古建筑木構件的防火處理與性能研究

潘崇根，姜 行，楊亞楠，傅崢嶸，孟誠磊，奚三彩

(1． 浙江大學寧波理工學院，浙江寧波 315100； 2． 浙江省文物考古研究所，浙江杭州 310014)

0 引 言

中國大量的古建筑為木結構，并裝飾有各類紗帳、經幡、哈達等易燃物品，建筑比較密集，防火分隔較小，人員疏散比較困難，建筑物本身耐火等級低，火災隱患較大[1]。沒有經過阻燃處理的古建筑木構件與布類裝飾物為可燃物，容易引發火災，如果不采取及時科學的消防安全保護措施，就會導致不可逆的破壞。近年來，已有許多歷史古建筑毀于火災。從2013年10月到2014年2月，湖南懷化洪江古商城共發生4起火災[2]；2014年7月28日凌晨，全國重點文物保護單位寧波老外灘天主堂發生大火；2014年10月6日，寧海前童古鎮發生火災；2014年12月12日，貴州劍河苗寨起火共燒毀286間房屋[3]；2015年1月3日，具有600多年歷史的云南巍山古城拱辰樓遭遇大火幾乎化為廢墟[4]。這樣的案例舉不勝舉，因此，對于古建筑防火安全研究顯得尤為重要。

如今，木結構阻燃劑在一般民用建筑方面的應用已經證明是有效的，可以考慮將其應用于古建筑中[5]。近年來，國內外學者從材料阻燃處理、表面防護、木構件的結構設計、防火設計等方面開展了研究。其中，通過阻燃材料可以達到隔熱、隔氧、抑制燃燒的目的。經過阻燃處理的木構件，其抗火性能明顯提高，木構件表面火焰的燃燒速度降低，相應地提高了構件的耐火極限，已成為木質文物建筑的有效防火途徑，國內外學者在文物建筑防火保護方面進行了多方面的研究[6-12]。然而，這些阻燃劑對文物本體是否適用，缺少相應的應用技術研究認定；目前阻燃劑類型眾多，是否會對古建筑本體造成影響，還尚無定論。同時，雖然國內外對木質材料或古建筑阻燃劑進行了大量的研究工作，但是真正在文物建筑實踐應用的阻燃劑很少[13-20]。

本研究通過研選國內外透明水性阻燃劑，開展了阻燃劑涂覆木構件的性能效果評價，包括木構件涂覆阻燃劑前后外觀、顏色、光澤度變化，并進行木構件強度、阻燃老化性能試驗。

1 原材料與試驗設備

1.1 試驗原材料

本試驗原材料分別是5種性能不同的阻燃劑和3種不同的木構件。阻燃劑的品名和性能如表1所示。木構件則是來自100年前的寧波地區古建筑，主要以杉木為主。取未涂漆的原木構件，涂漆的油漆木構件和桐油木構件3種原料各2根，其中一根進行清洗并晾干(該根木材在以下內容中稱為清洗后的木構件)。分別為原木構件(UWUP)、清洗后的原木構件(WUP)、油漆木構件(UWP)、清洗后的油漆木構件(WP)、桐油木構件(UWT)、清洗后的桐油木構件(WUWT)。為方便實驗記錄，對每根木材和每種阻燃劑進行了字母編號，有機磷雜環阻燃劑(B1)、磷—氮類阻燃劑(B2)、磷—氮水性阻燃劑(B3)、阻燃油(B4)、乳液阻燃劑(B5)。

表1 阻燃劑的種類和性能

1.2 試件制備

在6根木料上各自取總長10cm且平均分為5個單元格子，在每個格子的木料上貼好標簽，按標簽分別涂覆不同類型的阻燃劑。如圖1所示，原木構件、清洗后的原木構件、油漆木構件、清洗后的油漆木構件、桐油木構件、清洗后的桐油木構件等6根木材為一組原材料，準備3組。

