国内外木结构建筑防火技术研究现状

马国儒邵路山张玉涛张博王鹏宇

(1.北京建筑材料检验研究院有限公司，北京 100041；2.国家建筑防火产品安全质量监督检验中心，北京 100041；3.中国船级社质量认证公司，北京 100006)

引言

木材具有舒适、环保、可再生、节能和抗震等优点，广泛应用于建筑领域。作为天然有机物质的木材，主要由纤维素、木质素组成，易燃并释放大量的热量，极易引发突发性火灾，威胁人们的生命财产安全，在使用过程中存在很大的局限性[1]。建筑中采用大量木质装修材料，会加大火灾荷载和火势蔓延的速度。另外，木材燃烧过程中会产生大量的有害烟气，加大了人员疏散的潜在压力和火灾的危险性，对人们的生命财产安全造成极大威胁。世界各地均发生过因木结构建筑而引发的大火，造成众多文物古迹毁于一旦。2018年，拥有二百年历史的巴西国家博物馆发生火灾，大量藏品在大火中被烧毁，造成了无法估量的损失。2019年，法国巴黎发生了震惊世界的巴黎圣母院大火，大火导致其尖顶坍塌，致使这座历史悠久的古建筑毁于一旦。为了减少此类事故的发生，木结构建筑材料防火处理显得尤为重要。

木结构建筑的安全应用研究主要集中在木材燃烧特性研究和木材阻燃研究2个研究方向[2-5]。木材燃烧特性的研究主要是对木材热解、燃烧和碳化过程进行试验研究和理论分析。木材阻燃研究主要包括木材阻燃改性研究[6-9]和木结构防火处理。本文综述了国内外木材阻燃和木结构建筑防火构造的研究进展，并对未来木结构建筑防火技术发展进行了展望。

1 木结构建筑的燃烧特性

1.1 木材的燃烧

木材遇火后，木材的热传递方式和分解均与外部因素有直接关系。在以往的研究中，Konig[10]认为，木材燃烧时热传递方式分为传导、对流和辐射3种形式；外部燃烧环境会将热量通过传导方式传递到木材内部，木材内部蒸发的水分通过对流方式在冷木材区域重新形成，与此同时，木材表面的炭化会进一步造成对流和辐射的传热方式的发生。Lau等[11]研究认为，外部火场的温度、木材的树种和密度等是木材燃烧并分解的主要影响因素，而树种类别、含水率、渗透率等则是影响木材热量交换的主要因素；当温度达到200～400℃时，木材开始燃烧，热量迅速释放并达到高值；随着温度的增加，炭化层开始形成，在一定程度上能够阻止热量向冷木区传递[12]；当温度达到300℃以上，炭化层开始分解，木材横切面方向出现小裂纹，随着炭化深度的增加，裂缝宽度将会加大，裂缝呈鳄鱼皮式分布。刘山山[13]等认为，木材燃烧过程可以分为热分解速度缓慢阶段、热分解速度加快阶段、热分解急剧发生阶段和汽化阶段。燃烧初期，基材的燃烧会消耗一部分能量并伴随惰性气体(水蒸气、二氧化碳等)的释放。随着燃烧的进一步进行，水分全部蒸发并产生一氧化碳等可燃气体。随后热解反应加剧，产生更多可燃气体(乙烯、甲烷等)，并且会产生焦油以及醋酸等分解产物。热分解过程结束之后，木炭就会发生燃烧，释放热量进入汽化阶段并在极短的时间内产生一些易燃及挥发性的气体。

基于上述木材燃烧过程的观点，木材燃烧过程依次可分为干燥准备阶段、有焰燃烧阶段和无焰燃烧阶段。干燥准备阶段，温度升高木材中水开始蒸发。当温度达到150～200℃时，木材开始分解，产生水蒸气、CO2、甲酸和乙酸等惰性气体。随后温度升高，进入有焰燃烧阶段。当温度>200℃后，木材发生炭化反应，此时会产生少量水蒸气和CO、甲烷等可燃气体并伴随闪燃现象。产生的可燃气体也会参与燃烧反应，进一步加大燃烧程度，导致温度进一步升高。当温度逐步升高至280℃时，木材开始剧烈燃烧，产生大量可燃气体，进入稳定的有焰燃烧阶段。随着燃烧反应的持续进行，木材的有机成分会被完全分解。此时则标志着有焰燃烧阶段的结束，进入无焰燃烧阶段。随着燃烧的进行，可燃气体的浓度越来越小，氧气会扩散到炭层表面燃烧，直至完全熄灭。木材燃烧过程非常复杂，往往伴随火焰燃烧阶段、无焰燃烧和阴燃。当可燃气体的有焰燃烧完成后，炭的无焰燃烧仍可持续较长的时间[14]。

