正交胶合木墙板火灾炭化试验研究
（1.应急管理部天津消防研究所，天津300381；2.应急管理部消防产品合格评定中心，北京100071）摘要：采用耐火试验炉，开展了正交胶合木墙板试件在标准火灾条件下的炭化试验，研究正交胶合木墙板内部不同深度处的温度变化曲线、炭化深度和炭化速率等变化规律，分析不同胶粘剂对层板脱落和炭化速率的影响，对比层板脱落或不脱落情况下炭化深度的计算方法。关键词：正交胶合木；炭化速率；胶粘剂；层板脱落；耐火极限基金项目：国家重点研发计划项目（2018 YFC0807600）现代木结构建筑的发展趋势是向装配化及多高层的方向发展，据不完全统计，国际上已建成的高层木结构建筑约有50多栋，绝大多数采用了正交胶合木结构（Crosslaminatedtimber，CLT）的体系。正交胶合木是一种新型装配式木结构建筑材料，采用木板正交叠放胶合而成，具有优良结构性能并符合环保、可持续发展的理念。CLT结构在我国的应用日渐增多，大家对其消防安全的关注也越来越重视，但相关研究还处于起步阶段。截面尺寸较大的普通木构件具有良好的耐火性能，其炭化过程缓慢且炭化速率较为恒定；然而对于CLT构件，前人研究发现，当CLT缝胶温度达到150～200 ℃时，胶粘剂的黏性会急剧下降，又由于木材炭化过程中顺纹和横纹方向收缩率的差异，很容易导致CLT层板脱落，在失去炭层保护情况下，内部层板提前发生炭化，严重影响构件的耐火极限。相关试验还发现，在内部层板突然暴露后，还可能导致火灾热释放速率急剧增大，造成室内的二次轰燃，大大增加了CLT木结构建筑的火灾危险性。本文主要研究CLT墙板在火灾条件下的炭化特性，通过对不同胶粘剂的试件开展炭化试验，研究CLT墙板内部不同深度位置处的温度变化曲线、炭化深度和炭化速率等变化规律，分析不同胶粘剂对层板脱落和炭化速率的影响，并对炭化深度的计算方法进行验证，提出设计建议。1 试验概况
1.1 试件材料及制作
本研究开展了4个CLT墙板试件在标准火灾条件下的炭化试验，见表1。各试件尺寸均为1300 mm×800 mm×105 mm（长×宽×厚），采用3层层板，各层厚度均为35 mm。本研究所用胶为单组分聚氨酯（Polyurethane，PUR），是胶合木结构常用的胶粘剂。试件3 L-A和3 L-B采用普通单组分PUR胶（型号R645），3L-C1和3L-3 C2采用耐热型PUR胶（型号HBX）。木材选用材质等级为1级的SPF，含水率为12%～15%（平均约为13%），平均密度约为460 kg/㎡。制作CLT试件时，施胶量约为160 g/㎡，冷压时间为1 h。1.2 试验条件及测点布置
试验炉的炉膛尺寸宽×高×深为2.4 m×2.4 m×1.2 m，该试验炉可以在正面或顶部安装试件框架，具备对垂直或水平试件开展非加载条件下的耐火性能测试的能力。本研究采用在同一片框架上安装2个试件的方式，同时对2个试件开展试验。试验炉及试件示意图如图1所示。图2为试件框架及试件实物图。为测量试件内部的温度变化，在试件不同位置沿厚度方向每隔17.5 mm布置一个热电偶，每个深度各布置3个热电偶，如图3所示。例如，第一层热电偶（A1、B1和C1）距受火面的深度为17.5 mm，第二层热电偶距受火面的深度则为35 mm，以此类推。2 试验过程
试验炉内温度遵循国家标准GB/T9978的升温曲线，试验时间为90 min。点火约2 min后，CLT试件表面发生燃烧。随着试验的继续，通过观察窗可以观察到，采用普通PUR胶的试件和采用耐热型PUR胶的试件，其燃烧情况有所不同。对于采用普通PUR胶的试件3L-A和3L-B，点火后约30 min，试件表面陆续发生局部小炭块的脱落现象，如图4（a）所示；当试验进行到约50～60 min时，陆续开始出现大片较厚的炭块脱落的情况，且脱落面积不断变大；当试验进行到约70 min时，从试件表面的纹路上可以判断，位于第一层的层板已基本脱落，如图4（b）所示。