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）和錐形量熱儀測試對樣品的熱解和燃燒特性進行測試分析。結(jié)果表明：自然老化作用會導致松木內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)破壞、有機質(zhì)減少，進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)古建筑因其獨特的建筑風格和悠久的發(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用。然而，松木在長期服役過程中不可避免會出現(xiàn)開裂、形變、強度降低等不可逆劣化，導致其耐火性能和火災安全性降低[1]，因此，深入探究其熱行為特征，對古建筑保護工作具有重要意義。

熱解是木材發(fā)生燃燒的前提，對于火蔓延過程的發(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]采用錐形量熱儀測試方法，對6座傳統(tǒng)建筑的古木材進行了燃燒特性分析，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)部有機成分降解，而屋內(nèi)松木易因蟲蟻蛀蝕和真菌寄生，會出現(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)代松木為對象，深入研究自然老化對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)古建筑火災防控工作提供一定的理論支撐。

1 試驗部分

1.1" 試驗樣品

由于古建筑的不可再生性和對其破壞性取樣困難，選用四川省樂山市犍為縣（亞熱帶季風氣候）木結(jié)構(gòu)老宅改造過程中拆除的松木為研究對象。明代松木（老化時間約400年）的密度為451.4kg/m3、含水率為10.6%；現(xiàn)代松木（老化時間約10年）的密度為618.1kg/m3、含水率為11.9%。試驗樣品的元素分析結(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元素。

1.2" 試驗分析

微觀結(jié)構(gòu)測試：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)。

熱重及差熱測試：使用HQT-4PLUS全自動熱分析儀測試木材樣品的熱穩(wěn)定性。試驗在氮氣氣氛下以20℃/min的升溫速度從40℃加熱到800℃，同步獲取DSC曲線。

錐形量熱儀測試：使用VOUCH-6810測試儀，熱輻射功率為50kW/m2，樣品尺寸為100mm×100mm×10mm，測試標準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)部孔隙的開裂及擴大[6]，嚴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

氮氣氣氛下松木TG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大致相同，二者熱解過程可分為3個階段：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℃，這是因為松木的老化降解產(chǎn)生了易燃的自由基。

第二階段對應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)，并析出大量的可燃氣體（CO、H2、CH4等），DTG曲線出現(xiàn)一個峰值。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，說明自然老化效應破壞了松木的有機結(jié)構(gòu)，導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]，對應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，松木熱解的各個階段向低溫區(qū)域偏移，表明老化時間長的松木更容易發(fā)生熱解反應。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到T1，出現(xiàn)第一個放熱峰。隨著松木中分解的小分子物質(zhì)數(shù)量的增加并達到燃點，松木迅速發(fā)生化學反應，DSC曲線出現(xiàn)了第2個峰，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，熱解反應劇烈，現(xiàn)代松木則表現(xiàn)為緩慢增加的趨勢。當吸收的熱量大于放熱，熱流曲線開始呈現(xiàn)下降趨勢，直至達到放熱臨界點T3，進入炭化階段。受自然老化損傷的影響，松木內(nèi)部有機組分含量降低，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熱、著火、成炭、裂解和熄滅5個階段。結(jié)合圖3和表4可知，在預熱階段，松木表面首先發(fā)生熱解反應，其中，明代松木表面結(jié)構(gòu)腐蝕嚴重，造成其與熱源的接觸面積更大、點燃時間更短。隨著熱輻射時間延長，熱量持續(xù)向木材內(nèi)部傳遞，進入裂解階段，此時，內(nèi)部有機成分受熱分解，熱釋放速率（HRR）值急劇增加并達到峰值。明代松木在217s時率先出現(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，長期的自然老化會加快燃燒進程，具體表現(xiàn)為熱釋放速率峰值（PHRR）出現(xiàn)時間更早，但數(shù)值更低。

總熱釋放值（THR）作為衡量木材火災危險性的關(guān)鍵參數(shù)，能夠反映木材的燃燒強度。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，明代松木有機成分不足以維持劇烈燃燒，并率先進入熄滅階段，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，其燃燒時間更長，總放熱量更高，為108.7MJ/m2。這個結(jié)果進一步證實了自然老化作用在降低木材熱穩(wěn)定性的同時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)破壞嚴重、理化性能劣化有極大關(guān)聯(lián)。

3 結(jié)論

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

1）長時間的自然老化會顯著破壞松木的細胞結(jié)構(gòu)和有機組成，致使孔隙開裂及擴大，造成不可逆的結(jié)構(gòu)損傷，進而導致熱解性能下降嚴重。

2）自然老化作用會惡化松木的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導致熱解性能的下降，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）自然老化作用導致松木有機成分分解，進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%。

參考文獻

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[4]Yufei W，Weibin W，Haibin Z，et al.Burning Characteristics"of Ancient Wood from Traditional Buildings in Shanxi Province，China[J].Forests，2022，13（2）：190.

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