1.2 木材的炭化

木材易燃，燃烧后表面形成的炭层能够隔绝基材与外界氧气和热量的传递。一般认为木材转化为炭层的温度为300℃；而在北美，这一温度被认为是288℃。而在300℃附近木材升温曲线变化很快，因此取300℃或288℃对判断炭化深度(炭化深度是指木材的外表面到炭化线所在位置间的距离)并没有太大的影响。木材在炭化后的结构由外到内，可以分为碳化层、热解层以及木材基层，如图1所示。木材受热后，随着温度的升高，木材的结构也会发生很大的变化。当温度升高至100℃以上时，木材中的水分开始蒸发。随着温度继续升高至200℃，此时木材会热解产生可燃性气体，导致木材颜色变化和质量损失。随后温度继续升高超过300℃后，则会出现明显的炭层[15]。

图1 木材炭化内部结构示意图

木材的炭化速率，一般由炭化深度和受火时间决定。而木材炭化速率的影响因素主要包含材料特性与外部因素。其中，材料特性包括木材的物理形状、密度、导热性能及含水率等；外部因素包括受火温度和氧浓度[16]。具体而言，当密度越大，含水率越高时，木材的炭化速率越缓慢。而当木材的加热温度高，通风供氧条件良好时，燃烧速度也会加快。

1.3 木结构建筑燃烧特点

木结构建筑历史悠久，广泛应用于宗教、文化、住宅等建筑中，以及大型构筑物与桥梁中。国内外学者研究了木结构建筑的燃烧过程，发现木材的燃烧常常伴随着火势蔓延速度快、燃烧剧烈、建筑物易坍塌、扑救及灭火困难等特点。

1.3.1 火势蔓延速度快

木结构建筑火灾载荷大，易燃烧。火灾发生时，高温烟气在室内沿垂直的木构件迅速向上蔓延并聚集在屋顶。在室内良好的空气对流条件下，高温烟气会沿屋顶向四周快速蔓延并迅速到达轰燃阶段，导致建筑物的全面燃烧。

1.3.2 燃烧猛烈易垮塌

木结构建筑多使用香樟、松柏等木材，火灾荷载较大。另外，木质构件通常较为干燥，加之表面涂覆的油漆未做阻燃处理或处理程度不足，极易在木质构件的表面形成火势。随后，火势沿木结构边向整个建筑物迅速蔓延并形成猛烈的立体燃烧，最终造成建筑物全面垮塌。

1.3.3 火灾扑救难度大

木结构常见于古建筑应用中，而古建筑大多建造在岛屿、深山等偏僻或者建筑物密集、巷长路窄的地方。这些地方往往伴随消防水源缺乏、消防车通道不畅、防火间距不足等问题，导致消防人员无法正常开展火灾的扑灭工作，延误火灾扑灭的最佳时间，造成人身财产的损失。

1.3.4 灭火困难

与钢筋混凝土建筑相比，木结构建筑强度较低，燃烧过程中会进一步降低其强度，容易发生垮塌，加大灭火难度。

1.3.5 木材自身因素

基于木结构建筑燃烧特点，从木材内部因素出发，影响木材燃烧速度的因素有密度、含水量、比表面积和纹理结构等。

方志勇等[17]研究人员对影响木材燃烧的自身因素进行总结，结果显示，木材的燃烧速度随木材密度的增大而变慢；含水量越高，燃烧速度越低；比表面积越大，燃烧速度越快；沿平行方向逸出的可燃气体的量和燃烧速度均大于垂直方向。

2 木结构建筑中木材的阻燃研究

基于木材的燃烧特性，通常对木材进行阻燃处理或进行防火构造处理。木材的阻燃是利用阻燃剂对木材进行处理，从而抑制木材燃烧，达到阻燃的目的。木材阻燃剂的阻燃机理主要包括凝聚相阻燃机理和气相阻燃机理。凝聚项阻燃机理。在木材内部添加或表面涂覆阻燃剂，能够在木材燃烧过程中形成玻璃状或稳定的泡沫碳化层[18]，隔绝木材基材与外界氧气和热量的传递，进一步降低可燃物的燃烧，在凝聚相中发挥阻燃作用，从而起到阻燃目的；一些含磷、硅的化合物，在燃烧过程中会产生含P、Si碎片和能够促进基材脱水炭化并覆盖在炭层表面，形成致密炭层；这些炭层能够很好地隔绝木材基体与外界环境氧气和热量的传递，起到了很好屏障保护作用，有效抑制了基体的燃烧强度[19]；另外，一些复配阻燃剂能够在燃烧过程中产生含有Si-C[20]，P-C[21]等交联键的致密炭层，有效起到抑烟、抑热作用。气相阻燃机理。在木材燃烧过程中，阻燃剂受热分解会产生CO2、N2、H2O、SO2等惰性气体，这些惰性气体能够稀释木材产生的热解产物，起到气体稀释效应，减缓燃烧反应。另外，阻燃剂在木材燃烧过程中会产生活性自由基，能够与燃烧中产生的氢自由基和氢氧自由基发生反应，中断燃烧链式反应，从而达到阻燃[22]。

