消防理论研究
木材的燃烧性能研究——锥形量热计法
卢国建1, 刘松林1, 彭小芹2
(1. 公安部四川消防研究所, 四川都江堰611830; 2. 重庆大学材料科学与工程学院, 重庆400044)
摘 要:采用锥形量热计(Co ne Calor imeter ) 对多种木材在阻燃处理前后的燃烧性能进行测试, 并分析木材在阻燃处理前后燃烧性能的变化规律。试验表明, 经阻燃处理的材料其热释放速率显著降低, 推迟了燃烧波峰出现的时间, 因而可以安全应用于建筑室内。而普通的木材由于热释放速率大而具有很大的火灾危险性。研究还发现普通木材燃烧都会形成两个波峰。锥形量热计能精确测量材料的热释放速率、烟密度等数值, 对于研究材料的燃烧性能和正确使用具有重大的现实意义。
关键词:锥形量热计; 热释放速率; 燃烧热; 阻燃; 木材中图分类号:S781, T K 121, T U 545 文献标识码:A 文章编号:1009-0029(2005) 04-0414-04
们对生活环境提出了更高的要求。木材以其天然材料所特有的优势在建筑、家具及室内装修中被越来越广泛地应用。但是未经过阻燃处理的木材是一类火灾危险性较高的可燃类材料。在建筑物中大量使用可燃木
材会增加室内的火灾荷载, 给建筑物的防火安全留下严重的火灾隐患。对木材进行阻燃处理则是解决这一问题的有效途径。近年来, 各类恶性火灾事故不断发生, 易燃、可燃材料的使用也成为火灾发生的起因。本研究利用英国FT T 公司生产的锥形量热计对几种典型木材在阻燃处理前后的燃烧性能进行分析, 希望能够找出木材在阻燃处理前后燃烧性能的特点及变化规律。这样就能充分认识其燃烧性质, 并对以后选择和使
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随着科学技术的发展和人民生活水平的提高, 人其中, D (k +1) =
。
0, k ≤利用残差修正后的模型进行预测的结果及误差, 见表4。经过精度检验得:C =0. 31990. 95, 模型的精度为一级, 可以用于预测。预测2005年、2006年、2007年我国火灾损失分别为17. 1107亿元、17. 6702亿元、18. 2483亿元。4 结 论
(1) 对我国1995年-2004年的火灾损失统计资料进行了时间趋势分析和预测, 指出我国火灾损失具有一定的上升趋势。利用灰色GM (1, 1) 模型预测了我国未来几年的火灾损失情况, 可为有关部门的决策提供参考。
(2) 由于模型是根据近期数据建立的, 随着时间的推移, 由于各种因素的扰动, 原有的预测模型将会老化, 预测精度衰退, 所以该模型一般适用于短期预测。
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基金项目:国家科技部项目(2003DEB 5J 0550)
1, k >2
Analysis and prediction on the time
trend of fire cost in China
JIANG Xue-peng, XU Zhi-sheng
(Disa st er P rev ent ion Science and Safety T echno lo gy Institute , Centr al-So uth U niver sity , Chang sha 410075, China ) Abstract :F ir e cost st atistics o f China fr o m 1995to 2004wer e used to analyze the t ime trend of fir e co st in China . G rey dy namic mo del w as used to predict the fir e co st . T he pr ecision of the model w as t est ed to be g oo d, and the r esults will be of a certa in guiding significant t o r elat ive departments. Key words :fir e co st ; predictio n
time t rend ;
gr ey dy namic model ;
