林业科学  2008, Vol. 44 Issue (5): 96-101   PDF    
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周国模, 周宇峰, 余树全, 白尚斌, 卢凤珠.
Zhou Guomo, Zhou Yufeng, Yu Shuquan, Bai Shangbin, Lu Fengzhu.
利用锥形量热仪研究不同含水率的树种枯落物燃烧性
Combustibility of Litters of Three Woody Species with Different Water Contents by Cone Calorimeter
林业科学, 2008, 44(5): 96-101.
Scientia Silvae Sinicae, 2008, 44(5): 96-101.

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收稿日期:2007-03-13

作者相关文章

周国模
周宇峰
余树全
白尚斌
卢凤珠

利用锥形量热仪研究不同含水率的树种枯落物燃烧性
周国模1, 周宇峰1, 余树全2, 白尚斌2, 卢凤珠3     
1. 浙江林学院环境科技学院 临安 311300;
2. 浙江林学院林业与生物技术学院 临安 311300;
3. 浙江林学院工程学院临安311300
摘要: 利用锥形量热仪对木荷、马尾松和杉木3个树种的叶子和小枝枯落物在10%、15%、20%、25%、30% 5种不同含水率条件下的燃烧性进行测定,比较它们在不同含水率下的燃烧特性变化情况。不同的含水率是通过枯落物中叶子和小枝绝干后精确加水后获得的。枯叶和小枝分别选择20 kW·m-2和30 kW·m-2的辐射强度。结果表明:木荷落叶与小枝在含水率小于15%时着火感应时间(TTI)比马尾松和杉木叶子和小枝更短,更易燃。而含水率大于20%时木荷落叶与小枝着火感应时间比马尾松和杉木叶和小枝长,不易燃烧。木荷落叶与小枝热释放速率(HRR)和总释放热(HTR)均比马尾松和杉木的释放热量速度慢,释放热量少。表明木荷枯落物中的叶子和小枝比马尾松和杉木的难燃且释放热量少,木荷比马尾松、杉木抗火性强,适宜于作防火林带树种。
关键词:锥形量热仪    枯落物    含水率    燃烧性    
Combustibility of Litters of Three Woody Species with Different Water Contents by Cone Calorimeter
Zhou Guomo1, Zhou Yufeng1, Yu Shuquan2, Bai Shangbin2, Lu Fengzhu3     
1. School of Environment Sciences, Zhejiang Forestry College Lin'an 311300;
2. School of Forestry and Biotechnology, Zhejiang Forestry College Lin'an 311300;
3. School of Engineering, Zhejiang Forestry College Lin'an 311300
Abstract: Combustion properties of litter of Schima superba, Pinus massoniana and Cunninghamia lanceolata with different water contents were tested with a cone calorimeter. The water contents were set as 10%, 15%, 20%, 25%, and 30%. The different water contents in the litter were obtained by accurately adding water into the absolutely dried litter. The leaves and small branches of litter was subjected to the heat radiation respectively at 20 kW·m-2and 30 kW·m-2. The results showed that the igniting time(TTI) of Schima superba litter was shorter than that of Pinus massoniana and Cunninghamia lanceolata, when water content was less than 15%, which demonstrated that the litter of Schima superba with lower water content was more inflammable. However, when the Water Content was more than 20%, the igniting time of Schima superba litter was longer than that of Pinus massoniana and Cunninghamia lanceolata. The heat release rate(HRR) and total heat release(THR) of litter of Schima superba at the same condition were slower and less than that of Pinus massoniana and Cunninghamia lanceolata. The results demonstrated that Schima superba was suitable to be used as the fire breaks.
Key words: cone calorimeter    litter    water content    combustibility    

锥形量热仪(CONE)由美国国家标准技术研究所(NIST)在20世纪80年代推出,是一种小尺度试验仪器,是以氧消耗原理为基础的新一代聚合物材料燃烧性能测定仪,它可以测定树木材料在同样外部热源条件下表现出的燃烧特性差异。由CONE获得的可燃材料在火灾中的燃烧参数有多种,包括着火感应时间(TTI)、热释放速率(HRR)、总释放热(THR)、有效燃烧热(EHC)、释烟总量(TMR)和质量变化参数(MLR)等,数据的采集和处理完全由计算机控制。与对燃烧的传统测试方法(氧指数法、垂直燃烧法、水平燃烧法等)相比,这种测试方法具有测试参数较多,试验结果与受试材料在实际火灾中的表现更加相近,关联性大的优点(Gilman et al., 1997Hshieh et al., 1997李斌等,1998田晓瑞等,2001)。本试验使用的锥形量热仪(ASTME-1354-93,ISO5660),由英国燃烧测试技术(FTT)公司生产。

马尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)林分在南方山区大量存在,以浙江省为例:松木林、杉木林合计的面积、蓄积分别占乔木林面积、蓄积的67.55%和75.34%1)。而马尾松林和杉木林是易燃林分,林内枯落物越积越厚使得易燃可燃物增加,易酿成森林大灾。据浙江省1988~2002年森林火灾统计数字显示松针叶林和针阔混交林发生森林火灾的次数占总次数的87.6%,受害面积占总受害面积的90.9%(茅史亮等,2004)。目前我国南方地区现有防火林带选用的主要树种是木荷(Schima superba),木荷防火林带在一定程度上可以阻隔高强度的地表火和林冠火(文定元,1998田晓瑞等,2001)。但目前对木荷、马尾松及杉木的枯落物的燃烧条件和特性差异还不够了解,为了进一步阐明马尾松及杉木的枯落物的燃烧特性及木荷防火林带的阻火机理,本文利用锥形量热仪对木荷、马尾松及杉木枯落物中叶和小枝在不同含水率条件下的燃烧过程进行了比较分析。

1) 浙江森林资源报告.浙江省林业厅,2005:7

1 材料来源

枯落物材料采集地点:2006年4月初和12月中旬在浙江天目山自然保护区外围,地理坐标为119°12′E,29°29′N。调查时属于防火季节,连续晴天3天以上,属易引起森林火灾的天气。外业调查在防火林带和相邻的马尾松、杉木林分选择有代表性的典型地段,通过设置大小为10 m×10 m标准地,总共调查木荷标准地9个,马尾松5个和杉木5个。样地内木荷为11年生,马尾松为25~30年生,杉木10~25年生。每个标准地随机选取8个1 m×1 m小样方,收集枯落物中叶和小枝带回实验室测定含水率。

2 研究方法

可燃物含水率(FMC)与可燃物的易燃性之间关系十分密切。可燃物含水率是影响可燃物燃烧的重要指标。枯死可燃物含水率变化幅度较大,它们可以吸收超过本身质量1倍以上的水。一般情况下,当FMC超过35%时,不燃;25%~30%时,难燃;17%~25%时,可燃;10%~16%时,易燃;小于10%时,极易燃(胡海清,2005)。由此,本试验选择10%、15%、20%、25%和30% 5种不同的含水率从可燃物易燃到难燃,来寻求不同的含水率与枯落物燃烧特性的变化规律。

利用锥形量热仪测定不同含水率的木荷、马尾松和杉木枯落物中叶与小枝的燃烧性。样品在垂直水平方向上加热辐射强度,及通过外部点燃条件下进行测试。叶选用20 kW·m-2(相当于510 ℃)、小枝则选30 kW·m-2(相当于608℃)不同的热辐射强度在锥形量热仪上进行燃烧性测试。选取辐射强度依据:首先烟头是一个引起森林火灾的重要外部火源,其表面温度为200~300 ℃,中心温度可达700~800 ℃;其次是枯落物在锥形量热仪燃烧的着火感应时间特性决定,即时间较为合适。根据测试结果,利用计算机辅助分析,确定枯落物的燃烧特性。锥型量热仪由重力系统、加热锥和燃烧产物收集系统组成。根据ISO566的操作规定,试验样品放入边长为100 mm×100 mm的正方形试验托盘中,样品厚度不超过50 mm。所有样品测定均使用铝箔包住样品的侧面和底面,上面加盖铁丝网格,减少叶在燃烧过程中的飞落或崩爆。

2.1 试验步骤

1) 在防火季节期外业收集木荷、马尾松和杉木枯落物中叶和小枝带回实验室测定含水率。各样地样品的含水率一般都在22%~27%,最小值17.4%,最大值31.2%。木荷林带的枯落物含水率略高于马尾松和杉木林,而叶和小枝之间的含水率差别不大。

2) 分别称取在(80 ℃烘至绝干)的木荷、马尾松和杉木叶20 g各5种样品,共计叶样品15个;称取(80 ℃烘至绝干)木荷、马尾松和杉木小枝50 g各5种样品,共计小枝样品15个。为了增加试验可比性:本试验选择平均长度8 cm,直径0.7 cm粗细均匀的木荷、马尾松和杉木小枝。然后所有样品用精度为0.01 mL的移液枪分别加水配置成10%、15%、20%、25%和30% 5种不同的含水率(表 1)。

表 1 枯落物不同含水率的燃烧样品质量 Tab.1 The mass of samples with different water contents of litters

3) 每个样品用2只密封袋封装,将所有封装的样品分装在3只塑料袋,放置在阴暗处的摇床上振荡10天,使样品含水率充分均匀。其后选取一定样品进行反推测定含水率,结果含水率并无变化,表明水分挥发极少,配置的含水率结果可靠。

