古建筑木构件的防火处理与性能研究

潘崇根，姜 行，杨亚楠，傅峥嵘，孟诚磊，奚三彩

(1． 浙江大学宁波理工学院，浙江宁波 315100； 2． 浙江省文物考古研究所，浙江杭州 310014)

0 引 言

中国大量的古建筑为木结构，并装饰有各类纱帐、经幡、哈达等易燃物品，建筑比较密集，防火分隔较小，人员疏散比较困难，建筑物本身耐火等级低，火灾隐患较大[1]。没有经过阻燃处理的古建筑木构件与布类装饰物为可燃物，容易引发火灾，如果不采取及时科学的消防安全保护措施，就会导致不可逆的破坏。近年来，已有许多历史古建筑毁于火灾。从2013年10月到2014年2月，湖南怀化洪江古商城共发生4起火灾[2]；2014年7月28日凌晨，全国重点文物保护单位宁波老外滩天主堂发生大火；2014年10月6日，宁海前童古镇发生火灾；2014年12月12日，贵州剑河苗寨起火共烧毁286间房屋[3]；2015年1月3日，具有600多年历史的云南巍山古城拱辰楼遭遇大火几乎化为废墟[4]。这样的案例举不胜举，因此，对于古建筑防火安全研究显得尤为重要。

如今，木结构阻燃剂在一般民用建筑方面的应用已经证明是有效的，可以考虑将其应用于古建筑中[5]。近年来，国内外学者从材料阻燃处理、表面防护、木构件的结构设计、防火设计等方面开展了研究。其中，通过阻燃材料可以达到隔热、隔氧、抑制燃烧的目的。经过阻燃处理的木构件，其抗火性能明显提高，木构件表面火焰的燃烧速度降低，相应地提高了构件的耐火极限，已成为木质文物建筑的有效防火途径，国内外学者在文物建筑防火保护方面进行了多方面的研究[6-12]。然而，这些阻燃剂对文物本体是否适用，缺少相应的应用技术研究认定；目前阻燃剂类型众多，是否会对古建筑本体造成影响，还尚无定论。同时，虽然国内外对木质材料或古建筑阻燃剂进行了大量的研究工作，但是真正在文物建筑实践应用的阻燃剂很少[13-20]。

本研究通过研选国内外透明水性阻燃剂，开展了阻燃剂涂覆木构件的性能效果评价，包括木构件涂覆阻燃剂前后外观、颜色、光泽度变化，并进行木构件强度、阻燃老化性能试验。

1 原材料与试验设备

1.1 试验原材料

本试验原材料分别是5种性能不同的阻燃剂和3种不同的木构件。阻燃剂的品名和性能如表1所示。木构件则是来自100年前的宁波地区古建筑，主要以杉木为主。取未涂漆的原木构件，涂漆的油漆木构件和桐油木构件3种原料各2根，其中一根进行清洗并晾干(该根木材在以下内容中称为清洗后的木构件)。分别为原木构件(UWUP)、清洗后的原木构件(WUP)、油漆木构件(UWP)、清洗后的油漆木构件(WP)、桐油木构件(UWT)、清洗后的桐油木构件(WUWT)。为方便实验记录，对每根木材和每种阻燃剂进行了字母编号，有机磷杂环阻燃剂(B1)、磷—氮类阻燃剂(B2)、磷—氮水性阻燃剂(B3)、阻燃油(B4)、乳液阻燃剂(B5)。

表1 阻燃剂的种类和性能

1.2 试件制备

在6根木料上各自取总长10cm且平均分为5个单元格子，在每个格子的木料上贴好标签，按标签分别涂覆不同类型的阻燃剂。如图1所示，原木构件、清洗后的原木构件、油漆木构件、清洗后的油漆木构件、桐油木构件、清洗后的桐油木构件等6根木材为一组原材料，准备3组。