作者简介:姜学鹏(1976-) , 男, 山东青岛人, 中南大学防灾科学与安全技术研究所, 博士研究生, 主要从事防灾减灾及安全科学的研究, 湖南省长沙市中南大学防灾科学与安全技术研究所, 410075。
收稿日期:2005-03-15
用木材时具有现实的指导意义。
1 实验部分1. 1 试验样品
本试验选择在建筑装修和家具制造时常用的香红木、榉木、桦木、松木、柏木、青冈木等木材种类作为样品。其中香红木、榉木、桦木、松木分别准备了两组样品, 一组是未经过阻燃处理的普通木材; 另一组是经过真空-加压浸渍阻燃处理的阻燃木材。试件形状为正方块, 尺寸为100m m ×100mm , 厚度为25mm ～29mm 。1. 2 仪器设备
采用英国FT T 公司生产的锥形量热计进行试验。
1. 3 试样预处理
将这些木材试样于70℃下干燥, 在温度为23℃(±3°) 、相对湿度为50%(±5%) 的恒温恒湿箱中调节至质量恒重。再在试样周围包裹一层0. 025mm 的铝箔(试样上表面不包裹) , 剪去露出的多余铝箔, 铝箔伸出试样表面3mm 。1. 4 燃烧性能测试
采用英国FTT 公司生产的锥形量热计, 按照ISO 5660进行试验。首先按规定程序标定好锥形量热计, 然后在50kW/m 的热辐射功率下对样品进行试验研究。每个样品进行3次平行试验, 得到的燃烧性能参数主要有热释放速率(HRR ) 、有效燃烧热(EHC ) 、总放热量(T HR) 和质量损失速率(M LR) 等。
试验数据由锥形量热计的专用软件, 并且配合EXCEL2000软件进行分析处理。2 试验结果与讨论
2. 1 未经阻燃处理的木材的主要燃烧性能(见表1)
表1 未经阻燃处理的木材的主要燃烧性能
试 样质量/g 松 木115. 6桦 木184. 4榉 木150. 3柏 木
88. 4
香红木140. 3青冈木228. 0
厚度/mm [1**********]5
HRR/kW /m 266. 64894. 823106. 44471. 74160. 96989. 464
p kHRR/kW /m 2136. 328186. 799237. 435144. 154189. 931206. 204
EHC /M J/k g 11. 050559. 5946211. 4477911. 5127110. 5389311. 02527
TH R M J /m 2107. 970137. 967146. 89380. 924109. 745193. 690
2
2
分析表1中6种未经阻燃处理的木材的HRR 和pkHRR, 可以看出榉木的HRR 值为106. 444kW/m , pkHRR 值为237. 435kW/m , 都比较高。而松木和香红木的HRR 值分别为66. 648kW /m 2、60. 969
2
kW /m , 比榉木低很多, 其峰值也较低。
因此, 在未经阻燃处理的情况下若要使用这几种木材, 应选用松木和香红木较好, 其热释放速率及其峰值均较低, 火灾危险性相对较小。榉木的热释放速率和峰值都很大, 在建筑室内使用时具有较大的火灾危险性, 应减少用量或最好不用。
2. 1. 2 有效燃烧热
有效燃烧热(EHC ) :在某一时刻t 时, 所测得的热释放量与质量损失量之比, 以M J /kg 为单位。它主要反映的是可燃性挥发气体在气相火焰中的燃烧程度。
从上述试验的数据可以看出, 虽然不同材质的HRR 和pkHRR 存在较大的差异, 但有效燃烧热的差距却不大。这是由于对木质材料来说, 即使种类不同, 由于材质的化学构成基本相同, 受热时所挥发出的物质大致是一样的, 因此, 其燃烧的放热量也基本相同。2. 1. 3 总放热量
总放热量(THR) :T HR 是指单位面积的材料从开始燃烧到结束所释放的热量, 以MJ/m 为单位。TH R 愈大, 材料在燃烧时所释放的热量就愈大, 即材料在火灾中的危险性就愈大。
对于相同厚度的木材, 榉木和青冈木的总放热量是最大的, 说明它们放出的热量多, 具有更大的火灾危险性, 其热释放速率和热释放速率峰值也大于其他两种木材。通常, 热释放速率越大, 总放热量也就越大。
木材总放热量在阻燃处理后一般有所降低, 但有的木材却会增加, 比如松木,
这是因为有的阻燃剂在前期能起到阻燃的作用, 但在后期就可能起助燃的作用。2. 2 木材的热释放速率曲线比较
