第 一 節 防 火 材 料 性 質 研 究 國 際 趨 勢
在國際組織方面FORUM(國際防火研究領導人論壇 )在新的合作 計畫之一「科學基礎之合理化試驗法」，CIB W014（國際建築營建研 發創新聯盟）當前工作計畫目標之一將在鑑別火載量特性及其統計分 布、轉換為熱釋放率及產出率、及適用在法規上適當大小之設計火災 基準提供必要之協助，英國BRE (建築研究所)防火研究火災研究計畫 之一設計火災資料庫，日本BRI(建築研究所)2004年度完成之研究課 題可燃物實況配置與火災室温度上昇預測及建築材料燃焼性試験法 相關研究，NIST（美國國家標準暨技術研究院）之創新防火量測科學 之減低火災延燒風險研究重點之一「材料燃燒性 (新防火及材料行為 模式)」，NRIFD（日本總務省消防廳消防研究中心）2008年研究計畫，
在過度密集都市空間對火災安全之確保研究項目之一「燃燒實験數據 庫之建立」(雷明遠，2009)，國際標準化組織（ISO）火災安全技術 委員會（TC92）分委員會（SC4），在2002年的年會上提出火災安全 工程（Fire Safety Engineering），其中分組（WG4）負責研擬火災 安全工程所需數據[6]，由以上國際趨勢皆顯示出對於材料性質測試 之須要性。
第 二 節 火 災 可 燃 材 料 燃 燒 特 性
火災發生、成長及衰減是一個隨時間變化的複雜的物理化學過 程，其中包括多種可燃物的燃燒、氣體的複雜流動以及各種形式的熱
傳過程。建築物火災依 CNS 3658 火災分類為 A 類：指建築物、家具 等的木材、紙張、棉織物、纖維物、裝飾物品、塑膠、橡膠等之固體 可燃物質火災。
依據火災可燃物的熱解著火行為之不同，一般來說可以將固體 可燃物分成碳化型(charring)及非碳化型(non-charring)兩大類，碳 化型材料受熱後在加熱方向上存在由外到內的溫梯度，並由表面開始 產生熱解，且其熱解是分層進行的，當其熱解揮發分達到一定量值 時，若有氧化劑的存在，足夠高的溫度下將產生著火，隨著熱解與然 燒的進行，此類材料之表面會有大量的焦碳覆蓋，焦碳層的形成會使 表面熱阻增大，使得材料表面溫度上升，並在材料內部形成更大的溫 度梯度，進而影響材料之熱解與燃燒速率，此類材料大都是天然的，
其中木材就是這類材料的典型代表。
非碳化型材料受熱後短時間內即軟化流動，其熱解和著火類似 於液態燃料，能完全熱解燃燒，一般不會有殘留物存在，這類材料大 都是人工合成的塑料製品，其中以 PMMA 為典型代表。
依據俞自濤(2005)引述據火災資料統計，世界各國火災事故中 建築物火災造成的損失占首要位置，而其中約 21％與木材、織物等 固體可燃物有關，損失巨大的住宅建築火災中，約有 70％與建築物 室內裝修用的木質材料有直接關係。由此建築火災之主要可燃物種類 及燃燒特性，本研究將以木材進行探討，再由主要影響燃燒過程之材 料性質加以界定，並研擬所須之試驗標準，以供性能設計與模擬之須。
碳化型材料(如木材)之熱解與著火過程是一個及其複雜的物理 與化學變化的過程，在外界熱輻射作用下，構成木材之纖維素等天然 有機高分子在熱解反應作用下發生了一系列複雜的斷鍵、解聚、分解 與重組的過程，生成了固態的焦碳、焦油及液態水，同時析出大量的 揮發分氣體，一旦到達著火極限，在試體的表面產生明火。另一類在 低輻射加熱下或是氧氣含量不足的情況下可燃物發生了一種自加熱 式的著火(燃燒)方式被稱為熾熱化著火(陰燃)，這類燃燒方式只可能 發生在多孔的可燃物(如香煙等)(沈德魁，2007)。
丁昭義(1990)，據 Gohlieb 之分析結果，不論什麼樹種的木材，