对于采用耐热型PUR胶的试件3L-C1和3L-C2，点火后约30 min，试件表面也出现局部小炭块脱落的现象，如图4（c）所示；随着试验继续，试件表面未发生大面积的层板脱落现象，当试验进行到接近90 min时，从试件表面的纹路上可以判断，第一层层板基本完好，试验过程中未发生明显的大面积层板脱落现象，如图4（d）所示。试验进行到90 min后，切断试验炉的燃气，并迅速将试件从框架上吊出，采取浇水灭火。从停止试验到灭火的时间间隔约为5 min。在测量残余截面的厚度时，需考虑该间隔对炭化的影响并进行修正。试验结束后，从中间锯开试件，观察残余截面的状态。试件3L-A的残余截面还剩约1层层板，试件3L-B剩余不足1层层板，试件3L-C1和3L-C2剩余约113层层板。从残余截面的厚度对比可见，对于采用普通PUR胶的试件，由于第一层层板在试验过程中发生脱落，导致第二层层板的炭化变快，因此最终残余截面的厚度较小。对于试件3L-A和3L-B，采用中试生产线生产的试件3 L-B在试验中的炭化速率相对较大，这可能与该试件的侧面板缝间隙较大有关。对于采用耐热型PUR胶的两个试件（3L-C1和3L-C2），其残余截面厚度基本一致，说明炭化试验结果具有较好的可重复性。3 试验结果及分析
3.1 温度数据
各试件不同深度处热电偶的温度-时间变化曲线如图5所示。从图5可知，受水分蒸发影响，各曲线在100～120 ℃会出现一个平台，随后开始快速上升。对于位于同一深度不同位置的热电偶（如A1、B1和C1），其温度曲线存在一定的离散性，这是由于木材是天然材料且各项异性，同时炭层还可能发生随机局部脱落等不确定性因素。尽管存在离散性，但仍能较清楚地分辨出不同深度处各曲线之间存在明显的梯度差别。图5中部分最外层热电偶（17.5 mm处）的温度超过炉温。这是因为这些位置可能出现了炭层龟裂收缩甚至局部炭块脱落的现象，导致热电偶直接暴露于炉膛高温烟气及木材表面火焰的双重加热作用下，因此出现局部温度略高于炉温的情况。对不同位置、相同深度处的各温度进行平均，得到较好的一致性，如图6所示。以图6中位于17.5 mm深处的温度曲线为例，该曲线为试件中A1、B1和C1处3个热电偶数据的平均值。从图6（a）可知，对于采用普通PUR胶的试件，试件3L-B的升温速率略快于3L-A，因此3 L-B的炭化速率略高于3 L-A。从图6（b）可知，对于采用耐热型PUR胶的试件3L-C1和3L-C2，二者的温升曲线基本一致，其炭化速率也非常接近。 木材在高温下发生热解并炭化，通常把300℃定义为木材的炭化温度。根据试验测得的木材温度数据，可以得到炭化层前到达17.5、35.0、52.5、70.0 mm等不同深度处的炭化时间，见表2。表2中的平均炭化时间，是指A、B、C三个位置发生炭化的平均时间；分段炭化速率是指相邻两个深度热电偶之间的距离Δd除以这两个热电偶所在位置木材发生炭化的时间差值Δt；整体炭化速率是指该位置的深度d除以该位置木材发生炭化的时间t。例如，试件3L-A中35.0～52.5 mm的分段炭化速率为1.03 mm/min，而52.5 mm处的整体炭化速率为0.71 mm/min。除通过热电偶的数据计算炭化速率外，还可以通过残余截面的尺寸计算试件的整体炭化速率，见表3。残余截面的平均厚度为截面宽度6等分处5个不同位置厚度的平均值。平均炭化深度=105−残余截面的平均厚度（mm）；测量的整体炭化速率=平均炭化深度/90（mm/min）；52.5 mm深度处热电偶对应的炭化速率=52.5/该位置处的炭化时间（mm/min）；残余截面的厚度考虑了从停火到灭火5 min间隔对炭化的影响，并进行了修正。从表3可知，根据残余截面计算的整体炭化速率略大于根据热电偶计算的炭化速率，特别是对于普通PUR胶的试件而言。