分析对比图1到图6, 很明显可以看到经过阻燃处理后的木材其HRR 都有不同程度地降低, 其中桦木和榉木降低得最多。未经阻燃处理木材的燃烧很具有规律性, 每种材料都是在很短的时间内达到波峰, 然后经过一个平整的燃烧期慢慢达到第二个波峰, 最后缓慢下降, 整个过程持续时间比较长, 不容易熄灭。经阻燃处理木材的燃烧持续时间更长, 波峰减小了, 而且波峰出现的时间也推迟了。2. 2. 1 木材燃烧过程分析
由图1到图6可以看出, 每种未经阻燃处理的木材的热释放速率曲线都有两个波峰。分析木材的燃烧过程, 可以分为三个阶段:(1) 水分蒸发或干燥阶段:在
2
2
2. 1. 1 不同材料的热释放速率比较
热释放速率(HRR ) :它是指单位面积样品释放热量的速率, 以kW /m 2为单位。锥形量热计可以给出材料燃烧过程中的HRR 随时间的动态变化。HRR 的最大值为热释放速率峰值(pkHRR ) 。HRR 是最重要的燃烧特性参数之一, 被认为是描述火灾等灾害现象和进行灾害分析的最重要的参数。HRR 或pkHRR 越大, 说明材料对火灾的贡献越大, 在火灾中的危险性越高。
100℃～150℃之间, 可燃物热分解的速度缓慢, 主要是水分受热蒸发逸散, 而木材的化学组成没有明显变化。(2) 预炭化阶段:加热温度在150℃～270℃时, 可燃物受热分解的速度加快, 可燃物的化学成分发生明显的分解反应, 受热分解生成CO 、CO 2和少量乙酸等物质。(3) 炭化阶段:当加热温度上升到270℃～450℃时, 可燃物热分解反应剧烈, 产生大量热分解产物, 生成的气体中CO 和CO 2的量逐渐减少, 而碳氢化合物如甲烷、乙烷等逐渐增加。(4) 化物燃烧阶段:温度在450℃～600℃时, 炭化物开始燃烧, CO 和CO 2的量有所增加。
中的通性。
图4 香红木燃烧热释放速率曲线图
图5
未阻燃处理柏木燃烧热释放速率曲线图
图1
松木燃烧热释放速率曲线图
图6 未阻燃处理青冈木燃烧热释放速率曲线图
2. 2. 2 失重曲线比较
图7给出了香红木和桦木的质量损失曲线, 未阻
图2
桦木燃烧热释放速率曲线图
燃处理香红木失重率为74. 1%, 而经阻燃处理香红木
的失重率为72. 8%, 桦木的失重率也从阻燃处理前的77. 8%下降到50. 5%, 降低了27. 3%之多。可见, 经阻燃处理后, 失重率都有不同程度降低。这说明阻燃处理后的残渣量比未阻燃处理的要多, 这是因为阻燃剂提高了材料燃烧时的成炭量。
从图7中看到, 失重曲线有大致相同的趋势。质量损失曲线都是一条斜线成线性递减。只是阻燃处理后的木材递减的趋势稍小一点。在燃烧后期, 质量减少都比较缓慢, 这时的可燃物明显减少, 且成炭量大量增加。成炭后炭层的屏障作用减低热的释放和分解气体的扩散, 延缓了材料的分解, 而使得曲线变得平缓。2. 2. 3 CO 体积分数比较
50kW/m 2热辐射强度下木材的CO 体积分数曲线, 见图8所示。
很显然可以看到, CO 体积分数在有焰燃烧阶段
图3 榉木燃烧热释放速率曲线图
从试验记录中明显可以看出:在炭化阶段可燃物热分解反应最剧烈, 产生的可燃物最多, 使得热释放速率达到最大值, 形成了第一个波峰。此后材料继续燃烧, 但表现非常平稳, 生成的CO 和CO 2的量也无多大变化, 一直保持一个比较固定的值。随着温度升高, 炭化物也开始慢慢燃烧, 可燃物增多, 热释放速率增加, 从而形成了第二个波峰。这也是木材燃烧为何出现两个波峰的原因, 同时也是所有木材在锥形量热计试验
都很低, 几乎趋向于零, 主要是这个阶段燃烧比较充分, 可燃物都充分燃烧形成了CO 2。而红热燃烧阶段CO 的产率较高, 各种木材之间CO 体积分数曲线并无多大区别, 并且阻燃剂对CO 的体积分数无显著影响。由于CO 是木材燃烧时的主要有毒产物, 因而也可以
推断阻燃剂对木材的烟气毒性无显著影响。
2. 2. 5 比消光面积
50kW /m 2辐射强度下木材的比消光面积曲线, 见图10
所示。
图10 50kW /m 2辐射强度下木材的比消光面积曲线
比消光面积(SEA ) 常用来评价聚合物热裂解所产生的挥发物对烟的贡献程度。比消光面积越大, 说明挥
图7 50kW /m 2
热辐射强度下木材的失重曲线
发物产烟量越大。通过图10可知, 在有焰燃烧阶段, 经过阻燃处理的木材其SEA 显著低于未经阻燃处理木材, 表明消耗单位质量木材所产生的浓烟量大为降低, 这是阻燃剂的抑烟作用的结果。
