453消防科学与技术2018年4月第37卷第4期修改时间：2018年03月30日18:24:16电脑XF-E排图文yjy校对
摘要：状态调节是材料燃烧特性试验前的必要环节，对热解参数结果可能产生重要影响。以不同含水率胶合板和织物试样为例，分别进行锥形量热仪、单体燃烧和垂直燃烧试验，对比热释放速率、总放热量、燃烧增长率指数、续燃、阴燃和损毁长度等特性参数的差异及产生原因，分析水分含量的差别在不同材料热解试验或试验不同阶段的影响及表现形式。研究结论有助于加深试验操作者对状态调节处理的认识程度，提高试验过程的稳定性和结论的准确性。关键词：建筑材料；建筑制品；状态调节；燃烧性能；热释放速率中图分类号：X924.4,TK121,TU531文献标志码：B文章编号：1009-0029（2018）04-0453-04
状态调节是使材料或试样的物理属性达到标准状态的操作过程，一般指试样的质量、温度、湿度和含水率等参数恒定于满足标准要求的某种状态，为保证采用同一试验方法的多种材料的试验结果具有可比性，使其试验前的原始状态保持一致，必须经过适宜的状态调节处理。建筑材料及制品的范围非常广，试样自身属性差异很大，部分材料受储存环境影响非常明显，同一材料处于不同环境条件中形成的差异化原始状态能够对试验结果产生巨大影响，从而影响试验过程的稳定性、测试结果的可比性和评定结论的公正性。为此，建筑材料及制品燃烧试验方法大都对试样的前期状态调节要求做出了明确规定，常见试样的状态调节处理方法及要求有3种。（1）特定温度条件下恒定时间。适用于考察指标包含质量损失的试验类型，采用适宜温度，在保证材料自身属性不因高温发生改变的前提下去除试样所含水分。（2）特定温、湿度条件下恒定时间。适用于大部分建筑及装修板材试样，恒定时间已经能够保证试样处于统一的原始状态。（3）特定温、湿度条件下至质量恒定。适用于极易受到外部环境条件影响，易吸湿的试样类型，如纺织品，必须通过监测连续时间间隔内试样质量已达恒定，确认试样不再与所处的标准调节环境发生明显水分交换。笔者选择典型试样，分别针对状态调节前后的试样进行燃烧对比试验，考察不同湿度（含水率）条件下，试样热解参数的主要差异化特征，并给出结论。1锥形量热仪对比试验为了充分体现试样状态调节对试验结果的影响，笔者拟采用特定温、湿度条件下恒定质量的调节模式，以GB/T16172-2007《建筑材料热释放速率试验方法》、和GB/T20284-2006《建筑材料或制品的单体燃烧试验》为切入点，分别选择胶合板为例进行燃烧试验，获取热释放速率、总热释放和燃烧增长率指数等参数。采用9mm厚胶合板，制备单体燃烧试样1500mm×1000mm的4块，1500mm×500mm的4块，锥形量热仪试样100mm×100mm的4块，上述试样分别放置于23℃，相对湿度50%、80%两种调节环境下，保持48h。质量及含水率的测试情况如，表1所示。表1两种状态调节环境下试样监测数据23℃，50%调节前含水率11.5%11.0%11.5%11.5%11.0%10.5%质量/g49.5650.127542.657519.613749.623758.96调节后含水率10.5%11.0%10.5%11.5%11.0%11.5%质量/g49.6850.087539.847516.813752.133759.6923℃，80%调节前含水率9.5%9.0%9.0%10.0%10.5%10.5%质量/g48.6550.057486.967495.323748.473750.11调节后含水率17.5%19.5%18.0%19.5%18.5%19.0%质量/g51.6852.897764.957752.553865.623878.75由表1可知，低湿度处理条件下调节前后试样含水率和质量无明显变化（以下称“低含水率试样”），高湿度条件下试样调节前后含水率明显上升（以下称“高含水率试样”），增幅接近100%，且试样质量增重显著。1.130kW/m2辐射强度下胶合板试验图1、图2为30kW/m2辐射强度下胶合板试验结果。
040206080100120140160180200220
200400600800试验时间/s热释放速率/kW调湿前调湿后
图1胶合板燃烧热释放速率曲线（1）两种含水率胶合板的热解过程类似，可分为3个阶段：点燃时刻至220s为热释放速率第一峰值形成阶段；220～580s为热释放速率第二峰值形成阶段；580s后为阴燃阶段。第一阶段，两种试样的点燃时间都在10s左右，说明试样含水率的差别未对点燃时间造成影响。试样被点燃状态调节对材料热解特性参数的影响研究