木材的阻燃处理主要分为阻燃剂添加法、阻燃剂溶液浸注法和表面涂覆处理法等。

2.1 阻燃剂添加法

阻燃剂添加法是一种在胶粘剂中加入阻燃剂或者在创花、木纤维中拌入阻燃剂的方法。常用于胶合板和创花板等人造板的阻燃处理。木材刨花板胶粘剂分为醛类胶粘剂(也叫三醛胶)、聚氨酯胶粘剂和聚醋酸乙烯酯乳液胶粘剂等。而刨花板胶粘剂常用的阻燃剂大体可分为无机阻燃剂、有机阻燃剂、树脂型阻燃剂和反应型阻燃剂等。

唐勇等[23]在木材阻燃方向做了很多研究，值得借鉴。以聚乙烯醇(PVA)为原料通过氧化、加成反应制备了含磷双组分水性聚氨酯木材胶黏剂(P-PU)。将P-PU应用于刨花板，提高了极限氧指数(LOI)和成炭能力，明显提高了刨花板的阻燃性能，对阻燃木材的发展具有积极作用。

2.2 阻燃剂溶液浸注法

阻燃剂溶液浸注法是指在加压、常压等条件下，将阻燃剂溶液注入到木材制品中。在不同压力下，阻燃效果也各不相同，目前国内外通常采用常压浸注法和加压浸注法。

杉木和泡桐2种木材渗透性好且试件尺寸较小，因此常利用常压浸注法进行阻燃处理。涂道伍等[24]对杉木和泡桐利用中国科学技术大学研制的KY-Fw木材阻燃剂制备阻燃液，在常温常压浸泡7d能够达到难燃一级的阻燃效果，具有很好的应用价值。

加压浸渍法是木材阻燃最常用的一种处理方式。王清文等[25]采用真空-加压法将主要由磷酸脒基脲(GUP)和硼酸组成的阻燃剂FRW处理含水率为12%的紫椴板材。通过锥形量热仪测试可知，GUP与硼酸之间存在显著的阻燃协同效应。FRW可以通过催化木材的脱水反应而改变其热解反应的途径，并使其向着有利于生成炭质的方向进行，减少了挥发性可燃物的生成，降低木材燃烧时的热释放，从而达到对木材的良好阻燃作用。

2.3 表面涂覆法

在加工成型的木材及其制品表面上涂覆防火涂料，以期达到隔热隔氧的目的。常用的防火涂料可分为非膨胀型防火涂料和膨胀型防火涂料。表面涂覆具有操作方便、设备简单、添加量较小，能有效控制火势蔓延且对木材物理机械性能影响小等优点。但是一旦保护层破损，阻燃效果随即消失。

王奉强[26]合成一种膨胀型水性改性氨基树脂阻燃涂料，可应用于胶合板中，具有优异的阻燃效果。这种阻燃涂料具有热失重速率小、成炭率高、阻燃性能优异等优点，并且能够与膜树脂具有良好的协同阻燃作用，形成致密的泡沫结构，表现出优异的阻燃和抑烟效能，有效延缓火势蔓延，降低火灾潜在危险性。

3 木结构建筑防火技术

除了对木结构建筑中木材进行阻燃处理，还可以采取被动防火技术与主动防火技术减缓或阻止木结构建筑的燃烧。

3.1 被动防火技术

3.1.1 封装处理

为了避免木材直接燃烧，通常将一些不燃的矿物棉添加在木龙骨之间，然后在其表面覆盖一层石膏板。随后将木构件进行全面包裹，使得构件得到更高的耐火极限。这种用耐火石膏板来包裹裸露木构件以达到防火目标的做法称为封装。

另外，设置隔火构造的方法也能够有效防止火焰、高温气体、烟气在构件内传播。隔火构造分为水平隔火构造和竖向隔火构造[27]，水平隔火构造可以限制火焰在水平构件中传播，竖向隔火构造则将各个隐蔽空间分隔开来，形成独立的隔火空间来限制氧气量以达到限制火焰增长的目的。

3.1.2 设置防火分区

利用防火门、防火卷帘等设施能够将建筑划分为不同的分区，可以有效地将火灾在一定时间内限制在局部区域内，减缓火势蔓延并隔绝烟气的传播。采用建筑物划分防火区的措施，可以在建筑物发生火灾时，将火灾有效控制在一定范围内，减少火灾损失，为安全疏散和灭火工作提供有利条件。