2. 3 经阻燃处理的木材的主要燃烧性能
经阻燃处理的木材的主要燃烧性能及阻燃处理前后的物理性能见表2、表3。
表2 几种经阻燃处理木材的主要燃烧性能
图8 50kW /m 2热辐射强度下木材的CO 体积分数曲线
试 样
2. 2. 4 CO 2体积分数比较
50kW /m 热辐射强度下木材的CO 2体积分数曲
线, 见图9
所示。
2
质量/g 厚度HRR /mm /kW /m 228292927
46. 16910. 1556. 99850. 734
p kHRR /kW /m 2126. 16613. 69537. 97873. 660
EHC /M J/k g 8. [1**********]. 7144749647
THR /M J/m 298. 34019. 44613. 470116. 687
香红木163. 6桦 木224. 0榉 木218. 5松 木129. 8
表3 木材在阻燃处理前后的物理性能变化
试 样松 木榉 木桦 木香红木
图9 50kW /m 2热辐射强度下木材的CO 2体积分数曲线
阻燃前密度/g /cm 3
0. 4280. 6010. 6590. 561
阻燃后密度/g /cm 3
0. 4810. 7530. 7720. 584
密度变化g /cm 30. 0530. 1520. 1130. 023
质量变化
/g14. 2037. 9531. 765. 70
2. 3. 1 阻燃前后木材热释放速率比较
分析其中四种木材在阻燃前后的HRR 和pkHRR 可知, 经过阻燃处理后木材的HRR 和pkHRR 具有显著降低, 其中榉木的HRR 从阻燃前的106. 444kW /m 降低到阻燃后的6. 998kW /m 2, 仅为阻燃前的6. 6%, 降低了93. 4%。其中变化最小的香红木和松木分别从60. 969kW/m 和66. 648kW/m 降低到46. 169kW/m 、50. 734kW /m 2, 分别为阻燃前的75. 7%和76. 1%, 降
低了24. 3%和23. 9%。由此可见, 经过阻燃处理的木材具有更优良的防火性能和安全性能, 也具有更广阔的使用范围, 因而越来越受到人们的青睐。在可以选择
2
2
22
CO 2的体积分数曲线与其对应的热释放速率曲线非常相似, 这种类似性是因为热释放主要是由生成CO 的反应提供的。另外, 经阻燃处理木材的CO 2产
2
率要远低于未阻燃处理木材。CO 2的产率与木材的质量损失成反比, 后者主要受脱氧和脱碳过程制约。既然阻燃木材的烟密度和CO 产率(它的值比CO 2小很多) 均不高于未阻燃处理木材, 那么木材的质量损失主要由碳元素氧化成CO 2和氢、氧元素转化成水的反应决定。因此, 也可推断阻燃木材的CO 2产率低主要是因为脱水反应超过未阻燃木材。
的情况下, 应尽可能选择经过阻燃处理的木材。
同时, 阻燃前HRR 最大的材料比阻燃前HRR 较小的材料, 经过阻燃处理后其HRR 降低的程度更大。如榉木降低了99. 446kW/m , 而香红木和松木才分别降低了14. 8kW/m 和15. 914kW/m 。可见, 在阻燃处理前具有较高H RR 的木材具有更大的潜力, 阻燃性能提升的空间会更大。
2. 3. 2 密度变化与热释放速率的关系
从表3可以看出, 试样增加的质量略等于(因为样品质量不一定相等) 渗入到木材中的阻燃剂的质量。在体积相同的情况下, 密度变化越大的木材其阻燃剂的含量也越多, 相应的热释放速率变化也愈大。比如, 榉木的密度从阻燃前的0. 601g /cm 3变为0. 753g /cm 3, 增加了0. 152g /cm 3, 其热释放速率从106. 444kW/m 2变为6. 998g/cm 3, 变化为最大。而香红木和松木的密度仅增加为0. 023g /cm 和0. 053g /cm , 其结果它们的热释放速率的变化也很小。阻燃处理前后密度变化的大小反映了材料吸收阻燃剂的能力, 密度变化越大, 吸收阻燃剂的能力越大, 其阻燃性能就会提高。3 结 论
(1) 未经阻燃处理木材的燃烧都具有两个波峰;
(2) 经阻燃处理过的木材的热释放速率会减小, 其中桦木和榉木降低得最多;
(3) 在体积相同的情况下, 密度变化越大的木材其阻燃剂的含量也越多, 相应的热释放速率变化也愈大;
