壓縮木材消防性能試驗(yàn)研究

摘要：為解決壓縮木材潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)問題，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)壓縮木材消防性能展開相關(guān)探究。利用多參數(shù)火蔓延實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)壓縮木材的火蔓延速度、質(zhì)量損失速率和火焰高度進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，三者變化趨勢(shì)一致，均隨密度增大而減?。浑S厚度增加會(huì)出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，其原因主要是受材料熱慣性影響。而在不同厚度條件下，火蔓延參數(shù)隨密度變化的下降速率會(huì)有不同的變化趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：壓縮木材；建筑材料；消防性能；火災(zāi)隱患；火災(zāi)蔓延

在“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下，壓縮木材憑借其可再生和負(fù)排碳等特性，成為新型木質(zhì)建筑材料的代表，在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用日益廣泛。然而，易燃性制約了其大規(guī)模應(yīng)用，且其在火災(zāi)下的消防性能尚不清楚[1-2]。火蔓延特性是壓縮木材的重要消防性能指標(biāo)。由于壓縮木材存在不同的密度區(qū)間，對(duì)火蔓延行為產(chǎn)生不同程度影響[3]。Zhou Y等[4]發(fā)現(xiàn)壓縮木材的火蔓延速度隨密度增大而減小，但該研究試樣較薄，與實(shí)際應(yīng)用存在差異。真實(shí)火災(zāi)場(chǎng)景中，大量外加熱源對(duì)火蔓延行為影響重大。張笑男等[5]研究發(fā)現(xiàn)輻射強(qiáng)度與火蔓延速度存在一定關(guān)系。因此，結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求，擬開展壓縮木材在外加輻射下的火蔓延實(shí)驗(yàn)研究，分析不同厚度和密度木材的火蔓延行為特征和變化規(guī)律。研究結(jié)果可豐富壓縮木材火蔓延行為的相關(guān)理論，推動(dòng)建筑行業(yè)的綠色發(fā)展與節(jié)能減排。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1" 樣品制備

本實(shí)驗(yàn)選取杉木作為制備壓縮木材的原材料，所選試樣的木紋方向與火蔓延方向平行且表面無明顯木結(jié)，尺寸為600mm（長(zhǎng)）×30mm（寬）。通過壓縮木材制備工藝[3-4]，木材的細(xì)胞孔隙率顯著降低，密度和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，為后續(xù)的火蔓延實(shí)驗(yàn)提供了不同厚度和密度的壓縮木材。壓縮工藝處理前后的樣品圖見圖1，木材壓縮前后的厚度和密度參數(shù)范圍見表1。為了避免含水率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，所有試樣在實(shí)驗(yàn)前均放置于恒溫干燥箱中進(jìn)行干燥處理，確保試樣在低含水率下進(jìn)行測(cè)試。

1.2" 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用自主搭建的多參數(shù)火蔓延測(cè)試平臺(tái)，見圖2，該平臺(tái)由水平輻射加熱面板、樣品臺(tái)、電子天平和攝像機(jī)構(gòu)成。水平輻射加熱面板由12組碳纖維加熱石英管組成，可產(chǎn)生均勻分布的外加輻射熱流；試樣被固定于陶瓷絕緣支撐板，其上表面與輻射面板保持300mm垂直間距。實(shí)驗(yàn)采用4kW/m2作為模擬中小規(guī)?；馂?zāi)場(chǎng)景的輻射強(qiáng)度[6]。實(shí)驗(yàn)前先用輻射板對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行預(yù)熱15min后使木板表面溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，避免實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)樣品表面溫度的變化對(duì)火蔓延過程造成影響。

1.3" 數(shù)據(jù)處理

通過目測(cè)法獲取火蔓延速度和火焰高度，在火焰及樣品旁各設(shè)標(biāo)尺，結(jié)合視頻圖像觀測(cè)記錄熱解前沿位置與火焰高度。通過穩(wěn)定燃燒階段的熱解前沿位置隨時(shí)間的變化關(guān)系，求解其一階導(dǎo)數(shù)得到火蔓延速度；通過對(duì)穩(wěn)定階段的火焰高度求取平均值，即可得到該火蔓延過程中的火焰高度。采用電子天平記錄樣品在燃燒過程中的質(zhì)量變化情況，并據(jù)此繪制質(zhì)量損失曲線，對(duì)此曲線求取一階導(dǎo)數(shù)，從而得到質(zhì)量損失速率，見圖3。

