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典型木竹地板燃烧特性实验研究



全 文 : 消防理论研究 
典型木竹地板燃烧特性实验研究
李俊毅1,3,朱国庆1,2,3,李梦媛1,3,刘 康1,3,王昌军1,3
(1.中国矿业大学 安全工程学院,江苏 徐州221116;2.中国矿业大学 消防工程研究所,江苏 徐州221116;
3.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏 徐州221116)
  摘 要:运用辐射引燃仪和TY2000-B型气体检测仪对
白蜡木地板、桦木地板、龙凤檀地板和竹地板的燃烧特性进行
测试。从表面温度变化、质量损失率、热释放速率和烟气中CO
含量4个方面比较4种地板的火灾危险性。实验表明:相同条
件下,竹地板的点燃时间最短,着火温度最低,质量损失率、热
释放速率、烟气毒性最大。白蜡木地板质量损失率、热释放速
率、烟气毒性最小。综合几方面因素,竹地板的火灾危险性最
大,白蜡木地板的火灾危险性最小。
关键词:地板;燃烧特性;烟气毒性;火灾危险性
中图分类号:X913.4,TK121  文献标志码:A
文章编号:1009-0029(2014)04-0363-04
近年来,木质材料大量在室内装修中使用,特别是木
竹地板的使用量大增。目前,我国木竹地板产销量位居世
界第一位,2012年我国木竹地板产量为6.04亿 m2,木竹
地板的使用提供了大量的室内火灾荷载,增加了有毒烟气
的释放,导致火灾危险性增加。因此,对木竹地板的燃烧
特性进行研究,揭示其在火灾发展中的作用尤为重要。
国内外一些学者对木材和地板的燃烧特性进行了研
究,主要集中于材料点燃后基于氧耗原理的热释放速率
以及质量损失速率等方面。笔者运用辐射引燃仪和
TY2000-B型气体检测仪,对几种典型木竹地板在辐射
引燃过程中表面温度变化、质量损失率、基于质量损失率
的热释放速率以及烟气中的CO含量进行了研究,进而
比较各种材料的火灾危险性大小。
1 实验设计
1.1 实验仪器
木竹地板的燃烧特性实验仪器主要包括辐射引燃
仪、TY2000-B型气体检测仪、Agilent温度采集器、高精
度电子秤等。实验时,通过辐射引燃仪对试样进行加热,
模拟试样在真实火灾环境下的辐射引燃现象。同时,用
温度采集器记录试样表面温度的变化,电子秤记录试样
的质量损失,气体检测仪监测烟气中各种气体成分的含
量变化。实验装置如图1所示。
1.2 试样处理
实验采用的地板从徐州某建材市场购买,分别为白
蜡木地板、桦木地板、龙凤檀地板和竹地板。试样的宽度
和厚度取其实际值,长度统一取12cm,具体尺寸和密度
如表1所示。试样表面设置K型铬-镍硅热电偶,用于
测量辐射引燃过程中地板表面温度变化。试样的4个侧
面以及底面全部用铝箔进行包裹,并且将试样置于整体
石棉包裹的石膏凹槽中,如图2所示。可以认为试样只
有上表面接受热辐射,侧面和底面基本处于绝热状态,可
将地板的辐射引燃问题视为一维传热问题。
图1 木竹地板燃烧特性实验装置
表1 地板试样的名称、尺寸和密度
试样名称 尺寸/cm 密度/(kg/m3)
白蜡木地板 12×12×1.8  733.14
桦木地板 12×12×1.8  714.39
龙凤檀地板 12×13×1.8  940.46
竹地板 12×12.8×1.8  768.48
图2 处理后的地板试样
1.3 辐射热流设定
实验所用辐射引燃仪采用开放式锥形加热器,加热
炉的加热功率可以通过调功表人为设定,能够模拟真实
火灾环境下的引燃现象。实验选用50%档加热条件。
2 实验结果与分析
分别对白蜡木地板、桦木地板、龙凤檀地板和竹地板
基金项目:中国矿业大学“本科教学工程”国家级大学生创新训练项目(201210290113)
363消防科学与技术2014年4月第33卷第4期
进行辐射引燃实验。未采取任何其他点火工具,地板完
全在加热炉的辐射热流作用下引燃,如图3所示。当试
样质量相对稳定,不再产生挥发性气体时,实验结束。
图3 地板试样引燃情景
2.1 地板表面温度
实验中采用 K型铬-镍硅热电偶测量地板表面温
度,不同类型的木地板表面温度变化情况,如图4所示。
从图中可看出,各种地板的表面温度均出现了瞬间陡增
