是因?yàn)闂钅景搴穸仍黾友娱L(zhǎng)了傳熱時(shí)間，且前期炭化部分木材阻礙熱和氧氣向內(nèi)部的傳導(dǎo)，而峰的寬窄變化反映了釋熱速度的快慢，木材短時(shí)間內(nèi)全部炭化則熱量發(fā)散速度就快，反之則慢，試樣越薄，燃燒越迅速，所以峰呈尖形，試樣越厚則燃燒緩慢，熱釋放峰則越寬[8]。

由以上分析可以看出，木材背火面溫度和木材第2 個(gè)釋熱峰出現(xiàn)的時(shí)間都隨板材厚度變化而變化，因此，以下分別考察兩者與板材厚度之間的線(xiàn)性關(guān)系。楊木板材厚度與耐火時(shí)間呈線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.99，楊木板厚度與第2 個(gè)釋熱峰出現(xiàn)時(shí)間呈線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.98，表明楊木板耐火時(shí)間和第2 個(gè)釋熱峰出現(xiàn)時(shí)間均與楊木板厚度呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系。另外，在此基礎(chǔ)上分析了楊木板的耐火時(shí)間與第2 個(gè)釋熱峰出現(xiàn)時(shí)間線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.99。表明，同一種木材耐火時(shí)間與燃燒階段息息相關(guān)，耐火時(shí)間表明了木材即將進(jìn)行或正在進(jìn)行第2 次劇烈燃燒。

對(duì)不同厚度的楊木板在50 kW/m2熱輻射下平均熱釋放速率（mHRR）和總熱釋放量（THR）與楊木板厚度之間的線(xiàn)性關(guān)系進(jìn)行擬合，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)分別為0.93 和0.98，表明mHRR和THR均與厚度具有良好線(xiàn)性關(guān)系。楊木板越薄則表層燃燒后形成炭層越薄，抵御火進(jìn)攻能力越差，在很短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)木材內(nèi)部的劇烈燃燒，因而mHRR數(shù)值越大。相反，楊木板越厚則形成炭層越厚，隔熱隔氧持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，延遲木材內(nèi)部劇烈燃燒時(shí)間，mHRR數(shù)值越小，但是由于累積燃燒時(shí)間長(zhǎng)，THR越大。

圖7 為不同厚度水泥板的背火面溫度曲線(xiàn)。

圖7 不同厚度水泥板的背火面溫度曲線(xiàn)

從圖7 可以看出，水泥板耐火時(shí)間隨著水泥板厚度增加而延長(zhǎng)。進(jìn)一步對(duì)水泥板厚度與耐火時(shí)間進(jìn)行線(xiàn)性擬合，兩者具有良好的線(xiàn)性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98。

2.4 阻燃處理對(duì)木板耐火性的影響

采用APP 浸漬液對(duì)楊木板進(jìn)行阻燃處理，處理后木材的背火面升溫曲線(xiàn)和HRR曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。

由圖8 可以看出，未處理?xiàng)钅景迮c阻燃處理?xiàng)钅景迥突饡r(shí)間分別為711、916 s，采用阻燃浸漬處理能有效延長(zhǎng)耐火時(shí)間。阻燃處理試樣的HRR曲線(xiàn)一直在未處理試樣下方，表明采用這種阻燃方式可以有效減少熱釋放量，降低木材燃燒劇烈程度，在高溫下形成熔融態(tài)覆蓋在木材表面，具有良好的隔熱作用。

圖8 浸漬處理?xiàng)钅景宓谋郴鹈嫔郎厍€(xiàn)和HRR 曲線(xiàn)

防火水泥板是在5 mm 水泥板上涂刷膨脹阻燃涂料形成5 mm 厚度的防火涂層。涂覆阻燃防火涂料水泥板背火面升溫曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 涂覆阻燃防火涂料水泥板背火面升溫曲線(xiàn)

由圖9 可以看出，防火水泥板背面溫度上升緩慢，耐火性能最佳，耐火時(shí)間達(dá)到1410 s，這是由于膨脹阻燃涂料燃燒后形成膨脹泡沫炭層，具有有效的隔熱隔氧作用[9]。相比于未涂覆阻燃涂層的5 mm 水泥板，防火水泥板的耐火時(shí)間延長(zhǎng)了1278 s，提高將近10 倍。

3 結(jié)論

采用錐形量熱儀與熱電偶相結(jié)合的方法研究材料耐火性能，4 組纖維板平行實(shí)驗(yàn)的耐火實(shí)驗(yàn)表明，測(cè)試結(jié)果具有較高的精密度，試驗(yàn)方法穩(wěn)定可靠。對(duì)瓷磚、膠合板、楊木、泡桐木、松木、鋼板和石膏板中不同的材料進(jìn)行耐火試驗(yàn)，7種材料耐火時(shí)間依次延長(zhǎng)，其中瓷磚、鋼板和石膏板3種不燃燒材料，在一定的溫度范圍內(nèi)其背火面升溫過(guò)程屬于純粹的導(dǎo)熱過(guò)程，在環(huán)境對(duì)流和輻射熱的作用下，依靠溫度梯度的作用傳導(dǎo)熱量。瓷磚在熱輻射下容易開(kāi)裂，因而其耐火性能較差。石膏板因其板芯60%左右為微小氣孔，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，傳熱很慢，耐火性能最優(yōu)。綜上，不同材料耐火性能與材料結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、密度、阻燃處理等相關(guān)，通過(guò)將錐形量熱儀與熱電偶相結(jié)合的方法，綜合錐形量熱儀數(shù)據(jù)與熱電偶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以有效的研究模擬火場(chǎng)中材料耐火性能。