2 結(jié)果與討論

2.1" 火蔓延速度

圖4展示了壓縮木材的火蔓延速度隨密度和厚度的變化?；鹇铀俣入S密度增加而降低，該規(guī)律與前人研究報(bào)道一致[4]。前人發(fā)現(xiàn)密度增加導(dǎo)致火焰高度降低，削弱了火焰對(duì)未燃區(qū)的輻射傳熱，使總熱流減少，進(jìn)而抑制火蔓延速度。對(duì)壓縮木材厚度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，火蔓延速度隨厚度增加出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為4mm。進(jìn)一步分析火蔓延速度隨密度的下降速率，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同厚度的木材，其火蔓延速度隨密度變化的下降斜率存在差異。較薄壓縮木材（2、4mm）的下降斜率明顯大于較厚壓縮木材（6、8、10mm），同時(shí)厚度為8、10mm的壓縮木材下降斜率幾乎趨于一致，表明薄木材的火蔓延速度會(huì)隨著密度的增加而更快地下降，而隨著厚度的增加，其變化速度會(huì)趨于一致。

2.2" 質(zhì)量損失速率

圖5展示了壓縮木材的質(zhì)量損失速率隨密度和厚度的變化情況，其變化趨勢(shì)與火蔓延速度相似。隨著密度增加，質(zhì)量損失速率降低；隨著厚度增加，同樣出現(xiàn)了先增后減的情況，轉(zhuǎn)折點(diǎn)同樣出現(xiàn)在4mm。還發(fā)現(xiàn)較薄壓縮木材（2、4mm）的質(zhì)量損失速率隨密度變化的下降幅度較大，尤其是在中高密度區(qū)間（＞600kg/m3），下降斜率變化更加明顯。較厚壓縮木材（6、8、10mm）質(zhì)量損失速率受密度變化影響較為穩(wěn)定，在整個(gè)密度區(qū)間內(nèi)下降斜率基本保持一致。

2.3" 火焰高度

圖6展示了火焰高度隨密度和厚度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)火焰高度的變化趨勢(shì)與火蔓延速度相似?；鹧娓叨入S密度增大而減小，密度增大會(huì)增加木材的熱慣性，降低熱解區(qū)的溫升速率，減緩熱解可燃?xì)怏w的產(chǎn)生，從而降低火焰高度。此外，火焰高度隨厚度增加出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為4mm。這是由于當(dāng)厚度較小時(shí)，厚度增加會(huì)產(chǎn)生更多的熱解質(zhì)量。在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生和釋放更多的可燃?xì)怏w，從而導(dǎo)致更高的火焰高度。但厚度的進(jìn)一步增加會(huì)提高預(yù)熱區(qū)所需的總熱量，因此，熱解區(qū)的溫升速率降低，火焰高度縮短。進(jìn)一步對(duì)火焰高度隨密度的下降速率展開分析，發(fā)現(xiàn)不同厚度壓縮木材的火焰高度隨密度變化的下降速率相近，表明厚度對(duì)火焰高度隨密度變化的下降速率影響不大。

3 結(jié)束語

本文借助多參數(shù)火蔓延平臺(tái)，對(duì)壓縮木材的火蔓延參數(shù)展開實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，火蔓延速度、質(zhì)量損失速率和火焰高度均隨密度增大而減小，隨厚度增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)均為4mm，這主要是受材料熱慣性的影響。在不同厚度條件下，火蔓延參數(shù)隨密度變化的下降速率會(huì)有不同的變化趨勢(shì)。較薄壓縮木材（2、4mm）的火蔓延速度和質(zhì)量損失速率隨密度變化的下降幅度較大，而較厚壓縮木材（6、8、10mm）的相應(yīng)參數(shù)受密度變化影響較為穩(wěn)定。不同厚度壓縮木材的火焰高度隨密度變化的下降速率相近，表明厚度對(duì)火焰高度隨密度變化的下降速率影響不大。本研究成果豐富了新型木質(zhì)建筑材料消防性能的理論體系，為新型木質(zhì)建筑材料的防火設(shè)計(jì)和大規(guī)模推廣應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]王蘇盼，黃鑫炎，李開源.木質(zhì)材料火災(zāi)研究：前沿與展望[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2021，42（10）：2700-2719.

[2]馬亮杰，吳紅波，王禹.離散燃料火蔓延“V”形和“A”形火焰

前鋒形成機(jī)理[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，64（6）：

1000-1006.

[3]ZhengyangW，YuxinG，YangZ，etal.Pyrolysis andComb-

ustionBehaviorsofDensifiedWood[J].Proceedingsofthe

CombustionInstitute，2023，39（3）：4175-4184.

[4]Zhou Y，Zhou P，Bu R，et al.Horizontal Flame Spread Behavior

of Densified Wood：Effect of Structural Characteristics[J].

Fuel，2024，362：130687.

[5]張笑男，徐斌雁，楊峰歌，等.試樣寬度與外加輻射耦合作用下熱塑性聚合物水平火蔓延特性研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2023，19（8）：73-79.

[6]Yang Z，Binyan X，Xiaonan Z，et al.A Comparative Study on

Horizontal Flame Spread Behaviors of Thermoplastic Polymers

with Different Melt Flow Indexes Under External Radiation[J].

Thermal Science and Engineering Progress，2022，35：101463.