1.木柱；2.耐火石膏板；3.木板

3.1.3 设置合理防火间距

防火间距是指相邻2栋建筑物之间，保持适应火灾扑救、人员安全疏散和降低火灾时热辐射的必要间距。IBC[28]和NBC[29]都是根据开口情况和外墙材料来确定防火间距，其中美国为1.5～3m，加拿大为1.2～2m。德国、瑞典和瑞士规范规定了最小的间距数值，分别为6m、4m和4m。中国规范关于建筑防火间距规定，对于不超过3～4层的商务或居住木结构建筑，当外墙门窗洞口面积之和不超过外墙总面积的10%时，两相邻建筑物的防火间距应为5～7m。

3.2 主动防火技术

3.2.1 火灾探测技术

火灾探测系统主要是通过探测燃烧过程中所产生的各种物理、化学现象来实现的，目的是发现早期火情，保护人们的生命财产安全[30]。对气、烟、热、光等火灾参量做出有效响应，转化为计算机可接收的电信号并分析处理。国内外探测技术发展方向主要分为2个[31]，即发展新的火灾判据、火灾识别模式和基于此的火灾探测器或复合探测器[32,33]；基于现有的探测器原理方法与其它技术交叉通过改进信号采集和处理方法来改善系统性能[34]。

根据监测的火灾特性不同，火灾探测器可分为感烟、感温、感光、复合和可燃气体等5种类型，每个类型又可根据其工作原理的不同而分为若干种。同时根据感应元件的结构不同，可分为点型火灾探测器和线性火灾探测器。

在设计火灾自动报警控制系统时，对于不同的场合应选择不同的探测器，一般分为感烟探测器、感温探测器、火焰探测器以及复合探测器等。其中，对火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射的场所；使用、生产或聚集可燃气体或可燃蒸汽的场所，可选用感烟探测器。对火灾发展迅速，有强烈的火焰辐射和少量的烟、热的场所，则应选择火焰探测器。另外，电缆隧道、竖井、夹层、桥梁和各种皮带传送装置、配电开关、变压器等场所，对相对湿度>95%，正常情况下有烟和水蒸气的场合，如厨房、锅炉房和洗衣房等场所应选用感温探测器[30]。复合探测器则适用于火灾发展迅速，可产生大量热、烟和火灾辐射的场所以及装有联动装置、自动灭火系统以及用单一探测器不能有效确认火灾的场所。

3.2.2 灭火技术

灭火技术则是利用气体、干粉和水等构成的灭火系统，对木材燃烧引发的火灾进行扑灭的技术，可分为气体灭火系统、超细干粉灭火系统和超细水雾灭火系统。其中，气体灭火系统是在发生火灾时，对火场喷射二氧化碳、三氟甲烷和七氟丙烷等惰性气体灭火剂，从而降低火场中氧气浓度，达到灭火的效果。气体灭火系统对建筑设施损害小，对建筑的围护要求较高。与气体灭火系统相比，超细干粉灭火系统则对建筑的围护要求较低。在使用过程中可将90%的粒径≤10μm超细干粉灭火剂微粒射入大气中，形成烟幕状气溶胶[35]，具有比表面积大、活性高、受热分解速度快、捕获火焰自由基能力强、灭火效率高等特点，而且具有弥散性、流动性、可压缩性等气体灭火剂的特点，能够实现全淹没式灭火。另外，超细水雾灭火系统则是使用特殊喷嘴，通过高压喷射产生水微粒。水雾比表面积增大，更容易吸收热量，冷却燃烧反应。超细水雾灭火系统具有灭火效率高、反应快、用水量极少、灭火后对建筑损坏小等特点。

4 结语

针对木结构建筑的火灾风险，国内外学者提出了改善木材燃烧特性、设置科学合理的防火间距和防火分隔的各项被动防火技术，提升火灾探测预警技术，增强灭火能力等科学方法。

对木结构建筑防火技术在防火理念上创新、阻燃材料研发、防火性能好的工程木产品研发、新型灭火技术等方面进行了展望。从防火理念上的创新不仅要着眼于木制构件的燃烧性能，还要关注于木制构件的耐火极限的研究。强调木制构件的耐火极限，可以保证结构在火灾中的强度及稳定性，为人员逃生创造时间。另外，研发高效、环保、无毒的绿色阻燃剂和高性能的阻燃木材，从根源上减少人员在火灾中因吸入毒性气体而死亡。火灾下的木结构稳定性对于阻止火灾的蔓延至关重要，提高木产品(如胶合木、交错层压木材、单板层级材等)采用的结构用胶在火灾下的性能以及增加喷淋系统均能有效阻止火灾蔓延。