建筑結構材料對火災擴散的影響研究與分析

摘要：火災是建筑中較為常見且危害較大的災害之一，建筑結構材料的選擇和使用對火災的蔓延具有重要影響。通過對不同建筑結構材料在火災中的表現進行研究和分析，探討材料選擇對火災蔓延的影響機制，并提出減少火災危害的建議。研究表明，合理選擇建筑結構材料，提高其耐火性能，可以有效延緩火災的蔓延速度，為人員疏散和滅火救援工作贏得寶貴時間，減少火災造成的損失。

關鍵詞：建筑結構材料；火災擴散；耐火性能；影響機制

建筑結構材料是建筑物的重要組成部分，其選擇和使用對火災的擴散有著重要影響。因此，研究建筑結構材料對火災擴散的影響機制，對于提高建筑物的火災安全性具有重要意義。

1 建筑結構材料的分類和特性

1.1" 鋼材

鋼材是目前應用最廣泛的建筑結構材料之一，具有強度高、韌性好、可塑性強等優點。常用的建筑鋼材有碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼等。鋼結構具有自重輕、跨度大、施工速度快等特點，在高層建筑、大跨度建筑中應用廣泛。

1.2" 混凝土

混凝土是由膠凝材料、骨料、水和外加劑按一定比例混合并經過硬化而成的復合材料。混凝土具有原材料來源廣泛、強度高、耐久性好、抗火性能優良等特點，是當今建筑工程中用量最大的結構材料。鋼筋混凝土結構結合鋼筋和混凝土兩種材料的優點，在建筑結構中應用最為廣泛。

1.3" 木材

木材是一種可再生的天然材料，具有質輕、強度高、加工方便等特點。木結構在古代建筑中應用廣泛，現代木結構多用于輕型房屋、別墅等低層建筑。但木材的耐火性能較差，在火災中容易燃燒和損壞。

1.4" 其他材料

除鋼材、混凝土、木材外，建筑結構中還應用了一些其他材料，如砌體材料、復合材料等。砌體材料主要包括磚、石、砌塊等，多用于承重墻、基礎等結構。復合材料如玻璃纖維增強塑料（GFRP）、碳纖維增強塑料（CFRP）等，具有高強度、輕質、耐腐蝕等優點，在建筑加固、防護等方面有廣泛應用。

2 建筑結構材料在火災中的表現

2.1" 鋼材在火災中的表現

鋼材導熱系數高，在火災中溫度上升快，強度下降明顯。當鋼材溫度超過300℃時，屈服強度開始下降；超過600℃時，強度下降超過50%。受熱后的鋼構件會發生較大變形，引起結構內力的重新分布，導致結構破壞。鋼材在高溫下還會發生氧化、退化等現象，進一步降低材料性能[1]。因此，鋼結構的耐火設計需要采取保護措施，如涂刷防火涂料、設置防火包覆等，以提高鋼結構的耐火極限。

2.2" 混凝土在火災中的表現

與鋼材相比，混凝土導熱系數低，升溫速度慢，在火災初期能起到一定的隔熱作用。但當混凝土溫度超過300℃時，水泥石會脫水分解，強度開始下降；溫度超過600℃時，混凝土強度下降明顯，內部會產生大量微裂縫，嚴重時會發生爆裂。鋼筋混凝土構件在火災中的破壞主要歸因于鋼筋強度的降低，因此，提高鋼筋的耐火性能對于增強鋼筋混凝土結構的整體耐火性能至關重要。在設計中，可以通過增加混凝土保護層的厚度、設置附加保護層等措施提高構件的耐火極限。

2.3" 木材在火災中的表現

木材因其可燃性強，在火災高溫環境中很容易被引燃。木材燃燒時，表面會形成一層炭化層，該炭化層具有一定的隔熱效能，有助于減緩內部溫度的上升速度。然而，隨著燃燒的持續進行，炭化層會逐漸剝落，導致木材的燃燒速度加快，其強度和剛度會急劇下降，最終導致構件破壞。木結構的耐火設計主要采取阻燃處理以及設置防火保護層等措施，以延緩木材的燃燒和提高構件耐火極限[2]。

