王秀丽;张盛东
【摘 要】木材是一种可再生和循环利用的绿建筑材料,越来越多地应用于现代居住和公共建筑中.木材属于可燃材料,在受火时经历了热解、气化和燃烧等过程,炭化层的形成为内部材料提供了阻氧与滞热作用.木结构建筑在应用中所面临的最大问题就是其耐火性能,而耐火性能主要与木材炭化速率有关,各国规范对炭化速率的计算方法与取用存在着一定的差异.为了更好地了解木材的炭化速率及其影响因素,在已有的研究成果和文献基础上,总结归纳了影响木材炭化速率的主要材料特性和外部因素,其中材料特性包括木材的密度、含水率、化学成分、木纹方向以及尺寸效应,外部因素包括受火温度和氧浓度.最后讨论分析每种影响因素对炭化速率的影响,供今后实际工程抗火设计参考.
【期刊名称】《结构工程师》
【年(卷),期】2018(034)003
【总页数】6页(P177-182)
【关键词】木结构;耐火性能;炭化速率;影响因素
【作 者】王秀丽;张盛东
【作者单位】同济大学建筑工程系,上海200092;同济大学建筑工程系,上海200092
【正文语种】中 文
0 引 言
与钢材和混凝土材料相比,木材作为一种可再生的建筑材料,具有较高强重比(高于普通钢材)、纹理美丽、加工性好等优点。且木结构建筑在保温、节能、环保、舒适性、结构灵活性等方面有着传统钢结构和钢筋混凝土结构不可比拟的优越性[1]。
但木材属于可燃材料,许多人认为木结构耐火性能差,这就使得木结构的应用受到一定限制。在进行木结构的抗火设计时,炭化速率是不可忽略的重要特性。研究表明[2],木材具有较低的导热系数0.43～0.6 W/mK (钢材导热系数23～55 W/mK,混凝土0.6～1.6 W/mK)。木构件受火后,表面形成炭化层,炭化层的导热系数是木材的1/3～1/4,可以增加表面热阻,迟滞热的穿
透,抑制木材内层的热解及继续炭化,可见未经防火处理的大截面木构件仍具有较长的耐火极限。
影响木材炭化速率的因素分为材料特性和外部因素两个方面,本文在总结国内外有关木构件炭化速率的试验研究和结果分析基础之上,选择多数学者普遍认同的影响因素进行讨论分析,为今后工程抗火设计提供理论参考。
1 木材的燃烧
木材属于固体可燃物质,受火后,表层形成炭化层,不断加厚的炭化层在一定程度上阻隔了表面热源与内部热解区域的热量传递,进而减缓了炭化速率。试验研究[3]中也发现,在同一个试验构件中,不同截面的炭化深度会有所不同,而同一截面的不同位置炭化深度也有一定差异,对于截面角部炭化的测量也很复杂。
Friquin[4]对其他研究者的成果进行总结,将木材从受热到燃烧的过程分为五个阶段(图1)分别是常温阶段、蒸发阶段、热降解阶段、炭化层形成阶段和炭化层收缩阶段。
图1 木材受火反应Fig.1 Fire performance of wood
当温度低于100 ℃时,木材处于常温阶段;随着温度的升高,木材中的自由水开始从木材表面蒸发到环境中;在160 ℃～180 ℃时,木材中的木质素、纤维素和半纤维素开始进行热分解,这个阶段分解出来的气体是不可燃的,主要是水蒸气;当木材温度升高到225 ℃～275 ℃时,此时热解产生的可燃气体被点燃形成明火。Buchanan[2]认为,当温度超过200 ℃时,木材开始进行降解,并产生气态产物。温度超过300 ℃时,木材物理结构开始破坏,密度减小,形成炭化层,在这一阶段,大量的气体释放出来,其中包括可燃性气体,如CO,CH4以及焦油等。温度持续升高的同时,炭化层的形成速率逐渐保持稳定,木材内部热释放速率也趋于稳定值,此时,炭化层表面会产生垂直木纹方向裂缝,便于内部气体的释放;当温度升高到450 ℃～500 ℃时,挥发物的形成已经完全,但是炭层会继续焖烧并产生CO2,CO和H2O等,进而引发质量损失。
木材的炭化速率可定义为炭化深度与相应受火时间的比值,炭化深度是指木材的外表面到炭化线(木材本与炭化层黑之间的分界面)所在位置间的距离。通常,炭化的界线通常认为在280 ℃到300 ℃之间,在欧规5[5]中,认为炭化界线为300 ℃,北美研究[6]中则定义炭化线为288 ℃。由于在300 ℃附近木材升温曲线变化很快,因此取300 ℃或288 ℃对判断炭层厚度的差别并不明显。
2 炭化速率在规范中的取用
在《胶合木结构技术规范》[7]中推荐的胶合木构件炭化速率值为0.6 mm/min,该数值是基于国外树种探究数据,且在使用上亦无树种之分,在我国的适用性和应用性都存在疑问。
欧规5[5]考虑实际应用,对于针叶木密度ρ≥290 kg/m3和阔叶木密度ρ≥450 kg/m3时,假定炭化率与密度没有关系,把炭化率β简化为一个常数,而对于阔叶木密度ρ介于290 kg/m3与450 kg/m3之间时,假定可进行线性插值,如表1所示。
表1 木材炭化率β0 和βn
炭化Table 1 Charring rate of wood β3 and βn木材类型木材密度ρ/(kg·m-3)β0/(mm·min-1)βn/(mm·min-1)针叶木胶合木≥290 0.650.70实木≥290 0.650.80阔叶木290 0.650.70≥450 0.500.55
β0代表木材在标准火暴露条件下的一维炭化速率;而βn则是考虑了构件圆角效应以及炭化层表面龟裂等影响后的名义炭化速率。