的现象,陡增时的温度称为辐射引燃着火温度,实验开始
至地板被引燃所用的时间称为点燃时间。实验中点燃时
间、着火温度和温度最大值统计数据,如表2所示。
图4 四种地板表面温度变化曲线
表2 地板辐射引燃实验数据
试样名称 点燃时间/s 着火温度/℃ 最高温度/℃
白蜡木地板 391  328  613
桦木地板 420  372  645
龙凤檀地板 425  373  594
竹地板 334  322  618
  点燃时间和着火温度是衡量材料燃烧性能的重要参
数,相同条件下,点燃时间越短、着火温度越低,说明材料
越易被引燃,从而火灾危险性越大。从表2的数据中可
以看出,在设定的辐射条件下,4种地板均能被引燃,但
点燃时间和着火温度有较大差别。相同的辐射条件下,
竹地板的点燃时间最短,着火温度最低,其次为白蜡木地
板,桦木和龙凤檀地板的点燃时间较长,着火温度较高,
所以4种试样中竹地板的火灾危险性最大。
2.2 质量损失率和基于质量损失率的热释放速率
材料受热辐射后发生热分解,产生可燃气体和挥发
性物质,导致质量损失。质量损失率越大说明材料受热
分解程度越大,其火焰传播速度也较快,火灾危险性就越
大。实验中使用电子秤实时记录试样的质量,各种地板
的质量变化曲线,如图5所示。
图5 4种地板质量变化曲线
从图中可以看出,各种地板的质量变化经历了缓慢
减少、急剧减少和趋于稳定3个阶段。辐射加热开始后,
随着温度的升高,地板表面开始热解并有烟产生,此时地
板质量缓慢减少。当温度到达着火温度时,地板瞬间发
生有焰燃烧,此时地板质量骤减。当有焰燃烧停止后,地
板质量逐渐趋于稳定。其中,质量急剧减少阶段的质量
损失率对研究地板燃烧时的热释放速率以及燃烧特性极
具价值。运用式(1)计算有焰燃烧阶段质量损失率,考虑
到4种地板试样的表面积不同,为使数据具有可比性,将
结果统一换算成每平方米的质量损失率,计算结果如表
3所示。
质量损失率=
有焰燃烧前试样质量-有焰燃烧后试样质量
有焰燃烧时间
(1)
表3 地板辐射引燃后质量损失率和热释放速率
试样名称
质量损失率
/(g·s-1·m-2)
热释放速率
/(kW/m2)
白蜡木地板 9.85  82.76
桦木地板 11.48  96.45
龙凤檀地板 10.28  86.37
竹地板 12.70  106.64
  从分析计算结果可以看出,竹地板的质量损失率最
大,说明其受热分解程度最大,火灾中将以较快速度传播
火焰,火灾危险性最大。
对材料燃烧过程中热释放速率的计算主要有氧耗原
理方法和基于质量损失率的方法。笔者运用基于质量损
失率的方法对四种地板燃烧过程中的热释放速率进行计
算。基于质量损失率的热释放速率计算见式(2)。
q=χn/ΔHc (2)
式中:q为热释放速率,kW;χ为燃烧效率;n为质量损失
率,g/s;ΔHc为热值,kJ/g。
研究表明,木材的燃烧效率和热值相差不大,取燃烧
效率为70%,热值为12kJ/g,根据式(2)计算热释放速
率。考虑到4种地板试样的表面积不同,为使数据具有
可比性,将结果统一换算成每平方米的热释放速率,计算
463 Fire Science and Technology,April 2014,Vol 33,No.4
结果如表3所示。
热释放速率是衡量材料燃烧性能的重要指标之一,
一般来讲,热释放速率越大,材料的火灾危险性就越大,
越易发生轰燃。从表3可以看出,白蜡木地板的热释放
速率最小,从而火灾危险性最小,桦木地板和龙凤檀地板
次之,竹地板的热释放速率最大,火灾危险性最大。
2.3 烟气中CO体积分数变化
火灾中的人员伤亡大多由烟气中毒造成,而烟气中
毒害最大的为CO气体。CO被人体吸收后与血液中的
血红蛋白结合成为一氧化碳血红蛋白,从而阻碍血液将
氧气输送到人体各部分。当CO与血液50%以上血红蛋
白结合时,便能造成脑和中枢神经严重缺氧,继而失去知
觉,甚至死亡。实验采用TY2000-B型气体检测仪对地
板受热辐射后产生的烟气中CO的体积分数变化进行监
测,监测结果如图6所示。
图6 4种地板引燃过程中CO含量变化曲线
分析上述曲线可知,4种地板烟气中的CO体积分数
变化都经历了两个峰值。在即将出现明火燃烧时,木材
迅速热解,CO体积分数开始快速增长。出现明火燃烧后
