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我国传统建筑以木材为主,尤其是我国广大农村、偏远地区及少数民族聚集地的建筑仍然使用木、石、土、砖等建筑材料,以木结构框架为主要结构形式 [10] 。以贵州大多数传统少数民族村落为例,建筑形式主要以依山而建的连片式干栏木结构吊脚楼古建筑群为主 [11] 。
传统木结构吊脚楼主要以木梁、木柱及斗拱为承重构件,木楼板、木隔墙等装配构件为非承重构件。部分木结构吊脚楼墙体采用砖墙,但其他部分仍采用木结构构件。木结构吊脚楼古建筑与现代混凝土建筑相比,除家用电器、家具等可燃物之外,吊脚楼本身构件为木材,因此发生火灾时,吊脚楼无法起到隔断火势的作用,反而会进一步引燃周围成片的木结构吊脚楼古建筑,导致火势更加剧烈,后果更加严重。2021 年 2 月 14 日,被称为“中国最后一个原始部落”的翁丁老寨被一场大火完全烧掉了 [12] 。文物生命只有一次,失去就不会再来。
火灾的燃烧主要由热传递导致，可燃物燃烧可以看作热传递的结果。其中木材燃烧的过程一般分为四个主要阶段 [13] :①准备阶段，在外部热量达到一定条件下，木材发生热分解，产生挥发性物质(主要成分为碳），这是微观现象;②开始阶段，在火源作用下，木材表面分解的可燃性挥发物被点燃，木材发生明火燃烧，这是肉眼可见的现象;③发展阶段，当木材被点燃后，木材燃烧产生的高温使得周围未燃烧区域及木材内部进一步热分解产生可燃性挥发物，使燃烧得以持续发展;④减弱阶段，在持续燃烧过程中，由于木材周围及内部可燃物质的持续挥发及炭化，使得可燃性物质挥发减弱，火势减小。
木材以热辐射、热对流及热传导的方式从木材外界吸收热量 [14] ,使木材达到产生可燃气体时的温度，称为木材热解温度。可通过木材热解温度、环境温度、木材密度、含水率及比热容等条件计算出木材的点燃时间。计算公式可表示为 [15]
式中, t ig 为木材点燃时间,s; ρ 为木材密度,kg/ m 3 ; c 为木材比热容,J/ (kg·K); δ 为材料的特征厚度,m; T ig 为木材热解温度,K; T ∞ 为环境温度,K; Q 为火焰传递给试样表面的热量,J。
木材受火燃烧过程不是热传导、热辐射及热对流单独进行热传递的过程,而是一个热传导、热辐射及热对流相互影响的复杂的传热过程[ 16 ]。木材在受火条件下,表面温度较高,木材内部及背火面温度随着与着火面距离增大而降低,热量由木材着火面向木材内部及背火面传递,即为木材燃烧时的热传导过程,该过程满足热传导定律(又称为傅里叶定律) [17 ]。计算公式可表示为
式中, q n 为热流密度,W/ m 2 ; K 为导热系数,W/ (m·K);d T / d X 为 X 方向的温度梯度,K/ m。
木材在受火条件下,火焰使得木材受火面周围空气温度升高,高温空气流将热量传递给木材受火面及周围木材表面,即为木材燃烧时的热对流过程。该过程遵循牛顿冷却定律。计算公式可表示为
式中, q ″为热流密度,W/ m 2 ; h 为物质的对流传热系数,W/ (m 2 ·K); T S 为固体表面温度,K; T B 为流体温度,K。
木材在受火条件下,受到周围燃烧物体或其他高温物体的热量辐射,即为木材燃烧时的热辐射过程。该过程适用于斯特藩-玻尔兹曼定律。计算公式可表示为
式中, q 为热流率,W; ε 为黑体辐射系数(辐射率); σ 为斯特藩-玻尔兹曼常数,取 σ = 5.67×10 -8 W/ (m 2 ·K 4 ); T 为热力学温度(绝对温度),K。
木材的临界着火热流值一定程度反映出木材着火的难易程度,介于木材发生着火的最大热流值与最小热流值之间 [18 ]。除通过试验直接测量木材的临界热流值之外,Lawson等 [19 ]基于木材导热理论提出木材热解模型,得出着火时间与外加辐射热流之间的控制方程为
式中, t ig 为木材着火时间,s; K 为导热系数,W/ (m·K); ρ 为木材密度,kg/ m 3 ; c 为木材比热容,J/ (kg·K); T ig 为木材着火温度,K; T 0 为环境温度,K; q ,, e 为外加辐射热流,W/ m 2 。
木材的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素,其总量占木材的 90%以上 [20-22] 。木材燃烧包括分解燃烧和表面燃烧,木材燃烧过程分为干燥准备、有焰燃烧及无焰燃烧 3 个阶段,当温度达到 150 ℃以上,木材开始热分解,当温度超过 250 ℃时,木材的热分解会产生大量可燃气体并引发自燃。因此,木材的着火类型主要分为自燃和点燃两种:①自燃,指木材达到一定温度时,由于水分挥发及可燃气体发生热分解,使木材在无火源点燃条件下仍发生燃烧;②点燃,指木材在点火源作用下,部分区域首先开始燃烧,随后火焰向木材其他部位进行热传递而导致火势蔓延。
木材作为碳化固体可燃物,进行表面燃烧时,由于碳化作用,使木材的火蔓延过程极其复杂。在实际木材燃烧过程中,由于木材表面碳化作用及流场影响,木材表面火焰会沿着流场方向蔓延,而逆流场方向会出现火焰熄灭现象,因此,在充分考虑流场及碳化层影响的条件下,将木材表面燃烧时火蔓延过程进行合理简化,如图 1.1 所示。
以木材为例,碳化固体可燃物燃烧时,可燃物表面气相控制方程可表示为固相中未燃区域控制方程可表示为
图 1.1 木材表面火蔓延简化模型 [23 ]
固相中碳化区域控制方程可表示为
基于木材表面火蔓延模型及式(1.6)—式(1.9),对木材表面火蔓延过程气相中的环境流场进行奥辛流近似,化简得出木材燃烧过程中火蔓延速度,可表示为