1.3 试验仪器设备

试验主要包括木构件的外观、色度、反光度、性能检测和分析过程中所采用的仪器设备，主要仪器见表2。

表2 试验主要仪器设备

2 试验方法与结果

2.1 表观特征测量

2.1.1外观变化 在相应的格子上涂覆对应的阻燃剂后，等其完全晾干，观察试验前后木料外观的变化。根据图2，可以看出有机磷杂环阻燃剂对油漆木构件和桐油木构件的外观产生了影响；阻燃油则使原木构件表面颜色变得较深， 使油漆木构件的表面多了一层釉状物并有轻微掉漆的现象；乳液阻燃剂使所有的木构件表面均呈乳白色；相对的，磷—氮类阻燃剂对木构件的外观没有产生任何变化；除此之外，磷—氮水性阻燃剂则使桐油木构件的表面产生斑点状白色物质。

图1 不同类型的木构件

图2 木构件外观变化

2.1.2色度和反光度测量 外观变化结果为肉眼的直观判断，还需利用色度计、光度计等便携式仪器进一步测定喷涂阻燃剂后木料表面的色度与反光度，更好地说明阻燃剂对木料外观产生的变化。试验结果如表3～6所示。

表3 原木构件的色度测定值

表4 油漆木构件的色度测定值

表5 桐油木构件的色度测定值

将涂阻燃剂构件的色度各项指标值与无阻燃剂构件进行差值对比，对于原木构件而言，有机磷杂环阻燃剂、磷—氮类阻燃剂、磷—氮水性阻燃剂这三种阻燃剂对其外表颜色基本无影响；对于油漆木料和桐油木料而言，磷—氮类阻燃剂、磷—氮水性阻燃剂和阻燃油这三种阻燃剂对其外表颜色基本无影响。

根据表6可知：对于原木构件而言，有机磷杂环阻燃剂、磷—氮类阻燃剂、磷—氮水性阻燃剂对其外表反光度基本无影响；对于油漆木料而言，磷—氮类阻燃剂对其外表反光度基本无影响；对于桐油木料而言，磷—氮类阻燃剂、阻燃油这两种阻燃剂对其外表反光度基本无影响。

综合可得，磷-氮类阻燃剂对木料的表观特征影响最小，最适合各类古建筑使用。

表6 不同阻燃剂对木构件的反光度影响

2.2 表征测试

2.2.1热重分析法 热重分析法[7]简称TG，是使样品处在一定的温度程序控制下，观察样品的质量分数(%)随温度(℃)或时间的变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组分。本试验目的是利用热重分析法来确定喷涂阻燃剂后，木构件的质量分数随温度的变化关系，从而得出喷涂阻燃剂是否有利于木构防火性能。通过表观测试，已经知道磷—氮类阻燃剂和磷—氮水性阻燃剂要优于其他阻燃剂，所以在热重分析时，主要喷涂这两种阻燃剂。试验时，为无漆原木构件喷涂磷—氮水性阻燃剂；油漆木构件喷涂磷—氮类阻燃剂。试验结果如图3所示。

图3 TG曲线

通过图3中喷涂阻燃剂的木构件质量分数随温度的变化关系可以得出阻燃剂的阻燃效果。根据图中的斜率比较，可以看出喷涂阻燃剂后木料质量分数减少速率变慢，原木构件分解温度主要在250～580℃之间，在喷涂磷—氮水性阻燃剂后，最终分解温度有明显提升，在250～800℃之间，这表明阻燃剂能有效抑制木料在高温的分解速率；同时，对于油漆木构件，分解速率略微有所加快，主要集中在250～500℃之间，喷涂磷—氮类阻燃剂后，分解温度明显提高。因此，不同类型的阻燃剂对于有漆或者无漆木构件，都能提高木构件本身的分解温度，有利于防火安全。