杨亮，赵婧，李玮瑜（公安部天津消防研究所，天津300382）消防理论研究
454FireScienceandTechnology，April2018,Vol37,No.4修改时间：2018年03月30日18:24:16
后，高含水率试样受火面所含水分逐渐显现出其燃烧抑制作用，火焰高度减小，热释放速率较低含水率试样明显下降，至试验时间210s左右，低含水率试样热释放速率约40kW/m2，而高含水率试样仅为20kW/m2。
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200400600800试验时间/s总放热量/MJ调温前调湿后
图2胶合板总放热量第二阶段，随着热辐射效应的逐渐积累，试样表面炭化层开始热解，使更多的氧气进入板材内部，燃烧程度由弱渐强，热释放速率增加。此阶段高含水率试样的热释放速率始终低于低含水率试样，即燃烧发展较慢，板材的热解深度相对较低。随着外部热辐射的持续烘干作用，两种板材试样的实时含水率差别逐渐削弱，而高含水率试样由于试验前期水分抑制燃烧而剩余更多的可燃物质开始逐渐发挥作用，热释放速率在350s后仍能保持较高增长，直至480s出现最大值约200kW/m2后迅速下降，而该时刻低含水率试样由于可燃物质早已消耗殆尽，热释放速率曲线提前进入下行通道。第三阶段，两种试样明焰燃烧过程都已接近尾声，转入燃烧炭化产物的持续阴燃过程，由于此阶段两种试样所含水分都已完全蒸发，含水率不再对燃烧过程产生影响，阴燃热释放速率二者基本一致。（2）总放热量曲线也验证了上述分析，第一阶段峰值过后高含水率试样热释放速率低于低含水率试样，放热量曲线上高含水率曲线斜率就低于低含水率试样曲线。而第二阶段由于高含水率试样燃烧热释放速率发展进度相对较慢，上升阶段过程较长，最终第二峰值出现时刻较晚，体现在总放热量曲线上即为高含水率试样放热量曲线拐点出现较晚。1.250kW/m2辐射强度下胶合板试验图3、图4为50kW/m2辐射强度下胶合板试验结果。
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200100400300600500700试验时间/s热释放速率/kW调湿前调湿后
图3胶合板燃烧热释放速率曲线辐射强度增至50kW/m2后，两种湿度条件胶合板的热释放速率和总放热量曲线整体吻合程度较30kW/m2下明显增加。热释放速率曲线中第一阶段中曲线峰值及出现时间非常接近，第一阶段的燃烧过程仅发生在板材形成的致密炭化层上部的表面部分，参与燃烧的试样厚度较薄，所含水分在50kW/m2辐射条件下短时间即被烘干。因此，含水率差别并不会对该阶段的燃烧过程形成显著影响，炭化层形成后试样的燃烧热释放速率已降至最低。
02010304050
200400600100300500700试验时间/s总放热量/MJ调湿前调湿后
图4胶合板总放热量炭化层在180s后开始分解，较30kW/m2试验提前约30s。下部未燃烧板材逐渐失去炭化层的保护效应后燃烧进入第二阶段。第二阶段中高含水率试样的热释放增速有所减缓，峰值约170kW/m2，而低含水率试样的对应峰值约205kW/m2，二者相差近20%。笔者认为出现上述偏离的原因在于，高含水率试样内部水分含量一定程度上抑制了炭化层的分解速度，阻碍了氧气与可燃物质的直接接触，而低含水率试样表面炭化层的分解速度更快，氧气更容易透过松散的炭化层而与木材直接接触形成助燃，促进热释放速率的上升。总放热量曲线中，180s前两种试样热量积累速度几乎相同，180s后低含水率试样热量积累加快，曲线斜率增大，拐点出现较早，与试样的实际燃烧特征保持一致。2单体燃烧对比试验笔者对上述试样分别进行了单体燃烧试验（SBI），采集的热解特性参数包括燃烧增长速率指数（FIGRA），总放热量（THR）。图5、图6为FIGRA和THR随时间变化的曲线图。FIGRA反映了燃烧热释放速率增长速度的快慢，采用两种THR初始值计算方式，即FIGRA（0.2）和FIGRA（0.4），分别表示总放热量达到0.2MJ和0.4MJ后燃烧增长率指数的最大值。两种试样的FIGRA指数最大值均出现在试验开始阶段，高含水率试样燃烧试验于370s时THR=0.2MJ，此后的FIGRA最大值，即FIGRA（0.2）=74.6W/s，出现于372s；405s时THR=0.4MJ，此后的FIGRA最大值，即FIGRA（0.4）=67.0W/s，出现于411s。低含水率试样燃烧试验于363s时THR=0.2MJ，此后的FIGRA最大值，即FIGRA（0.2）=158.3W/s，出现于384s；380s时THR=0.4MJ，此后的FIGRA最大值，即FIGRA（0.4）=158.3MJ，出现于384s。GB8624-2012中规定，FIGRA（0.2）＜120W/s用于判定试样符合