不久,CO体积分数达到第一个峰值,但CO是易燃气体,
当其体积分数增加到一定值后,在明火作用下着火产生
CO2,从而使CO体积分数急剧下降。在明火燃烧结束
时,剩余的木材温度由于火焰加热处于较高水平,内部热
解速度仍然很高,而且此时地板表面出现大面积开裂,从
而有利于内部热解产物的析出,因此产生了CO体积分
数的第二个峰值。表4列出了各种地板辐射引燃后烟气
中CO体积分数的两个峰值大小。
表4 地板辐射引燃后烟气中CO体积分数的峰值大小
试样名称
CO体积分数第一峰值
/×10-6
CO体积分数第二峰值
/×10-6
白蜡木地板 332.46  174.96
桦木地板 454.86  348.12
龙凤檀地板 351.36  135.18
竹地板 510.12  296.28
  从表4可以看出,白蜡木地板和龙凤檀地板的烟气
CO体积分数相对较低,桦木地板的烟气CO体积分数较
高,而竹地板的烟气CO体积分数第一峰值远远高于其
他3种地板。CO体积分数到达200×10-6时,开始对人
体产生影响。上述4种地板烟气中CO体积分数第一峰
值均超过200×10-6,桦木和竹地板的烟气中CO体积分
数甚至超过400×10-6。明火燃烧熄灭后,桦木地板和竹
地板的烟气中 CO体积分数第二峰值也超过了200×
10-6。本实验仅为小尺寸火灾实验,可以推测全尺寸火
灾现场烟气中CO的体积分数将会更高,严重危及人员
健康,不利于安全疏散。综合烟气中CO体积分数第一
峰值和第二峰值,竹地板的烟气毒性最大,且竹地板和桦
木地板在明火熄灭后,烟气毒性仍处于较高水平。
3 结 论
通过对4种地板进行辐射引燃实验,并对实验过程
中的主要特性参数进行对比分析,得出如下结论:
(1)4种地板在50%档加热条件下的点燃时间为334
~425s之间,着火温度为322~373℃。其中,竹地板的
点燃时间最短,着火温度最低,在火灾中容易被引燃,轰
燃危险性较大。
(2)4种地板的质量损失率为9.85~12.70g/(s·
m2)。其中,竹地板的质量损失率最大,分解快,火焰容易
蔓延,白蜡木地板质量损失率最小,火灾危险性最小。
(3)4种地板的热释放速率为82.76~106.64kW/
m2。其中,竹地板的热释放速率最大,火灾危险性最大,
白蜡木地板的热释放速率最小,火灾危险性最小。
(4)4种地板引燃过程中烟气的CO体积分数第一峰
值为(332.46~510.12)×10-6,第二峰值为(135.18~
348.12)×10-6。竹地板的烟气CO体积分数第一峰值远
远高于其他3种地板,白蜡木地板烟气CO体积分数第
一峰值最低。白蜡木地板和龙凤檀地板烟气CO体积分
和第二峰值小于200×10-6,对人体影响不大,而竹地板
和桦木地板的烟气CO体积分数第二峰值分别为296.28
×10-6和348.12×10-6,仍对人体有一定危害。综合来
讲,竹地板的烟气毒性最大。
(5)综合上述4方面因素,竹地板的火灾危险性最
大,白蜡木地板的火灾危险性最小。
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Experimental study on combustion
characteristics of typical wood and
bamboo flooring
LI Jun-yi 1,3,ZHU Guo-qing1,2,3,
LI Meng-yuan1,3,LIU Kang1,3,WANG Chang-jun1,3
  (1.Faculty of safety engineering,China University of Min-
ing and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116,China;2.Fire re-
search institute,China University of Mining and Technology,
Jiangsu Xuzhou 221116,China;3.Key Laboratory of Gas and
Fire Control for Coal Mines,Jiangsu Xuzhou 221116,China)