1.3 試驗儀器設備

試驗主要包括木構件的外觀、色度、反光度、性能檢測和分析過程中所采用的儀器設備，主要儀器見表2。

表2 試驗主要儀器設備

2 試驗方法與結果

2.1 表觀特征測量

2.1.1外觀變化 在相應的格子上涂覆對應的阻燃劑后，等其完全晾干，觀察試驗前后木料外觀的變化。根據圖2，可以看出有機磷雜環阻燃劑對油漆木構件和桐油木構件的外觀產生了影響；阻燃油則使原木構件表面顏色變得較深， 使油漆木構件的表面多了一層釉狀物并有輕微掉漆的現象；乳液阻燃劑使所有的木構件表面均呈乳白色；相對的，磷—氮類阻燃劑對木構件的外觀沒有產生任何變化；除此之外，磷—氮水性阻燃劑則使桐油木構件的表面產生斑點狀白色物質。

圖1 不同類型的木構件

圖2 木構件外觀變化

2.1.2色度和反光度測量 外觀變化結果為肉眼的直觀判斷，還需利用色度計、光度計等便攜式儀器進一步測定噴涂阻燃劑后木料表面的色度與反光度，更好地說明阻燃劑對木料外觀產生的變化。試驗結果如表3～6所示。

表3 原木構件的色度測定值

表4 油漆木構件的色度測定值

表5 桐油木構件的色度測定值

將涂阻燃劑構件的色度各項指標值與無阻燃劑構件進行差值對比，對于原木構件而言，有機磷雜環阻燃劑、磷—氮類阻燃劑、磷—氮水性阻燃劑這三種阻燃劑對其外表顏色基本無影響；對于油漆木料和桐油木料而言，磷—氮類阻燃劑、磷—氮水性阻燃劑和阻燃油這三種阻燃劑對其外表顏色基本無影響。

根據表6可知：對于原木構件而言，有機磷雜環阻燃劑、磷—氮類阻燃劑、磷—氮水性阻燃劑對其外表反光度基本無影響；對于油漆木料而言，磷—氮類阻燃劑對其外表反光度基本無影響；對于桐油木料而言，磷—氮類阻燃劑、阻燃油這兩種阻燃劑對其外表反光度基本無影響。

綜合可得，磷-氮類阻燃劑對木料的表觀特征影響最小，最適合各類古建筑使用。

表6 不同阻燃劑對木構件的反光度影響

2.2 表征測試

2.2.1熱重分析法 熱重分析法[7]簡稱TG，是使樣品處在一定的溫度程序控制下，觀察樣品的質量分數(%)隨溫度(℃)或時間的變化關系的一種熱分析技術，用來研究材料的熱穩定性和組分。本試驗目的是利用熱重分析法來確定噴涂阻燃劑后，木構件的質量分數隨溫度的變化關系，從而得出噴涂阻燃劑是否有利于木構防火性能。通過表觀測試，已經知道磷—氮類阻燃劑和磷—氮水性阻燃劑要優于其他阻燃劑，所以在熱重分析時，主要噴涂這兩種阻燃劑。試驗時，為無漆原木構件噴涂磷—氮水性阻燃劑；油漆木構件噴涂磷—氮類阻燃劑。試驗結果如圖3所示。

圖3 TG曲線

通過圖3中噴涂阻燃劑的木構件質量分數隨溫度的變化關系可以得出阻燃劑的阻燃效果。根據圖中的斜率比較，可以看出噴涂阻燃劑后木料質量分數減少速率變慢，原木構件分解溫度主要在250～580℃之間，在噴涂磷—氮水性阻燃劑后，最終分解溫度有明顯提升，在250～800℃之間，這表明阻燃劑能有效抑制木料在高溫的分解速率；同時，對于油漆木構件，分解速率略微有所加快，主要集中在250～500℃之間，噴涂磷—氮類阻燃劑后，分解溫度明顯提高。因此，不同類型的阻燃劑對于有漆或者無漆木構件，都能提高木構件本身的分解溫度，有利于防火安全。