2.4" 其他材料在火災中的表現

砌體材料在火災中的表現與混凝土類似，但由于砌體砂漿強度低，在高溫下更容易發生破壞。石材在高溫下易產生開裂、爆裂等現象，強度下降明顯。玻璃在高溫下會軟化、熔融，導致構件變形。塑料材料可燃性強，在火災中容易燃燒，并產生大量有毒煙氣。復合材料的耐火性能取決于基體和增強體材料的特性，通常需要進行專門的耐火設計。

建筑結構材料在火災高溫環境下，會發生性能退化，導致建筑結構破壞。因此，深入研究不同材料在火災中的表現，采取有效的防火保護措施，對于提高建筑結構的整體耐火性能，確保建筑物的火災安全至關重要。同時，加強建筑材料的質量控制，提高材料本身的耐火性能，為建筑火災安全提供可靠保障。

3 建筑結構材料對火災擴散的影響機制

3.1" 材料的導熱性能對火災擴散的影響

材料的導熱性能決定了熱量在材料內部和不同材料間傳遞的速率。導熱系數高的材料，如鋼材，熱量傳遞快，容易加速火災的蔓延；相反，導熱系數低的材料，如混凝土，傳熱慢，可以發揮一定的隔熱作用，從而減緩火勢的擴散。材料的比熱容也會影響其吸熱和散熱能力，進而影響火災溫度的變化[3]。通過合理選用導熱系數低、比熱容大的材料，可以有效延緩火災初期建筑構件溫度的快速上升，為人員疏散及救援工作贏得寶貴時間。同時，在建筑局部采用隔熱性能好的材料設置防火分隔，可以有效控制火災在建筑內部的蔓延范圍。

3.2" 材料的燃燒性能對火災擴散的影響

材料的燃燒性能直接影響火災發展的速度和規模。可燃性強的材料在火災中容易被點燃并快速燃燒，釋放出大量熱量，加速火勢蔓延。燃燒過程中還會產生大量煙氣，加速煙氣在建筑內部迅速擴散，威脅人員安全。木材、塑料等可燃材料燃燒時，火焰蔓延速度快，極易引起火災迅速擴大。相比之下，鋼材、混凝土等不燃材料雖然不會燃燒，但在高溫環境下會發生強度退化，影響建筑結構的穩定性。因此，加強對建筑材料燃燒性能的研究至關重要，提高材料阻燃性能，控制可燃材料的使用，在必要時采取阻燃處理措施，以有效減緩火災的擴散速度。

3.3" 材料的力學性能對火災擴散的影響

材料的力學性能，如強度、剛度、韌性等，在火災高溫環境下會發生退化，導致建筑構件發生變形、破壞，影響建筑結構的整體穩定性，加速火災擴散。例如，鋼材在高溫條件下強度快速下降，引起鋼構件過大變形，可能引發局部坍塌，進而使火勢蔓延至鄰近區域。混凝土在高溫下會出現開裂、爆裂現象，導致保護層脫落，使鋼筋直接暴露于火焰中，進一步削弱結構承載力[4]。木材在燃燒過程中會發生炭化，導致截面減小，承載力下降，引起構件破壞。因此，提高材料在高溫下的力學性能對于遏制火災擴散至關重要。可以采取設置保護層、噴涂隔熱材料等措施，以提高建筑構件的耐火極限，延緩力學性能的退化，維持建筑結構的整體穩定性，阻止火災蔓延。

4 提高建筑結構材料耐火性能的措施

4.1" 選擇高耐火性能的材料

選用耐火性能好的建筑結構材料，是提升建筑火災安全性的基礎。材料的耐火性能主要取決于可燃性、導熱性、高溫力學性能等因素。在材料選擇時，應優先選用不燃或難燃材料，如混凝土、磚石、耐火鋼材等。這些材料在火災高溫下不易燃燒或燃燒速度慢，能有效阻止火勢蔓延。

對于鋼結構而言，可以選用耐火型鋼材，如耐火鋼、耐候鋼等，這些鋼材在高溫下強度和剛度下降的幅度較小，能維持較長時間的承載力。混凝土可以使用高強混凝土、輕質混凝土等，以提高混凝土的耐高溫性能。在某些特殊場所，還可以采用新型耐火材料，如陶瓷基復合材料、耐火隔熱涂料等，以進一步提高建筑的耐火性能。選材時還應考慮材料在高溫下的熱工性能。導熱系數較低的材料傳熱速度較慢，有助于延緩火勢蔓延，隔熱保溫材料如巖棉、陶瓷纖維等可用于填充墻體、樓板等建筑構件，以提高其隔熱性能。