Abstract:Experimental study on combustion characteristics of
commonly used ash wood floor,birch floor,cumaru floor and
bamboo floor by radiative ignition instrument and TY2000-B
type gas detector instrument.The fire risk of the four kinds of
floors was compared by the change of surface temperature,
mass loss rate,heat release rate and the CO content in the flue
gas.Experimental results showed that:under the same condi-
tions,the ignition time of bamboo floor is shortest;the ignition
temperature of bamboo floor is the lowest.The mass
櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒
















































櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒

















































毃毃

lossrate
·科技信息·
简易感烟报警控制装置
英国某公司推出最新简易型感烟报警控制装
置,使用者可以轻松测试或关闭系统上所有的报
警装置。
该简易型感烟报警控制装置与一氧化碳报警
装置很好地融合在了一起,提高了控制能力,确保
操作的简易性。
与先前报警控制开关相比,该简易型感烟报
警控制装置Ei450控制器可以满足使用者简便测
试或关闭系统上的报警装置,迅速锁定触发报警
装置的具体位置。该简易型感烟报警控制装置具
有易于操作的单一按钮,可指导用户按照正确顺
序进行操作。例如,当报警装置处在正常待机状
态时,按下控制键将立即测试系统。如果报警装
置处在被激活状态,按下控制键后将首先锁定报
警位置,再次按下控制键后将会关闭报警装置。
该简易感烟报警控制装置的特点包括:
(1)无线互联功能。通过射频信号并使用无
线链路技术将控制装置与感烟报警器、感温报警
器、一氧化碳报警器相连,省去布线互联,降低安
装成本。
(2)先进的内存设置。该控制器具有独特的
内存设置,当建筑物内无人时可用来检测报警器
是否被触发。用户只需通过控制器的“工程模式”
即可进行故障排除;若报警器被激活,控制器前端
的按钮将会闪烁,火灾或一氧化碳指示灯也会相
应亮起。按下该键即可精准确定先前触发系统的
报警器。
李艳艳 供稿
and heat release rate and smoke toxicity of bamboo floor is lar-
gest.The mass loss rate and heat release rate and smoke toxici-
ty of ash wood floor is smalest.Integrated four factors,the
bamboo floor’s fire risk is maximum while the ash wood floor is
minimum in these four floors.
Key words:floor;combustion characteristics;smoke toxicity;
fire risk
作者简介:李俊毅(1992-),男,江苏新沂人,中国
矿业大学,主要从事火灾科学和消防工程研究,江苏省
徐州市大学路1号中国矿业大学南湖校区煤苑3号楼
B603,221116。
收稿日期:2013-11-27
663 Fire Science and Technology,April 2014,Vol 33,No.4