2.2.2掃描電鏡測試技術(SEM) 掃描電鏡測試主要表征木構件樣品涂覆阻燃劑后的表面微觀結構形貌變化。本試驗過程為首先在同一條油漆木構件的表面分區噴涂磷—氮類阻燃劑和有機雜環阻燃劑，待其完全干透后用工具在其表面取下一小塊，分別為未噴涂阻燃劑、噴涂磷—氮類阻燃劑、噴涂有機雜環阻燃劑各一塊，然后進行電鏡掃描。掃描結果為圖4所示。

由圖4可見，噴涂磷—氮類阻燃劑在木材表面析出均勻的晶體，沒有產生晶體堆積，而噴涂有機雜環阻燃劑在木材表面析出大量晶體且顯堆積狀態。同時，噴涂磷—氮類阻燃劑的木材表面用肉眼無法觀察出于原木快相比的明顯差異，而噴涂有機雜環阻燃劑的木材表面有能用肉眼觀察出的明顯差異，有白色物質析出。這項試驗說明磷—氮類阻燃劑要優于有機磷雜環阻燃劑。

圖4 噴涂阻燃劑的油漆木料的SEM圖

2.3 力學性能測試

2.3.1表面硬度測量 取第2組原材料，噴涂阻燃劑后，利用邵氏硬度計分別對6根木構件的每個單元格子進行表面硬度測量，并對其結果進行比較。表中的增加幅度是指各個阻燃劑相對未做阻燃劑處理的木料的表面硬度增長百分比，如表7～9所示。

對于原木構件而言，有機磷雜環阻燃劑、磷—氮類阻燃劑、磷—氮水性阻燃劑對木料的硬度均有不同程度的提高。其中，磷—氮水性阻燃劑提高的幅度最大，其次是磷—氮類阻燃劑，最后是有機磷雜環阻燃劑。而很明顯的是阻燃油和乳液阻燃劑會使未上漆木料的硬度較大幅度地降低。

對于油漆木構件而言，只有阻燃油使木構件的表面硬度降低，磷—氮類阻燃劑、磷—氮水性阻燃劑對木構件的硬度沒有變化。有機磷雜環阻燃劑和乳液阻燃劑提高了木構件的硬度，二者比較，有機磷雜環阻燃劑更佳。

對于桐油木構件而言，磷—氮類阻燃劑、磷—氮水性阻燃劑和阻燃油這三種阻燃劑對其硬度均有提高。其中，磷—氮水性阻燃劑最優，然后依次是阻燃油，磷—氮類阻燃劑；而有機雜環阻燃劑和乳液阻燃劑會使其硬度降低，其中最差的是乳液阻燃劑。

表7 原木構件與油漆木構件表面硬度試驗數據

表8 桐油木構件表面硬度試驗數據

2.3.2軸向抗壓性能試驗 首先用原木構件制備12個尺寸大小為40mm×30mm×100mm的標準試塊，并同等分為3組；然后取對外觀影響最小的磷—氮類阻燃劑和磷—氮水性阻燃劑，一組四周涂覆磷—氮類阻燃劑，另一組四周涂覆磷—氮水性阻燃劑，最后一組保持原樣。然后貼好標簽并置于通風處48h；接著取上一步中的涂覆磷—氮類阻燃劑和涂覆磷—氮水性阻燃劑的試塊各一塊，用壓力機測量其抗壓強度，結果發現它們的最大破壞荷載十分接近，平均值為43.2MPa；最后將剩下的未噴涂阻燃劑、噴涂磷—氮類阻燃劑和噴涂磷—氮水性阻燃劑的試塊置于酒精燈上燃燒5，10，15min后，用壓力機測量其抗壓強度。得到結果如表9所示。

表9 燃燒后的原木構件抗壓強度

由表9可看出，凡是噴涂阻燃劑后的木構件抗壓性能全部優于未噴涂阻燃劑的抗壓性能；并且經過5，10，15min的燃燒試驗，原木構件的抗壓強度下降較為明顯；而噴涂阻燃劑后，抗壓強度隨著燃燒時間的增長，相比原木構件抗壓強度的增加幅度越來越大。其中，噴涂磷—氮類阻燃劑的木構件抗壓強度比噴涂磷—氮水性阻燃劑木構件強度提高的幅度大。

