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革命性进步!新型防火隐形涂层:仅0.075mm即可为木质建筑保驾护航
2023年08月09日    阅读量:3758     新闻来源:PCI可名    |  投稿

「导读」

近期热映的《长安三万里》再现了千年前瑰丽浪漫的盛唐风光,也为观众“复活”了盛唐市井间气魄宏伟、严整舒朗的木结构建筑。唐代木结构建筑多以堆叠结构为基础,以贴面装饰、内腔飞檐等形式呈现建筑结构,其规模之宏大、规划之严整,设计之巧妙,令人惊叹。


木结构建筑是中国几千年历史上最重要的代表性建筑类型之一,有着深厚的历史积淀与文化内涵中国涂料在线coatingols.com。新中国成立后,随着我国基建规模迅速扩大,木材需求量急剧增加,森林一度被大量砍伐,木材资源几近耗尽。上世纪 70 年代后,木结构建筑在中国基本停用,中国木结构被迫处于停滞状态延续长达 20 余年。而今随着国家对环保低碳的日益重视,木结构建筑迎来重要的发展契机。


但从古到今,易燃性一直是木制建筑面临的最大挑战之一。木结构真的易燃吗?古代匠人又如何解决木结构的防火难题?今人又有哪些防火科技与狠活?


从远古时代开始,人类就开始使用木材修筑自己的家,木材的结构性也使它拥有非常广泛的应用场景——从低层和中层建筑中常见的轻型重复性框架到用于建造竞技场、办公室、大学和其他建筑物的更大、更重(通常是复合项目),且需要大跨度和高墙的地方,皆有应用。

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相比混凝土、钢材等不可再生资源,在合理控制采伐量,兼顾采伐与生长平衡的前提下,木材可以成为永不枯竭的环保材料,且木结构建筑全生命周期产生的能耗以及对环境的影响是远优于钢结构和混凝土结构。

树木在生长期通过光合作用吸收二氧化碳起到固碳的作用。同时,木基建材和构件的生产过程产生的能耗少。自重轻,运输过程同样具有能耗小的优势。木结构建筑建设适合预制、施工快速,若设计和维护得当,结构寿命长,且回收后可再利用。此外,在使用过程中,木材保温隔热性能佳,可降低运行阶段碳排放。


随着全球对气候变化和碳排放的关注度日益上升,如果人类更有意识地善用木材,那么木材有望重新找回其在建材领域的重要地位。


01 木结构建筑的防火性并没有你想象的那么脆弱


在传统认知中,大家普遍认为木材易燃,木制建筑结构存在安全隐患。实际上,木结构建筑的防火性并没有你想象的那么脆弱!


碳化层 

当木结构暴露在火中时,木材表面会燃烧并形成一层保护性碳化层。炭化层作为木材与外界的隔离层,可以延迟下层木芯的加热,提高木材可承受的温度,延阻木材的燃烧速度。碳化层以可预测的速度(约46mm/小时)形成,可以减缓燃烧和火势蔓延。而且,在重型木结构中往往包含了规格更大的木梁或木柱,由于其自身截面尺寸较大,耐火性能就更强。


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木材遇火表面形成碳化层


建筑发生火灾时的平均温度大约在摄氏700-900度之间,温度升至230度时,钢材的强度急剧下降,造成结构垮塌;而相同温度下,木材才开始燃烧,形成的碳化层可以将木结构建筑的主体结构与外界隔离,并有效提高主体结构可承受的温度上限,保持结构的完整性,为救援人员争取更多救援时间。


相关研究和分析表明,大块木材不仅符合规定的防火安全标准,而且可以更优于规定。在有关耐火测试中,表面涂有石膏的7英寸厚(约18厘米)的交叉层压木(CLT)墙壁能持续3小时6分钟,该结果比目前的防火规范要求长一个多小时。


02 古今木结构建筑的防火妙招


据我国古代文献记载,火灾很多情况下由于房屋距离过近,混乱的房屋搭建,以及不够宽敞的通道等情况,引起“连片失火”。


我国古代劳动人民在不断总结火灾起因的基础上,对建筑群体的规划,逐步总结出:划分坊里、开辟火道、设置火巷、开扩广场空地、绿化、挖沟渠水面、凿井池等防火措施。


此外,古人在原材料处理上从源头降低危险系数,避免采用全木质材料,比如,使用砖石这种不容易燃烧的材料做墙面。对易燃的建筑材料要做加工处理,提升其耐火性能,比如在木材表面涂抹石灰泥等。