其元素組成分為：C：50％、H：6％，由此推定木材之分析實驗式為 C1.5H2.1O1.0 ，木材之含氮量在 0.5％以下，灰分之含量依樹種而異，溫 帶樹種之灰分含量約為 1％以下，因邊材含有蛋白質，所以邊材之含 氮量較心材高。木材之元素組成雖不論何種樹種皆類同，但是其木材 之化學組成分，不但在樹種之間有差異，同時在同一樹幹上因部位不 同亦生差異。木材之化學組成分呈不均一分怖於各部位，且組成分為 相當複雜之物質。其組成分可分類如下：
(1) 碳水化合物：木材之 2/3-3/4 為多醣類(纖維素(Cellulose)、半 纖 維 素 (Hemicellulose) 等 ， 兩 者 合 稱 為 全 纖 維 素 (Holocellulose))。
(2) 酚類化合物：佔有木材成分之 20~30％，其中以木質素(Lignin) 為主，木質素以外成分有單寧(Tannin)、色素(Pigment)、類木質 素(Lignan)等。
(3) 萜類(Terpenes)：包括精油及樹脂。
(4) 脂肪酸(Alinhatic acid)：以高級脂肪酸或酯(Ester)之形式存 在於木材中
(5) 蛋白質(Proteins)：正在成長之年輕組織內含有多量的蛋白質，
成熟之木材中含量較少，約有 1％存量。
(6) 無機質(Inorganic constituents)：溫帶樹之灰分含量低於 0.5
％。有些熱帶樹種之含量常在 1-5％之間。
木材之主成分為纖維素、半纖維素、木質素，副成分為油脂、
樹脂、萜類、單寧、色素以及氮化合物。沈德魁(2007)整理出木材三 種主成分之熱解溫度區間，半纖維素在 200~260℃，纖維素在 240~350
℃之間，而木質素在 280~500℃之間。木材之熱解歷程如下，當溫度 到達 100℃之後，其內部的水分就開始發生蒸發，隨著溫度的進一步 升高，緩慢的熱解反應釋放出少量的揮發份，材料的重量開始發生變 化，當溫度處在 200℃到 280℃之間時，熱解反應較為緩慢且被認為 是吸熱的(主要是半纖素的熱解過程)，此時反應主要產生了二氧化 碳、乙酸以及水蒸氣，熱解反應的加速階段時在溫度達到 280℃到 500
℃之間，如果此時的環境氣氛是惰性的，當溫度高過 500℃材料的重 量變化不大，但是如果環境中有氧氣存在，溫度達到 280℃到 500℃
之間時的熱解反應是強烈的放熱反應(主要是纖維素及木質素的熱解 過程)，而且高過 500℃後由於碳化部分之緩慢燃燒，使得材料的重 量逐漸減少。根據空氣氣氛下木材熱解(燃燒)失重過程的兩個階段特 性，利用”雙組分兩階段”反應表現動力學模型來描述該過程如下。
A(Solid)→B(Char)+C1(Gas) B(Char)→C2(Gas)+D(Ash)
圖 2-1 雙組分兩階段反應表現動力學模型
在木材熱解與著火過程中幾何結構的變化方面，當表面溫度達 到 300℃以上時，其碳化層就要發生收縮並在表面出現裂紋，這些裂 紋的出現會使得熱解產生的揮發份更加容易析出，且隨著碳化層的變 厚，裂紋的深度及寬度變大，這樣表面碳化層出現體積收縮及開裂的 主要原因，由於水分蒸發，揮發份的析出，以及木材內部大分子機構 重整使得其表層發生了收縮，又由於碳分子的重新結合以及空隙之間 的引力作用使得碳化層開始發生開裂，並隨著碳化層的加深裂紋也越 來越大、越深，如圖 2-2 所示的木材熱解與著火過程中形變幾何模型 示意圖，及圖 2-3 木材熱解與著火綜合模型示意圖。
(a)木材原幾何模型 (b)木材形變後幾何模型 圖 2-2 木材熱解與著火過程中形變幾何模型示意圖[9]
圖 2-3 木材熱解與著火綜合模型示意圖
第 三 節 防火性能設計之建材性質
性能法規在施行過程中，主管官署有時候會碰到一個難題，也 就是用什麼方法來驗證這種設計符合「性能式」法規(王鵬智，1999)，