2.2.2扫描电镜测试技术(SEM) 扫描电镜测试主要表征木构件样品涂覆阻燃剂后的表面微观结构形貌变化。本试验过程为首先在同一条油漆木构件的表面分区喷涂磷—氮类阻燃剂和有机杂环阻燃剂，待其完全干透后用工具在其表面取下一小块，分别为未喷涂阻燃剂、喷涂磷—氮类阻燃剂、喷涂有机杂环阻燃剂各一块，然后进行电镜扫描。扫描结果为图4所示。

由图4可见，喷涂磷—氮类阻燃剂在木材表面析出均匀的晶体，没有产生晶体堆积，而喷涂有机杂环阻燃剂在木材表面析出大量晶体且显堆积状态。同时，喷涂磷—氮类阻燃剂的木材表面用肉眼无法观察出于原木快相比的明显差异，而喷涂有机杂环阻燃剂的木材表面有能用肉眼观察出的明显差异，有白色物质析出。这项试验说明磷—氮类阻燃剂要优于有机磷杂环阻燃剂。

图4 喷涂阻燃剂的油漆木料的SEM图

2.3 力学性能测试

2.3.1表面硬度测量 取第2组原材料，喷涂阻燃剂后，利用邵氏硬度计分别对6根木构件的每个单元格子进行表面硬度测量，并对其结果进行比较。表中的增加幅度是指各个阻燃剂相对未做阻燃剂处理的木料的表面硬度增长百分比，如表7～9所示。

对于原木构件而言，有机磷杂环阻燃剂、磷—氮类阻燃剂、磷—氮水性阻燃剂对木料的硬度均有不同程度的提高。其中，磷—氮水性阻燃剂提高的幅度最大，其次是磷—氮类阻燃剂，最后是有机磷杂环阻燃剂。而很明显的是阻燃油和乳液阻燃剂会使未上漆木料的硬度较大幅度地降低。

对于油漆木构件而言，只有阻燃油使木构件的表面硬度降低，磷—氮类阻燃剂、磷—氮水性阻燃剂对木构件的硬度没有变化。有机磷杂环阻燃剂和乳液阻燃剂提高了木构件的硬度，二者比较，有机磷杂环阻燃剂更佳。

对于桐油木构件而言，磷—氮类阻燃剂、磷—氮水性阻燃剂和阻燃油这三种阻燃剂对其硬度均有提高。其中，磷—氮水性阻燃剂最优，然后依次是阻燃油，磷—氮类阻燃剂；而有机杂环阻燃剂和乳液阻燃剂会使其硬度降低，其中最差的是乳液阻燃剂。

表7 原木构件与油漆木构件表面硬度试验数据

表8 桐油木构件表面硬度试验数据

2.3.2轴向抗压性能试验 首先用原木构件制备12个尺寸大小为40mm×30mm×100mm的标准试块，并同等分为3组；然后取对外观影响最小的磷—氮类阻燃剂和磷—氮水性阻燃剂，一组四周涂覆磷—氮类阻燃剂，另一组四周涂覆磷—氮水性阻燃剂，最后一组保持原样。然后贴好标签并置于通风处48h；接着取上一步中的涂覆磷—氮类阻燃剂和涂覆磷—氮水性阻燃剂的试块各一块，用压力机测量其抗压强度，结果发现它们的最大破坏荷载十分接近，平均值为43.2MPa；最后将剩下的未喷涂阻燃剂、喷涂磷—氮类阻燃剂和喷涂磷—氮水性阻燃剂的试块置于酒精灯上燃烧5，10，15min后，用压力机测量其抗压强度。得到结果如表9所示。

表9 燃烧后的原木构件抗压强度

由表9可看出，凡是喷涂阻燃剂后的木构件抗压性能全部优于未喷涂阻燃剂的抗压性能；并且经过5，10，15min的燃烧试验，原木构件的抗压强度下降较为明显；而喷涂阻燃剂后，抗压强度随着燃烧时间的增长，相比原木构件抗压强度的增加幅度越来越大。其中，喷涂磷—氮类阻燃剂的木构件抗压强度比喷涂磷—氮水性阻燃剂木构件强度提高的幅度大。