早在新石器时代的大地湾文化中就发现了泥土构筑的“防火保护层”,木柱上就被涂抹了一层坚固的防火涂料。随后出现了砖木混合结构形式,如广东潮州宋驸马府,除厅堂用木构架结构外,其他多用山墙承重。


如今,保护木制建筑内部免受火灾的做法,通常使用防火板(一般是石膏板和镁质板),或在木材上涂上防火涂料。


木结构防火涂料以水作溶剂,以有机和无机复合材料作粘结剂,再加入高效阻燃剂和助剂配制而成,是一种集环保、装饰、防火于一体的新型涂料品种。


涂刷过阻燃涂料的木结构构件会覆盖平整的阻燃涂膜,遇火时这层阻燃涂膜会膨胀发泡形成泡沫层,泡沫层具有隔热隔氧的特性。不仅如此,涂层膨胀发泡产生泡沫层的过程还会因其本身体积扩大产生吸热反应,消耗掉大量热量,有利于降低火灾现场温度。


但传统的防火涂料以及防火板的使用多会掩盖掉木材的天然纹理,影响其美观度。因此,如何让木结构呈现天然之美的同时,又能提供重要的防火屏障,一直科学研究的重要议题。


新型“隐形”防火涂层


新加坡南洋理工大学(以下简称“NTU”)材料科学与工程学院的Aravind Dasari副教授领导的团队曾公开了一种可以使木材防火的“隐形”涂层。之所以被称之为“隐形”涂层是因该涂层仅有0.075毫米厚,高度透明,肉眼无法看到。


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而它的防火实力又表现于,当该涂层被高温火焰加热时,会发生一系列复杂的化学反应,导致涂层变成焦炭,膨胀到原来厚度的30多倍,这种焦炭进而可以防止火烧到下面的木材。

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由NTU开发的新型防火隐形涂层,“使用特殊技术来锁定某些化合物,并与树脂相互作用。它们将以系统的方式积极参加化学反应,暴露在高热下导致焦炭的形成。这种焦炭被设计成具有极强的耐热性,使下面的木材与高热绝缘,” Dasari副教授解释称。NTU副校长Louis Phee教授认为该发明是木材建筑业的一个革命性的进步,“而且几乎没有缺点。”


相关人士表示,这项新技术的商业化应用研究具有重大意义,“可以减少对其他更昂贵的解决方案的依赖,比如使用更厚的木材来增加炭化层,或通过用防火板来封装木材”,这与如今更为推崇的可持续发展理念和自然和谐之美背道而驰。


目前市场上只有少数产品能同时提供透明度和阻燃性能,该产品往往成本极高,或无法通过行业使用的国际标准。


在第三方认证实验室进行的单项燃烧项目测试中,NTU研发的涂层达到了最高等级。当暴露在高温火焰下时,涂层产生的烟雾极少,能够防止火焰蔓延。当刮掉焦炭时,下面的木材仍然完好无损,证明了涂层保护木材的性能。


03 现代木结构防火科技


木结构建筑日渐热潮兴起的今天,建筑设计师们越发热衷于在住宅和商业建筑中使用裸露的木结构,为了兼顾美与安全,使用以防火涂料为代表的防火材料为木结构建筑提供安全防护外,现代木结构的防火科技也在不断发展与精进。


现代木结构基本摈弃了原木,而是以规格材和工程木材料取而代之,如CLT工程木(交叉层积木)、胶合木等。这些材料的强度、耐久性、稳定性、环保性、经济性远远高于一般木材。相比以前,现代木结构构件的截面尺寸也在加大,提高了木结构整体的抗燃性。


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现代木结构构件


同时,以前木结构节点多以榫卯连接,其强度、耐火达不到现代的防火要求。而现代木结构多以钢连接件做为结构节点,其强度大大提高,同时连接件还可以隐藏在木材之中,形成一个隔温层。


除了对木结构建筑的各个构件以及所有材料都要做防火处理,一般的木结构建筑在建造过程中还会做墙体防火层设计,使用像石膏板等一些耐火难燃的物质覆盖表面,用以阻止火势的蔓延。


完整的消防体系——自动喷水灭火系统、火灾报警系统、建筑灭火器、消火栓灭火系统等消防措施——的加入,也让木结构建筑的安全性更上一层楼。


*本文由PCI可名汇总整理

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