自然老化古建筑松木的熱解與燃燒行為特征分析

摘要：為探究自然老化作用對(duì)古建筑木材熱解和燃燒行為特征的影響規(guī)律，選取明代和現(xiàn)代松木為研究對(duì)象，采用形貌分析、熱重分析（TG）、差示掃描量熱法分析（DSC）和錐形量熱儀測(cè)試對(duì)樣品的熱解和燃燒特性進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果表明：自然老化作用會(huì)導(dǎo)致松木內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)破壞、有機(jī)質(zhì)減少，進(jìn)而影響其熱解和燃燒性能，其中明代松木的初始分解溫度較現(xiàn)代松木提前13℃；熱解主要階段，失重率增加8.4%；明代松木在熱解過程中放熱量的降低導(dǎo)致其峰值熱釋放速率和總釋放熱相比現(xiàn)代松木分別降低了34.1%和34.7%。

關(guān)鍵詞：自然老化；古建筑松木；熱解特性；燃燒行為

中國木結(jié)構(gòu)古建筑因其獨(dú)特的建筑風(fēng)格和悠久的發(fā)展歷史而聞名，松木具有優(yōu)良的耐久性與穩(wěn)定性，在皇家宮殿、寺廟等重要建筑中被廣泛運(yùn)用。然而，松木在長(zhǎng)期服役過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)開裂、形變、強(qiáng)度降低等不可逆劣化，導(dǎo)致其耐火性能和火災(zāi)安全性降低[1]，因此，深入探究其熱行為特征，對(duì)古建筑保護(hù)工作具有重要意義。

熱解是木材發(fā)生燃燒的前提，對(duì)于火蔓延過程的發(fā)生、維持均起著關(guān)鍵作用[2]。鄧軍等[3]研究自然老化對(duì)松木的熱行為影響，發(fā)現(xiàn)自然老化作用破壞木材微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分，這是影響其熱解特性的根本原因。Yufei W等[4]采用錐形量熱儀測(cè)試方法，對(duì)6座傳統(tǒng)建筑的古木材進(jìn)行了燃燒特性分析，發(fā)現(xiàn)古軟木在相同條件下的放熱量高于古硬木。龍邈天等[5]發(fā)現(xiàn)古建筑屋外松木易受紫外線作用而發(fā)生更顯著的內(nèi)部有機(jī)成分降解，而屋內(nèi)松木易因蟲蟻蛀蝕和真菌寄生，會(huì)出現(xiàn)明顯的表面蟲洞現(xiàn)象?，F(xiàn)有研究多集中于自然老化木材的損傷行為和熱解特性，對(duì)于自然老化松木熱解與燃燒行為特征缺乏系統(tǒng)研究。本研究以明代松木和現(xiàn)代松木為對(duì)象，深入研究自然老化對(duì)古建筑松木熱解與燃燒行為特征的影響，旨在為木結(jié)構(gòu)古建筑火災(zāi)防控工作提供一定的理論支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1" 試驗(yàn)樣品

由于古建筑的不可再生性和對(duì)其破壞性取樣困難，選用四川省樂山市犍為縣（亞熱帶季風(fēng)氣候）木結(jié)構(gòu)老宅改造過程中拆除的松木為研究對(duì)象。明代松木（老化時(shí)間約400年）的密度為451.4kg/m3、含水率為10.6%；現(xiàn)代松木（老化時(shí)間約10年）的密度為618.1kg/m3、含水率為11.9%。試驗(yàn)樣品的元素分析結(jié)果見表1，可以看出C和O是松木樣品中含量占比最大的兩個(gè)元素。

1.2" 試驗(yàn)分析

微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試：利用高品GP-300C高倍電子顯微鏡放大40倍，觀察木材樣品的微觀結(jié)構(gòu)。

熱重及差熱測(cè)試：使用HQT-4PLUS全自動(dòng)熱分析儀測(cè)試木材樣品的熱穩(wěn)定性。試驗(yàn)在氮?dú)鈿夥障乱?0℃/min的升溫速度從40℃加熱到800℃，同步獲取DSC曲線。

錐形量熱儀測(cè)試：使用VOUCH-6810測(cè)試儀，熱輻射功率為50kW/m2，樣品尺寸為100mm×100mm×10mm，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ISO5660-1：2015/Amd1：2019。

2 結(jié)果與討論

2.1" 微觀結(jié)構(gòu)分析

明代松木因長(zhǎng)期暴露在空氣中，表面出現(xiàn)大量的裂紋和霉菌腐蝕現(xiàn)象，顏色較深暗；現(xiàn)代松木的表面光滑，沒有明顯的開裂情況，損傷程度較小。相比于明代松木，現(xiàn)代松木內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)緊密、纖維線條齊整、孔隙數(shù)量少且直徑更小，說明自然老化造成了木材內(nèi)部孔隙的開裂及擴(kuò)大[6]，嚴(yán)重破壞木材的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)。

2.2" 熱解特性分析

氮?dú)鈿夥障滤赡綯G和DTG曲線見圖1，相關(guān)熱解數(shù)據(jù)見表2。由圖1可以看出，不同年代的松木的熱解曲線變化趨勢(shì)大致相同，二者熱解過程可分為3個(gè)階段：階段一（脫水和干燥）、階段二（熱解）、階段三（炭層裂解）。

第一階段發(fā)生在50～250℃之間，主要是木材中的水分結(jié)合內(nèi)部組分的蒸發(fā)，其中明代松木熱解起始溫度為70℃，較現(xiàn)代松木提前13℃，這是因?yàn)樗赡镜睦匣到猱a(chǎn)生了易燃的自由基。

