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 長沙 410004；2．中南林業(yè)科技大學(xué) 材料與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的逐漸提高，人們對居住環(huán)境的要求也越來越高，這就大力推動(dòng)了建筑行業(yè)的發(fā)展。常見的建筑構(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），從受火開始到構(gòu)件發(fā)生失效的時(shí)間。而我國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)生過程來研究材料耐火性能，實(shí)驗(yàn)爐按照標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(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]。耐火性能測試的目的是評價(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初始平均溫度140 ℃或背火面上任一點(diǎn)位置溫度溫升超過初始溫度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)已成為國際公認(rèn)的研究材料真實(shí)燃燒過程的權(quán)威方法，但是鮮少報(bào)道采用錐形量熱儀來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)生過程，且可以提供材料燃燒過程中熱釋放速率、煙釋放速率等參數(shù)的優(yōu)勢[6]，在錐形量熱儀測試樣品背部埋設(shè)熱電偶，則可以準(zhǔn)確記錄材料背火面溫度變化曲線，即材料的隔熱性。另外，通過實(shí)驗(yàn)過程中觀察樣品開裂等情況，獲得材料是否完整性，以此來評價(jià)材料的耐火性能。

本文以楊木、杉木、泡桐、水泥板、石膏板、鋼板等常見的建筑構(gòu)件為實(shí)驗(yàn)對象，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)合錐形量熱儀對燃燒過程熱釋放、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、阻燃處理等對耐火性能的影響規(guī)律。旨在通過錐形量儀來評價(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OMEGA 公司；熱電偶：XC-24-K-40，美國OMEGA 公司。

1.2 材料

由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類別不同，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以及熱釋放速率曲線如圖1所示。

圖1 纖維板平行試樣背火面溫度曲線

從圖1 可以看出，幾條曲線具有很好的重合度，特別是在200 ℃之前，而在高于200 ℃以上時(shí)，曲線之間間隔變大，說明溫度越高，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，通過考察背火面溫度達(dá)到210 ℃的時(shí)間為耐火時(shí)間，用以評價(jià)材料的耐火性能。并對背火面達(dá)到210 ℃的耐火時(shí)間T210℃以及通過錐形量熱儀得到煙、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，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.5%，測定結(jié)果具有較高的精密度，高的精密度預(yù)示著測試結(jié)果好的準(zhǔn)確度和再現(xiàn)性。這也說明熱電偶數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，可以以背火面單點(diǎn)溫度到達(dá)規(guī)定溫度來評價(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。

圖2 纖維板平行試樣燃燒過程熱釋放HRR 曲線

由圖2可以看出，幾條曲線基本重合，HRR曲線具有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，對于木材熱傳導(dǎo)影響較大，特別是木材背火面溫度曲線可能與之相關(guān)，纖維板平行試樣HRR曲線到達(dá)第2 個(gè)峰值時(shí)的時(shí)間（t2edpeakofHRR）相對標(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）相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為6.3%和6.9%，相對而言，誤差較大。這也是由于木材燃燒過程中出現(xiàn)開裂、裂紋形狀和深度、輕微卷翹等多因素所導(dǎo)致。

對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，說明對于木材燃燒燃燒過程中產(chǎn)生煙的影響因素更為復(fù)雜，燃燒過程中隨機(jī)出現(xiàn)的炭層變形和爆裂對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。

圖3 不同材料背火面溫度曲線

由圖3 可見，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)其背火面升溫過程屬于純粹的導(dǎo)熱過程，在環(huán)境對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“無障礙”通道，使試樣背面溫度迅速升高。鋼板的溫升曲線是近乎以同一個(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 以內(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，延遲周圍環(huán)境溫度的升高。楊木、泡桐木、松木、膠合板背火面溫度曲線趨勢大體類似，因其均為木質(zhì)材料，具有相似的燃燒過程，背火面溫度曲線相似，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。

圖4 不同材料的熱釋放曲線

由圖4 可以看出，瓷磚、鋼板、石膏板這3種材料沒有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，以楊木為例，分析其HRR曲線。楊木的HRR曲線具有2 個(gè)釋放峰，第1 個(gè)釋放峰出現(xiàn)在45 s 左右，對應(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)合熱釋放曲線分析楊木受熱輻射之后背火面溫度曲線，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)熱過程，在環(huán)境對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 ℃，對應(yīng)于HRR曲線中第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，這與HRR曲線在2 個(gè)釋熱峰之間出現(xiàn)的平臺相呼應(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，對應(yīng)于HRR曲線第2 個(gè)釋熱峰階段，即隨著燃燒繼續(xù)，新形成的炭層開始龜裂，熱分解加快，內(nèi)部開始劇烈燃燒，使得熱傳導(dǎo)加快，使背火面開始燃燒[7]。

2.3 試樣厚度對耐火性的影響

圖5 為不同厚度楊木板的背火面溫度曲線。

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，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。不同厚度的楊木板背火面溫度曲線特征很相似，都是經(jīng)歷在100 ℃平臺后迅速升溫，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)，背火面也開始劇烈分解燃燒。

圖6 為楊木板厚度對HRR曲線的影響。

圖6 不同厚度楊木板的HRR 曲線

由圖6 可見，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性關(guān)系。楊木板材厚度與耐火時(shí)間呈線性關(guān)系，線性相關(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)間呈線性關(guān)系，線性相關(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)間線性關(guān)系，線性相關(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性關(guān)系進(jìn)行擬合，線性相關(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，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，THR越大。

圖7 為不同厚度水泥板的背火面溫度曲線。

圖7 不同厚度水泥板的背火面溫度曲線

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。進(jìn)一步對水泥板厚度與耐火時(shí)間進(jìn)行線性擬合，兩者具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98。

2.4 阻燃處理對木板耐火性的影響

采用APP 浸漬液對楊木板進(jìn)行阻燃處理，處理后木材的背火面升溫曲線和HRR曲線見圖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耐火時(shí)間。阻燃處理試樣的HRR曲線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€和HRR 曲線

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

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，測試結(jié)果具有較高的精密度，試驗(yàn)方法穩(wěn)定可靠。對瓷磚、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，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)其背火面升溫過程屬于純粹的導(dǎo)熱過程，在環(huán)境對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中材料耐火性能。