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B1B级要求，而FIGRA（0.4）＜250W/s用于判定试样符合B1C级要求，故就SBI试验而言，高含水率试样达到B1B级，而低含水率试样仅达到B1C级。
09070503010170150130110
300100600500800700900试验时间/sFIGRA/W/s
2004000.2 高湿度0.4 高湿度0.2 低湿度0.4 低湿度
图5两种试样FIGRA曲线
02134567
200400700100300500900600800试验时间/s总放热量/MJ高湿度低湿度
图6两种试样单体燃烧总放热量曲线3不同含水率条件下织物燃烧试验纺织品也是燃烧性能易受试样含水率影响的材料，状态调节处理十分必要。笔者将处于同样相对高湿度环境中的纯棉座椅面料（简称“试样A”）和化纤窗帘面料（简称“试样B”）依据GB/T6529-2008《纺织品调湿和试验用标准大气》中的规定，在标准大气条件即温度（20±2）℃，相对湿度65%±3%的环境中放置24h，达到质量恒定。调节前后的各3块试样依据GB/T5455-2014《纺织品燃烧性能垂直方向损毁长度阴燃和续燃时间的测定》进行垂直燃烧试验。试验结果如表2、表3所示（表中m1为状态调节前试样质量，m2为调节后试样质量），垂直燃烧后试样如图7～图10所示。表2试样A调节前后质量及燃烧特性参数试样试样A-1试样A-2试样A-3平均调节前m1/g11.9411.8511.9711.92续燃/s2.52.63.02.7阴燃/s0.00.00.00.0损毁长度/mm25232725调节后m2/g11.1811.1411.2311.18续燃/s3.52.93.93.4阴燃/s0.00.00.00.0损毁长度/mm41394441试样A为棉质座椅面料，吸潮能力较强，在状态调节过程中流失掉棉纤维中所含水分，导致试样在相同试验条件下的燃烧特性发生明显变化，续燃时间和最终损毁长度都有所增加，阻燃性能变差。而试样B为化纤成分，属高分子聚合材料，不存在显著的类似棉质材料纤维内部吸水问题，故调节前后试样质量稳定，含水率变化极小，试样在同等条件下的燃烧特性基本一致。两种不同材质试样的状态调节处理及燃烧特性试验说明织物吸潮能力很大程度上会受到材质特性的影响，棉质材料易吸水，状态调节与否明显影响燃烧试验结果，而由化纤、聚酯纤维等高分子材料纺织而成的织物试样自身吸水性较差，状态调节前后燃烧特性变化不明显。表3试样B调节前后质量及燃烧特性参数试样试样1试样2试样3平均调节前m1/g6.026.005.986.00续燃/s0.00.00.00.0阴燃/s0.00.00.00.0损毁长度/mm112108106109调节后m2/g6.045.995.996.01续燃/s0.00.00.00.0阴燃/s0.00.00.00.0损毁长度/mm105111113110
图7调节前垂直燃烧试样A图8调节后垂直燃烧试样A
图9调节前垂直燃烧试样B图10调节后垂直燃烧试样B4结论（1）锥形量热仪试验属于受控燃烧条件下的热解试验，由于炭化层的形成使胶合板燃烧过程明显分为两个阶段。第一阶段中含水率的影响程度与外部辐射强度成反比，即辐射强度越低，水分含量影响越明显，辐射强度越高，水分蒸发速度越快，对燃烧过程的影响越小。（2）第二阶段中胶合板的燃烧状态相对自由，受到前一阶段试样剩余可燃物量的多少和试样内部水分含量的影响表现出各自不同的热解特性，但高含水率试样的燃烧发展进程滞后于低含水率试样。（3）单体燃烧试样更加显著地体现出水分含量对试样燃烧分级结论的影响，高含水率试样的阻燃效果明显好于低含水率试样，总放热量积累速度较慢，分级参数FIGRA（0.2）和FIGRA（0.4）也相对较小，最终高含水率试样燃烧分级结论高于低含水率试样。（4）状态调节过程对织物试样燃烧特性影响程度的大小与织物自身材质吸水能力强弱具有关联性，棉质材料吸水能力强，状态调节处理易造成织物自身吸收或流失水分，燃烧特性随之变化，而化纤等高分子材料织物几乎无