壓縮木材消防性能試驗研究

摘要：為解決壓縮木材潛在的火災危險問題，通過實驗對壓縮木材消防性能展開相關探究。利用多參數火蔓延實驗平臺，對壓縮木材的火蔓延速度、質量損失速率和火焰高度進行測量。實驗結果顯示，三者變化趨勢一致，均隨密度增大而減小；隨厚度增加會出現先增后減的趨勢，其原因主要是受材料熱慣性影響。而在不同厚度條件下，火蔓延參數隨密度變化的下降速率會有不同的變化趨勢。

關鍵詞：壓縮木材；建筑材料；消防性能；火災隱患；火災蔓延

在“雙碳”目標的推動下，壓縮木材憑借其可再生和負排碳等特性，成為新型木質建筑材料的代表，在現代建筑中的應用日益廣泛。然而，易燃性制約了其大規模應用，且其在火災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。由于壓縮木材存在不同的密度區間，對火蔓延行為產生不同程度影響[3]。Zhou Y等[4]發現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，與實際應用存在差異。真實火災場景中，大量外加熱源對火蔓延行為影響重大。張笑男等[5]研究發現輻射強度與火蔓延速度存在一定關系。因此，結合現實需求，擬開展壓縮木材在外加輻射下的火蔓延實驗研究，分析不同厚度和密度木材的火蔓延行為特征和變化規律。研究結果可豐富壓縮木材火蔓延行為的相關理論，推動建筑行業的綠色發展與節能減排。

1 實驗

1.1" 樣品制備

本實驗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，尺寸為600mm（長）×30mm（寬）。通過壓縮木材制備工藝[3-4]，木材的細胞孔隙率顯著降低，密度和微觀結構發生明顯變化，為后續的火蔓延實驗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范圍見表1。為了避免含水率對實驗結果的干擾，所有試樣在實驗前均放置于恒溫干燥箱中進行干燥處理，確保試樣在低含水率下進行測試。

1.2" 實驗裝置

實驗采用自主搭建的多參數火蔓延測試平臺，見圖2，該平臺由水平輻射加熱面板、樣品臺、電子天平和攝像機構成。水平輻射加熱面板由12組碳纖維加熱石英管組成，可產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。實驗采用4kW/m2作為模擬中小規模火災場景的輻射強度[6]。實驗前先用輻射板對實驗樣品進行預熱15min后使木板表面溫度達到穩定狀態，避免實驗過程中實驗樣品表面溫度的變化對火蔓延過程造成影響。

1.3" 數據處理

通過目測法獲取火蔓延速度和火焰高度，在火焰及樣品旁各設標尺，結合視頻圖像觀測記錄熱解前沿位置與火焰高度。通過穩定燃燒階段的熱解前沿位置隨時間的變化關系，求解其一階導數得到火蔓延速度；通過對穩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量變化情況，并據此繪制質量損失曲線，對此曲線求取一階導數，從而得到質量損失速率，見圖3。

2 結果與討論

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。火蔓延速度隨密度增加而降低，該規律與前人研究報道一致[4]。前人發現密度增加導致火焰高度降低，削弱了火焰對未燃區的輻射傳熱，使總熱流減少，進而抑制火蔓延速度。對壓縮木材厚度進行分析發現，火蔓延速度隨厚度增加出現先增后減的趨勢，轉折點為4mm。進一步分析火蔓延速度隨密度的下降速率，發現對于不同厚度的木材，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，其變化速度會趨于一致。

2.2" 質量損失速率

圖5展示了壓縮木材的質量損失速率隨密度和厚度的變化情況，其變化趨勢與火蔓延速度相似。隨著密度增加，質量損失速率降低；隨著厚度增加，同樣出現了先增后減的情況，轉折點同樣出現在4mm。還發現較薄壓縮木材（2、4mm）的質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間（＞600kg/m3），下降斜率變化更加明顯。較厚壓縮木材（6、8、10mm）質量損失速率受密度變化影響較為穩定，在整個密度區間內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律，發現火焰高度的變化趨勢與火蔓延速度相似。火焰高度隨密度增大而減小，密度增大會增加木材的熱慣性，降低熱解區的溫升速率，減緩熱解可燃氣體的產生，從而降低火焰高度。此外，火焰高度隨厚度增加出現先增后減的趨勢，轉折點為4mm。這是由于當厚度較小時，厚度增加會產生更多的熱解質量。在燃燒過程中會產生和釋放更多的可燃氣體，從而導致更高的火焰高度。但厚度的進一步增加會提高預熱區所需的總熱量，因此，熱解區的溫升速率降低，火焰高度縮短。進一步對火焰高度隨密度的下降速率展開分析，發現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，表明厚度對火焰高度隨密度變化的下降速率影響不大。

3 結束語

本文借助多參數火蔓延平臺，對壓縮木材的火蔓延參數展開實驗研究。結果表明，火蔓延速度、質量損失速率和火焰高度均隨密度增大而減小，隨厚度增加呈現先增后減的趨勢，轉折點均為4mm，這主要是受材料熱慣性的影響。在不同厚度條件下，火蔓延參數隨密度變化的下降速率會有不同的變化趨勢。較薄壓縮木材（2、4mm）的火蔓延速度和質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）的相應參數受密度變化影響較為穩定。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建筑材料消防性能的理論體系，為新型木質建筑材料的防火設計和大規模推廣應用提供了科學依據。

參考文獻

[1]王蘇盼，黃鑫炎，李開源.木質材料火災研究：前沿與展望[J].工程熱物理學報，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

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

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

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[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].中國安全生產科學技術，2023，19（8）：73-79.

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

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