4) 将上述装叶和小枝的密封袋中配置好的含水率枯落物,按照不同的含水率称取不同湿重的样品,使得叶干质量为5 g,小枝干质量为15 g,每种3组,具体见表 2

表 2 枯落物不同含水率的配置 Tab.2 The collocation different water contents of litters

5) 按5种不同的含水率,3种树种的枯落物叶和小枝得到样品共30种,每种样品3次重复,共90个样品在锥形量热仪上进行测试,枯落物的叶和小枝都保持自然形态而没有进行人为破碎。在称量、待燃烧等环节过程中样品都用密封袋封装,确保含水率保持不变。

6) 选取自然含水率接近15%、20%、25%和30%的木荷、马尾松和杉木的枯落物的叶和小枝样品若干,质量与配置的样品一样,在锥形量热仪上进行测试。目的在于检验自然条件下的样品与通过绝干后加水配置成的相同含水率样品,在锥形量热仪测定时各燃烧性能是否有差异,其测试结果表明并无明显差异(表 3)。

表 3 不同人工配置和自然条件含水率下的各种燃烧样品TTI和pkHRR值 Tab.3 The TTI and pkHRR of different samples with different water contents
3 结果与分析 3.1 着火感应时间

在锥形量热仪测试物质燃烧性的试验中,一般来说着火感应时间(TTI)越大,材料越不易点燃,火灾危险性越小。图 1为不同含水率条件下不同树种枯落物的叶和小枝的着火感应时间曲线。

图 1 不同含水率的木荷、马尾松、杉木叶在20 kW·m-2(a)、小枝在30 kW·m-2(b)时着火感应时间 Figure 1 The curve of TTI leaves at 20 kW·m-2(a) and sprig at 30 kW·m-2(b) with different water content

从图中可以看出:随着含水率的上升,木荷、马尾松、杉木的叶和小枝的着火感应时间随之升高;在含水率较低在10%~15%时,木荷叶的着火感应时间短于马尾松与杉木叶,木荷小枝的着火感应时间短于马尾松和杉木小枝;而在含水率到达20%以上时,木荷叶的着火感应时间要长于马尾松和杉木的叶,木荷小枝的着火感应时间要长于马尾松和杉木的小枝。而一般防火季节的枯落物含水率在20%~25%,因此木荷枯落物中的叶和小枝要比马尾松和杉木的难燃,有利于木荷作为防火树种起防火作用。

3.2 热释放速率

热释放速率(HRR)是指材料单位表面积燃烧释放热量的速率,是评定材料火灾安全性能最重要的参数之一。CONE测定材料在燃烧过程中的HRR随时间的动态变化,HRR的最大值称热释放速率峰值(pkHRR),材料的HRR越大,造成材料热分解速率加快和挥发性可燃物生成量增多,从而加速火焰的传播,材料在火灾中的危险性就越大(卢凤珠等,2005王庆国等,2003)。图 2为25%含水率的叶和小枝热释放速率随时间的变化关系曲线。25%含水率的枯落物是发生森林火灾的难易的临界点(胡海清,2005),因此选用25%含水率具有一定的科学意义。

图 2 25%含水率的木荷、马尾松、杉木叶在20 kW·m-2(a)、小枝在30 kW·m-2(b)时的热释放速率曲线 Figure 2 The curve of HRR of leaves at 20 kW·m-2(a) and sprig at 30 kW·m-2(b) with 25% water content

从图中可以看出:在同一质量同一含水率条件下,热释放速率是马尾松叶>杉木叶>木荷叶,说明木荷枯叶燃烧释放热速率慢而且释放热量少;马尾松小枝>杉木小枝>木荷小枝,而木荷小枝的着火感应时间更长,说明木荷枯小枝更难燃,燃烧释放热量慢而少。

3.3 总释放热

总释放热(THR)是单位面积的材料从着火到燃烧全过程中所释放热量的总和。曲线图 5、6表示枯落物叶子和小枝的总释放热曲线的变化过程。图 3(a)表示叶子从引燃过程(总释放热趋于零),到开始有焰燃烧(约120秒以后)至熄灭(约300秒)期间,其总释放热先成平行线再直线上升,后又逐渐趋于平缓(炭化过程)。图 3(b)显示的小枝总释放热也表现出基本相同的过程。

图 3 25%含水率叶(a)、小枝(b)总释放热曲线 Figure 3 Curve of THR of leaves (a) and sprig (b) with 25% water content

从图中可以看出:在同一质量同一含水率条件下,总释放热排序为:马尾松叶>杉木叶>木荷叶;马尾松小枝>杉木小枝>木荷小枝。即木荷叶和小枝在同等条件下总释放热要比杉木和马尾松的要小得多,因此木荷枯落物的叶和小枝燃烧相比杉木与马尾松的叶和小枝是最安全的。