第二階段對(duì)應(yīng)250～500℃，該階段木質(zhì)素、纖維素和半纖維素迅速分解，產(chǎn)生固體焦炭和焦油等物質(zhì)，并析出大量的可燃?xì)怏w（CO、H2、CH4等），DTG曲線出現(xiàn)一個(gè)峰值。相比于現(xiàn)代松木，明代松木的峰值溫度（368℃）更低，且DTG曲線峰的面積更小，說明自然老化效應(yīng)破壞了松木的有機(jī)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致明代松木在該階段質(zhì)量損失明顯高于現(xiàn)代松木。

第三階段為不穩(wěn)定炭層的裂解階段[3]，對(duì)應(yīng)500～800℃，該階段松木的質(zhì)量損失較小且在高溫下發(fā)生，表明在熱解留下的炭層具有較高的熱穩(wěn)定性，其中明代和現(xiàn)代松木的殘?zhí)苛糠謩e為8.8%和18.6%。

DSC曲線隨溫度變化反映了松木熱解過程中吸收和釋放熱量的情況，明代和現(xiàn)代松木的DSC曲線見圖2。

隨著自然老化的加深，松木熱解的各個(gè)階段向低溫區(qū)域偏移，表明老化時(shí)間長(zhǎng)的松木更容易發(fā)生熱解反應(yīng)。在熱解初期，現(xiàn)代松木的峰面積小于明代松木，說明現(xiàn)代松木在脫水干燥階段吸收的熱量更少，這與其結(jié)構(gòu)致密且孔隙直徑小有關(guān)。隨著木材緩慢放熱，明代和現(xiàn)代松木的熱流曲線逐漸上升至溫度達(dá)到T1，出現(xiàn)第一個(gè)放熱峰。隨著松木中分解的小分子物質(zhì)數(shù)量的增加并達(dá)到燃點(diǎn)，松木迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，DSC曲線出現(xiàn)了第2個(gè)峰，記錄溫度T2。該峰為松木熱解過程主要的放熱峰，明代松木的DSC曲線急速上升，熱解反應(yīng)劇烈，現(xiàn)代松木則表現(xiàn)為緩慢增加的趨勢(shì)。當(dāng)吸收的熱量大于放熱，熱流曲線開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，直至達(dá)到放熱臨界點(diǎn)T3，進(jìn)入炭化階段。受自然老化損傷的影響，松木內(nèi)部有機(jī)組分含量降低，4.5mg明代松木總放熱量約81.2J，相較現(xiàn)代松木（92.5J）減少了11.3J。吸放熱特征參數(shù)見表3。

2.3" 錐形量熱儀分析

松木的燃燒過程可劃分為預(yù)熱、著火、成炭、裂解和熄滅5個(gè)階段。結(jié)合圖3和表4可知，在預(yù)熱階段，松木表面首先發(fā)生熱解反應(yīng)，其中，明代松木表面結(jié)構(gòu)腐蝕嚴(yán)重，造成其與熱源的接觸面積更大、點(diǎn)燃時(shí)間更短。隨著熱輻射時(shí)間延長(zhǎng)，熱量持續(xù)向木材內(nèi)部傳遞，進(jìn)入裂解階段，此時(shí)，內(nèi)部有機(jī)成分受熱分解，熱釋放速率（HRR）值急劇增加并達(dá)到峰值。明代松木在217s時(shí)率先出現(xiàn)峰值（316.9kW/m2），現(xiàn)代松木峰值出現(xiàn)更晚，但其峰值熱釋放速率更高，為480.8kW/m2。由此可見，長(zhǎng)期的自然老化會(huì)加快燃燒進(jìn)程，具體表現(xiàn)為熱釋放速率峰值（PHRR）出現(xiàn)時(shí)間更早，但數(shù)值更低。

總熱釋放值（THR）作為衡量木材火災(zāi)危險(xiǎn)性的關(guān)鍵參數(shù)，能夠反映木材的燃燒強(qiáng)度。在燃燒初期的250s內(nèi)，自然老化前后的松木樣品THR值差異不大，隨著燃燒深入后，明代松木有機(jī)成分不足以維持劇烈燃燒，并率先進(jìn)入熄滅階段，THR值逐漸趨于穩(wěn)定，為71.0MJ/m2；而現(xiàn)代松木內(nèi)部可燃物充足，其燃燒時(shí)間更長(zhǎng)，總放熱量更高，為108.7MJ/m2。這個(gè)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了自然老化作用在降低木材熱穩(wěn)定性的同時(shí)也削弱了木材的燃燒特性。具體而言，明代松木的PHRR、THR值較現(xiàn)代松木分別下降了34.1%和34.7%，燃燒表現(xiàn)更差，這與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重、理化性能劣化有極大關(guān)聯(lián)。

3 結(jié)論

通過對(duì)明代和現(xiàn)代建筑松木進(jìn)行形貌分析和熱行為特征研究，探究自然老化作用對(duì)木材熱解行為的影響，結(jié)果表明：

1）長(zhǎng)時(shí)間的自然老化會(huì)顯著破壞松木的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和有機(jī)組成，致使孔隙開裂及擴(kuò)大，造成不可逆的結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)而導(dǎo)致熱解性能下降嚴(yán)重。

2）自然老化作用會(huì)惡化松木的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致熱解性能的下降，明代松木的熱解起始溫度較現(xiàn)代松木提前7℃，熱解主要階段失重率增加8.4%，熱穩(wěn)定性顯著下降；DSC曲線的各個(gè)階段向低溫區(qū)域偏移，放熱更加迅速，但總放熱量小于現(xiàn)代松木。

3）自然老化作用導(dǎo)致松木有機(jī)成分分解，進(jìn)而在燃燒過程中表現(xiàn)出更低的熱釋放速率和總釋放熱，明代松木的PHRR和THR值相較于現(xiàn)代松木分別降低了34.1%和34.7%。

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