其原因是，一方面试验结束后吊出试件灭火需要一定时间，所以试件经历了约5 min的额外炭化；另一方面，对于采用普通PUR胶的试件，在第一层层板脱落后，第二层的炭化速率不断增加，所以最终的炭化速率会高于52.5 mm处的炭化速率。图7为炭化深度随时间的变化曲线以及与欧洲标准EC5的对比。在EC5中，普通实木和胶合木的名义炭化速率β0为常数0.65 mm/min，因此炭化深度dchar=0.65t。从图7可知，对于采用耐热型PUR胶的3L-C1和3L-C2试件，其炭化深度的变化曲线与EC5基本一致，说明采用这种胶粘剂的CLT试件的炭化情况与普通实木和胶合木类似；而采用普通PUR胶的3L-A和3L-B试件，在第一层层板发生脱落前（约50～60 min），其炭化深度的变化曲线与采用耐热PUR胶的试件基本重合，但在脱落发生后，其炭化程度明显加快，远高于欧洲标准中的曲线。图8为炭化速率随时间的变化曲线以及与欧洲标准EC5的对比。从图8可知，对于采用耐热型PUR胶的3L-C1和3L-C2试件，其炭化速率较为恒定，与EC5中的值基本一致；采用普通PUR胶的3L-A和3L-B试件，在第一层层板发生脱落后（约50～60 min），其炭化速率显著增加，远高于欧洲标准中的炭化速率。图9为炭化速率与炭化深度的关系曲线。x=35 mm和70 mm的位置分别对应的是第一层和第二层层板的胶线。图9较为直观地展现出炭化速率与胶粘剂的关系：在炭化深度到达第一层胶线之前，各试件的炭化速率差别不大；当炭化深度超过第一层胶线后，采用普通PUR胶的炭化速率显著增加；当试验结束时，采用耐热型PUR胶的试件，其炭化深度不足60 mm，而采用普通PUR胶的试件，其炭化深度几乎达到甚至超过了第二层胶线。 3.4 炭化深度的计算
根据以上试验结果，对于采用耐热型PUR胶的试件，其炭化速率仍然可以按照常数β0=0.65 mm/min进行设计计算。对于采用普通PUR胶且各层厚度为35 mm的试件，首层层板的炭化速率仍为0.65 mm/min；对于第二层层板，参考欧洲标准EC5，在第一层层板脱落后，其炭化速率上升至2β0=1.3 mm/min，当炭层厚度达到25 mm时，炭化速率又恢复到β0。根据该原则，第一层发生脱落的时间约为53.8 min；第二层发生脱落的时间约为34.6 min。当总受火时间为t时，预计可能发生脱落的层数=1+[（t-53.8）/34.6]，其中[]为取整符号。可以采用分段计算的方式确定普通PUR胶试件的炭化深度，得出采用普通PUR胶的试件炭化深度与受火时间的关系，如图10所示。 把本研究实测的CLT试件炭化深度与计算值进行对比，见表4。从表4数据可知，上述公式可以用来对CLT层板发生脱落及未脱落情况下的炭化深度进行计算。对于层板厚度为其他尺寸的CLT构件，可以参考该方法并在计算中改变层板的厚度，以便对构件的炭化深度进行测算。4 结论
（1）对于层板厚度为35 mm的CLT试件，当采用普通PUR胶时，第一层层板炭化脱落的时间约为50～60 min；当采用耐热型PUR胶时，未出现明显的层板炭化脱落现象。（2）在发生脱落前，采用普通PUR胶的试件炭化速度与采用耐热型PUR胶的试件炭化速率接近，但在首层层板炭化脱落后，其炭化速率明显上升，在35.0～52.5 mm范围的分段炭化速率超过1.0 mm/min；而采用耐热型PUR的试件炭化速率始终比较恒定，约为0.65 mm/min。（3）可采用恒定炭化速率0.65 mm/min计算耐热型PUR胶试件的炭化深度；对于普通PUR胶试件，可采用分段式的计算方法确定其炭化深度随时间的变化规律。（4）采用耐热型PUR胶可有效改善CLT层板的抗脱落性能，使炭化速率稳定，有助于提高CLT结构的防火性能。建议尽快制定CLT胶粘剂在高温下抗脱落性能的测试标准，对胶粘剂的抗脱落性能进行评估，提升CLT结构的安全应用范围。
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