3.4 比值pkHRR/TTI

Wichstron等人应用比值TTI/pkHRR评价材料潜在的火灾危险性(李斌等,1998)。Petrella(1994)提出结合比值pkHRR/TTI与THR可以更加全面地评价材料潜在的火灾危险性。因为,HRR与TTI取决取决于外部热辐射流量、通风速度与破坏程度而THR与材料内部能量有关,独立于环境因素(徐晓楠,2003)。比值pkHRR/TTI越高说明越容易引起火的发生和继续燃烧。图 4分别表示不同含水率叶和小枝的pkHRR/TTI曲线。

图 4 不同含水率木荷、马尾松和杉木叶在20 kW·m-2(a)时、小枝在30 kW·m-2(b)时的比值pkHRR/TTI Figure 4 The curve of pkHRR/TTI of leaves at 20 kW·m-2(a) and sprig at 30 kW·m-2(b) with different water contents

随着含水率的上升,木荷、马尾松和杉木的叶和小枝的pkHRR/TTI比值随之下降;在较低含水率10~20%时,木荷叶的pkHRR/TTI比值高于马尾松和杉木叶,而在含水率到达20%以上时,木荷叶的pkHRR/TTI比值要低于马尾松和杉木叶,此时木荷叶要比马尾松和杉木的叶要难燃。在同一含水率条件下木荷小枝的pkHRR/TTI比值低于杉木和马尾松小枝,说明木荷小枝比马尾松和杉木难燃。

4 结论与讨论

森林火灾是当今世界发生面广、危害性大、时效性强、救助极难的自然灾害,利用防火树种营建的生物防火林带既能有效降低森林自身的燃烧性,减少森林火灾损失,还能发挥多种效益。实践证明木荷是一种优良的防火树种。通过利用锥形量热仪对不同含水率的木荷、马尾松和杉木的枯落物中叶和小枝的燃烧性的研究,对比分析木荷树种在枯落物燃烧性方面的差异有利于阐明木荷防火林带的阻火机理。

通过利用锥形量热仪的试验测定,比较10%、15%、20%、25%和30% 5种不同含水率下的木荷、马尾松、杉木枯落物叶和小枝的燃烧过程,得到以下结论。

1) 随着含水率的升高,同一性质样品的着火感应时间(TTI)相应增加,热释放速率(HRR)变慢。但不同性质样品的变化程度不一样。总释放热(THR)与含水率的差异之间无明显关系,只与材料性质和质量有关。

2) 不同含水率的木荷枯落物叶和小枝的着火感应时间(TTI)在与同一条件下马尾松和杉木进行比较时发现了拐点,即随含水率升高,木荷叶和小枝比马尾松和杉木的TTI增加更快。在含水率20%左右时木荷叶和小枝的TTI大于马尾松和杉木的。而一般易发生森林火灾的自然天气条件是枯落物的含水率是20%~25%(胡海清,2005),这对木荷作为防火树种是十分有利的。当然,在含水率低于15%时的极端气候出现时任何森林可燃物都变的极易燃了。

3) 综合分析了木荷、马尾松和杉木的叶和小枝的热释放速率(HRR),总释放热(THR),比值pkHRR/TTI,发现木荷的叶和小枝比马尾松和杉木的释放热量速度慢,释放热量少。表明木荷比马尾松、杉木抗火性强,适宜作防火树种。

4) 通过人为配置的含水率与自然条件下的相同含水率的枯落物样品,利用锥形量热仪测定,各燃烧性能没有明显差异。通过用移液枪对绝干枯落物精确加水,用密封袋封装样品,在摇床上振荡等过程,来人为获得准确的不同含水率的样品。经过一定样品重测含水率来检验是否有水分丧失而影响含水率变化,结果可靠。因此通过加水精确配置枯落物含水率的方法,为今后此类研究探索了新的方法和思路。

5) 材料采集方面,由于是大样本收集枯落物,在试验中将各样地同类的枯落物充分混匀,因此不同分解程度的枯落物,不同粗细的小枝在燃烧性能的差异影响更接近实际情况。在热辐射强度方面,本试验对枯叶用20 kW·m-2枯小枝用30 kW·m-2的辐射强度,这是根据烟头温度和枯落物在锥形量热仪上着火感应时间特性决定的,这使得试验结果更适合于研究可燃物的引燃特性。

参考文献(References)
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卢凤珠, 俞友明, 黄必恒, 等. 2005. 用CONE法研究竹材的阻燃性能. 竹子研究汇刊, 24(1): 45-49. DOI:10.3969/j.issn.1000-6567.2005.01.010
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