2.3.3抗彎強度試驗 取一根原木構件，將其鋸成3根2m長的木料，并對其擺放支座處進行打磨處理使其平整。

1) 在每根木料的跨中位置進行清潔并黏貼應變片，用焊槍焊好接頭和電線并測量阻值無誤后涂上AB膠；

2) 選取阻燃劑中效果較好的磷—氮類阻燃劑對其中一根木料進行整根噴涂，待其完全干透后，進行下一步驟；

3) 將一根原木木料和一根噴涂磷—氮類阻燃劑的木料置于相同數量的酒精燈上，點燃酒精燈燃燒20min后，換一面再燃燒20min，比較兩根木料的碳化程度；

4) 將噴涂磷—氮類阻燃劑的木料置于試驗架上，接好應變儀和補償，然后在木料上方放置分配梁并調整好距離，利用液壓千斤頂對該木料進行兩點加載抗彎試驗，加載力穩定三秒后記錄液壓表和應變儀顯示讀數，直到力加到40kN為止。試驗得到的應力應變數據如表10所示。

表10 應力應變數據

注： *表示中間還有很多荷載數據。

由表10可知，燃燒后的木構件，隨著荷載的不斷加大，應變值較原木構件明顯減小，這也表明木構件變形較為明顯，而噴涂阻燃劑的木構件，燃燒后其應變值也隨之提高，使得木構件抗彎強度明顯增加，提高了木結構建筑物遇火災后的安全性能。

2.3.4老化和阻燃試驗 取6根噴涂阻燃劑的原材料置于多功能氣候模擬實驗室中，將實驗室溫度調為38℃，濕度調節為70%，開啟紫外燈光照，試驗時間為120h，循環3次共360h。另取6根噴涂阻燃劑的原材料進行燃燒，在每根木構件的每塊區域均用酒精燈燃燒20min后測定每個區域的碳化體積；將多功能氣候模擬實驗室中的試驗木料取出后在通風干燥處放至完全干燥，再用同上述相同的燃燒方法進行試驗并測定碳化體積。試驗結果如表11。

表11 老化試驗前的木構件在燃燒后炭化體積變化

試驗結束后發現木構件燃燒20min后木材均未被燒穿，根據表11中的數據得出：不論是哪種木構件，磷—氮類阻燃劑和磷—氮水性阻燃劑的炭化體積都是最低的。根據防火涂料防火性能標準來判定，磷—氮類阻燃劑和磷—氮水性阻燃劑為一級，有機磷雜環阻燃劑、阻燃油和乳液阻燃劑均為二級。

經過360h的老化試驗，木構件燃燒后的碳化體積相比老化前變化較小(表12)。這也表明阻燃劑大部分是以滲透的形式進入了木構件本體或牢牢吸附在木材表層，起到良好的保護作用。老化過程中的各種試驗條件并沒有降低阻燃劑本身的性能，因此，燃燒后，木構件的阻燃性能仍能保持良好。

表12 老化試驗后的木構件在燃燒后炭化體積變化

3 結 論

根據目前古建筑木結構火災特征和防火要求，通過對不同類型的阻燃劑進行研選，進行表觀、熱重、力學性能、耐老化、阻燃性能等試驗。試驗結果綜合表明：B2、B3阻燃劑涂覆后，對木構件的外觀(色度、光澤度、形貌等)影響相對較小；熱重分析法表明，阻燃劑能有效降低材料的高溫分解速率；阻燃劑對木構件表面硬度影響較小；同時，進行燃燒前后的軸向抗壓試驗和抗彎強度試驗等力學性能測試，涂覆磷—氮類阻燃劑或磷—氮水性阻燃劑，能有效減少構件燃燒后力學性能的變化；經過360h加速老化試驗表明，阻燃劑老化前后的防火性能變化較小，具有較好的耐老化性。阻燃劑對古建筑木結構防火安全有著很好的應用前景，在古建筑上噴涂阻燃劑，將在很大程度上減少了人員的傷亡和建筑物及物品的損壞，最大程度上降低火災的危害。

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