(4) 同等条件下, 木材的有效燃烧热大致相同; (5) 经阻燃处理后的木材的点燃时间会延长, 峰值出现时间会推迟, 燃烧时间要变长;
(6) 阻燃剂对烟气毒性无显著的影响, 但会降低产烟量。
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由中国土木工程学会水工业学会建筑给水排水委员会和中国工程建设标准化协会建筑给水排水委员会气体消防分会主办的“信达海烙杯”第四届全国气体消防学术交流(杭州) 会议, 于2005年6月25日至27日在杭州举行。气体消防分会秘书长陶观楚主持会议, 唐祝华理事长致开幕词。来自全国设计院、消防部队及科研所、消防企业的70多位专家参加了学术交流。
会议还增选了谭增生、郑智同志任气体消防分会副理事长, 张小忠、刘连喜和曹伟同志任副秘书长。
本 刊
species, gr ain orientation and h eat flux [J]. Fire S af e ty J ournal ,
2001, 36:391-514.
Study on the combustion performance of the timbers -CONE calorimeter
LU Guo-jian 1, LIU So ng -lin 1, PENG Xiao-qin 2
(1. Sichuan Fire Resear ch Instit ute o f M PS , Do ujiang yan 611830, China ; 2. Co llege of M ater ials Science and Engineer ing , Chong qing U niv ersit y , Cho ngqing 400044, China )
Abstract :By using cone calo rimeter , combust ion perfo rmance is tested on sever al tim ber s w hen they ar e chang ed fro m commo n tim ber s to fire retar dant timber s . T he pr esent paper is intended to analyze t he chang ing r ules o f co mbustion perfo rmance o f reta rdant timber s and co mmon timbers . T he tests indicate that fir e -r etardant timbers' HRR falls g reatly ,
and the max imum HRR occurs late than ev er befor e . So it is safe to apply t hem in the building s . But commo n timber s ar e pro vided with the fat alness of fir e haza rd because o f the gr eat HRR . T he r esearch also finds that co mmon t imbers w ill for m tw o pea ks dur ing the bur ning . Cone calo rimeter ex actly measures mater ials' Heat Release R ate , Smo ke density , and so on . T her efor e it is pr ofo und t o study the perfo rma nce o f mater ials and apply materials r ig htly .
Key words :cone calor imet er ; heat r elease rate ; effective heat of co mbustion ; fire r etar dant ; timber
作者简介:卢国建(1965-) , 男, 四川都江堰人, 公安部四川消防研究副所长, 研究员, 学士, 主要从事建筑材料防火研究, 四川省都江堰市外北街266号, 611830。
收稿日期:2005-02-26