4.2" 采用阻燃處理技術

對于一些難以避免使用的可燃材料，可以采用阻燃處理技術來提高其耐火性能。阻燃處理的目的是抑制材料的燃燒過程，減緩火勢的蔓延速度，為人員的安全疏散和火災撲救贏得時間。常見的阻燃處理方法包括阻燃涂料涂覆、阻燃劑浸漬、阻燃材料貼面等。

木材作為建筑中常用的可燃材料之一，可以采用阻燃涂料或阻燃劑進行表面處理，在木材表面形成一層保護層，遇火時可以產生絕熱和隔氧效果，延緩木材的燃燒過程。一些電纜、管線等關鍵設施也可以采用阻燃材料包裹，提高其耐火完整性。

阻燃處理的效果受材料種類、處理工藝、使用環境等多種因素影響，因此，在實際應用中需要根據具體情況合理選擇阻燃技術和材料，以確保最佳的阻燃效果。同時，阻燃材料在使用過程中可能會因為環境、時間等因素導致其性能發生退化，需要定期檢查和維護，必要時及時更換。

4.3" 優化結構設計

合理的建筑結構設計可以延緩火災擴散，提高建筑整體的耐火性能。在建筑設計中，應合理劃分防火分區，設置防火墻、防火卷簾等設施，以有效限制火災在建筑內部的蔓延。對于鋼結構等敏感構件，可以采取耐火保護措施，例如，涂覆防火涂料、設置防火包覆等，提高構件的耐火極限。

在混凝土結構設計時，應根據耐火等級的具體要求，合理選擇構件尺寸和配筋，必要時可增大保護層厚度，以提高構件的耐火極限。此外，在一些關鍵部位，如樓梯間、疏散通道等，可采用耐火性能更高的材料，如耐火玻璃、防火門等，確保疏散路徑的安全性。

5 案例分析

以上海市靜安區某公寓大樓特別重大火災事故為例[5]，該事故造成58人遇難，71人受傷。據調查，起火點位于10樓，直接原因是施工人員違規操作，電焊濺落的金屬熔融物引燃下方腳手架上的可燃材料。這一火災事故反映出外墻保溫材料的防火隱患。通過分析得出，建筑結構材料的耐火性能對建筑火災安全具有重大影響。若可燃性材料缺乏有效的阻燃保護措施，極易引發火勢快速蔓延，給人員疏散和消防救援帶來困難。因此，在建筑設計和材料選用中，必須高度重視構件的耐火性能，加強材料的阻燃處理和防火保護措施，為人民群眾的生命財產安全提供有力保障。

6 結束語

建筑結構材料的選擇和使用對火災的蔓延具有重要影響。通過合理選擇高耐火性能的材料、采用阻燃處理技術、優化結構設計等措施，可以有效提高建筑物的火災安全性能，延緩火災蔓延。在建筑設計和施工過程中，應高度重視建筑結構材料的耐火性能，加強對火災蔓延機理的研究，不斷提高建筑物的火災安全水平，保障人民生命財產安全。

參考文獻

[1]劉坤.建筑結構與材料性能綜合優化提升火災預防效果研究[J].消防界（電子版），2023，9（16）：70-72.

[2]劉良德.鋼筋混凝土結構火災后的構件損傷評估與鑒定分析[J].福建建材，2022（11）：60-62+56.

[3]賴雨薇.論泡沫彩鋼板結構建筑的安全隱患和防火策略[J].大眾標準化，2020（21）：210-211.

[4]丁宏軍.論建筑火災疏散與疏散時間[J].建筑電氣，2020，

39（8）：3-5.

[5]上海市靜安區人民政府.“11·15”特別重大火災事故處理決

定公布[EB/OL].https：//www.jingan.gov.cn/rmtzx/003001/

20110614/b205ff94-b54a-40d1-ac97-8e842a76538e.html