然而,在北美的试验结果中发现,不同密度的树种在炭化速率上有显著差异[3]。炭化速率同样也受到其他因素和特性的影响,如炭化层的厚度、含水率、氧浓度和受火条件等。在标准耐火试验中,木材在一开始通常会出现较快的炭化过程,随着炭化层变厚,炭化速率基本保持稳定。如果经历较长时间的受火过程,覆盖在木材表面的炭层厚度会不断增大,从而令炭化速率有所减小,但变化幅度并不大。因此,大多数情况下,可以假设重型木结构的木材炭化速率保持恒定。
加拿大规范[8]把木材的炭化速率设计值定为0.6 mm/min,澳大利亚规范[9]则规定炭化速率是木材密度ρ的函数:
β=0.4+(280/ρ)2
(1)
美国AFPA推荐的计算方法则是采用有效炭化速率。该方法基于White的研究工作,考虑了炭化速率随时间的非线性变化,并通过提高一维炭化速率20%的方法来计算有效炭化速率。据称,该有效炭化速率考虑了构件边缘的圆角效应,以及炭化线以内受热的木材强度和刚度的折减:
(2)
式中:βn为名义炭化速率,取值为0.635 mm/min (1.5 in/h);t为受火时间(h)。
3 影响炭化速率的材料特性及外部因素
根据多数学者的研究总结,木材炭化速率的影响因素可大致分为材料特性与外部因素两个方面,其中材料特性包括木材密度、含水率、化学成分、木纹方向和试验构件尺寸,外部因素包括受火温度和氧浓度。
3.1 密度
密度是木材最基本的物理特性,通常分为全干密度和气干密度。全干密度指的是木材全干时的质量与体积的比值,而气干密度指的是木材在一定的大气状态下达到平衡含水率时(一般温带地区12%)的质量与体积比值。未燃烧木材的密度和炭层的密度均能够影响木材的炭化速率。不同树种间木材的密度存在着差异,在同一树种内不同树木密度也不尽相同,即使在同一树木内,不同截面处的密度也有差别。除此之外,木材受火后在炭层处形成的裂缝也增加了测量其密度的难度。
Schaffer[10]发现了木构件干密度和炭化速率之间的关系,如图2所示,从图中可以看出随着木材干密度的增加,炭化速率随之降低。Hadvig[11]比较了两种不同密度木材的炭化深度,发现二者差异巨大,从中得出,木材炭化速率与密度密切相关。White[12]的试验结果显示,影响炭化速率两个重要因素之一是密度,随着密度增加,炭化速率降低,这种情况对于阔叶材更明显。他同样发现,密度不单单是影响木材炭化速率唯一因素,含水率、树种、炭化层收缩系数等也会对炭化速率产生影响。Njankouo等[13]也发现炭化速率随着密度的增加而减小,并认为欧规5[5]中给出的阔叶材的炭化速率数值较保守。Yang等[14]试验结果表明,木材密度越高炭化速率越低。Janssens[15]和Fredlund[16]认为,炭化层的形成过程中涉及到木材质量的热降解,随着密度的增加,木材受火时热降解所造成的质量损失增加,因此在密度较高的木材中,炭化速率较低。
图2 密度和含水率对炭化速率影响Fig.2 Charring rates as a function of moisture content and density of wood
Frangi和Fontana[17]对密度范围在340～500 kg/m3之间的构件进行试验,发现密度对木材炭化速率影响不大。Hugi[18]也没有在密度范围350～750 kg/m3之间发现密度对炭化速率的显著影响。
3.2 含水率
木材的含水率指的是木材中所含水的质量占烘干木材质量的百分数。木材中的水可分为两部分,一部分存在于木材细胞胞壁内,称为吸附水;另一部分存在于细胞腔和细胞间隙之间,称为自由水(游离水)。木结构建筑中所使用的构件,含水率通常在12%～16%之间。很多学者研究发现,含水率对与木材炭化速率有显著影响。
从图2可以看出,木材的炭化速率随着含水率增加而降低。对于密度为400 kg/m3的构件,含水率增加10%,炭化深度减少10%[10]。Lee和Diehl[19]在对含水率不同的橡树进行试验时,发现木材中水分的存在延迟了点燃时间,减少了可燃气体的产生,并稀释了这些气体,水分的存在也使热扩散率减小,进而也减缓了炭化速率。White[12]认为,炭化速率随着含水率的升高而减小。
Fredlund[16]研究发现,试验构件的初始含水率会影响木材内部的压力梯度的分布。当木材受火时,水分蒸发,木材内部产生温度梯度,它的存在促使水蒸气向温度较低的地方凝结。Janssens[15]同样也发现了含水率与木材受火反应之间的关系,试验表明,木材中每百分之一含水率会升高点燃温度近2℃。Spearpoint[20]发现木材的含水率会影响其导热系数和比热
容,进而影响木材的点燃和燃烧速率。而Frangi和Fontana[17]选取构件含水率在8%～15%的范围内进行试验,结果并没有发现含水率对炭化速率的显著影响。
3.3 化学成分
木材按树种不同可分为针叶材和阔叶材,是天然高分子有机化合物,纤维素、半纤维素、木质素是木材分子的主要组成,不同树种间各物质含量不尽相同。由于三种物质的热解特征不同,不同树种甚至同树种不同构件的热解特征也存在着差异。
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