2.3.3抗弯强度试验 取一根原木构件，将其锯成3根2m长的木料，并对其摆放支座处进行打磨处理使其平整。

1) 在每根木料的跨中位置进行清洁并黏贴应变片，用焊枪焊好接头和电线并测量阻值无误后涂上AB胶；

2) 选取阻燃剂中效果较好的磷—氮类阻燃剂对其中一根木料进行整根喷涂，待其完全干透后，进行下一步骤；

3) 将一根原木木料和一根喷涂磷—氮类阻燃剂的木料置于相同数量的酒精灯上，点燃酒精灯燃烧20min后，换一面再燃烧20min，比较两根木料的碳化程度；

4) 将喷涂磷—氮类阻燃剂的木料置于试验架上，接好应变仪和补偿，然后在木料上方放置分配梁并调整好距离，利用液压千斤顶对该木料进行两点加载抗弯试验，加载力稳定三秒后记录液压表和应变仪显示读数，直到力加到40kN为止。试验得到的应力应变数据如表10所示。

表10 应力应变数据

注： *表示中间还有很多荷载数据。

由表10可知，燃烧后的木构件，随着荷载的不断加大，应变值较原木构件明显减小，这也表明木构件变形较为明显，而喷涂阻燃剂的木构件，燃烧后其应变值也随之提高，使得木构件抗弯强度明显增加，提高了木结构建筑物遇火灾后的安全性能。

2.3.4老化和阻燃试验 取6根喷涂阻燃剂的原材料置于多功能气候模拟实验室中，将实验室温度调为38℃，湿度调节为70%，开启紫外灯光照，试验时间为120h，循环3次共360h。另取6根喷涂阻燃剂的原材料进行燃烧，在每根木构件的每块区域均用酒精灯燃烧20min后测定每个区域的碳化体积；将多功能气候模拟实验室中的试验木料取出后在通风干燥处放至完全干燥，再用同上述相同的燃烧方法进行试验并测定碳化体积。试验结果如表11。

表11 老化试验前的木构件在燃烧后炭化体积变化

试验结束后发现木构件燃烧20min后木材均未被烧穿，根据表11中的数据得出：不论是哪种木构件，磷—氮类阻燃剂和磷—氮水性阻燃剂的炭化体积都是最低的。根据防火涂料防火性能标准来判定，磷—氮类阻燃剂和磷—氮水性阻燃剂为一级，有机磷杂环阻燃剂、阻燃油和乳液阻燃剂均为二级。

经过360h的老化试验，木构件燃烧后的碳化体积相比老化前变化较小(表12)。这也表明阻燃剂大部分是以渗透的形式进入了木构件本体或牢牢吸附在木材表层，起到良好的保护作用。老化过程中的各种试验条件并没有降低阻燃剂本身的性能，因此，燃烧后，木构件的阻燃性能仍能保持良好。

表12 老化试验后的木构件在燃烧后炭化体积变化

3 结 论

根据目前古建筑木结构火灾特征和防火要求，通过对不同类型的阻燃剂进行研选，进行表观、热重、力学性能、耐老化、阻燃性能等试验。试验结果综合表明：B2、B3阻燃剂涂覆后，对木构件的外观(色度、光泽度、形貌等)影响相对较小；热重分析法表明，阻燃剂能有效降低材料的高温分解速率；阻燃剂对木构件表面硬度影响较小；同时，进行燃烧前后的轴向抗压试验和抗弯强度试验等力学性能测试，涂覆磷—氮类阻燃剂或磷—氮水性阻燃剂，能有效减少构件燃烧后力学性能的变化；经过360h加速老化试验表明，阻燃剂老化前后的防火性能变化较小，具有较好的耐老化性。阻燃剂对古建筑木结构防火安全有着很好的应用前景，在古建筑上喷涂阻燃剂，将在很大程度上减少了人员的伤亡和建筑物及物品的损坏，最大程度上降低火灾的危害。

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