因此，要加速性能化規範的制訂和實施進程，總結國內外的經驗，應 著力解決好以下幾個問題：對建築物的防火安全程度進行量化、正確 處理性能化設計中的不確定性、對性能化設計的驗證、性能化文件的 編制、各環節間的連續性(劉靜，2006)，「建築物防火避難安全性能 驗證技術手冊」中，就申請避難安全性能驗證作業事項九、審查作業 注意事項(一)審查者應要求相關計算、試驗或分析文件、圖說的副 本，同時確認這些資料是依據避難安全性能規定進行性能驗證，且須 通過計算、試驗或分析中所規定之內容。(二)審查者應要求完整的分 析文件，包括火災模式的描述、相關參數輸入與輸出資料表、使用者 所進行的假設以及相關限制的敘述。係參考ASTM E1895-97判定決定 性火災模式之用途與限制之標準指引Chaper 7.2，就電腦模式驗證方 面在Jason(2000)及Piotr(2006)曾就FDS的驗證與確認進行研究，在 NIST由Kevin(2007)正在制訂FDS的驗證與確認規範，已完成驗證規範 草 案 ， 此 外 美 國 NRC(Nuclear Regulatory Commission Office of
Nuclear Regulatory Research)由Najafi(2007)等進行一系列的電腦 模式與實驗的驗證與確認報告，Chris(2006)以材料熱解模式以FDS 模擬材料表面溫度及質量損失率歷程，提出具熱裂解性質材料如木 材，模擬所須木材熱傳導係數(kv)、比熱(cv)、密度(ρv)、Arrhenius pre-exponential factor(Z)、反應能(EA)、熱解熱(ΔHP)以及碳化層 熱傳導係數(kc)、比熱(cc)、密度(ρc)等8項材料性質資料，蔡銘儒 (2008)使用FDS以蔡銘儒、謝煒東(2006)於ISO 9705房間內進行木堆 量化燃燒實驗及林大惠(2007)於6m×6m房間火災模實驗進行電腦模 擬，參考Clancy(2002)木材比熱與熱傳導係數與溫度關係(如圖2-4、
圖2-5)，在適當之材料性質參數設定下，模擬結果符合實驗常態性結 果(如圖2-6~圖2-9)。
圖 2-4 木材比熱與溫度關係(Clancy，2002)
圖 2-5 木材熱傳導係數與溫度關係(Clancy，2002)
0 200 400 600 800 1000 1200
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
time(sec)
HRR(kW)
圖 2-6 每層 3 支木堆房間燃燒模擬與實驗比對(蔡銘儒，2008)
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
time(sec)
HRR(kW)
圖 2-7 每層 9 支木堆房間燃燒模擬與實驗比對(蔡銘儒，2008)
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0 200 400 600 800 1000 1200
time(sec)
HRR(MW)
exp FDS
圖 2-8 全尺度火災模擬與實驗熱釋放率歷程比對(蔡銘儒，2008)
0.00 500.00 1000.00 1500.00 2000.00 2500.00 3000.00
0 200 400 600 800 1000 1200
time(sec)
THR(MJ)
FDS THR
圖 2-9 全尺度火災模擬與實驗總熱釋放歷程比對(蔡銘儒，2008)
FDS 模擬所須設定之材料性質可由 FDS5.0 User Guide 第 13.10 節如表 2-1 所示。
表 2-1 FDS5.0 材料性質參數
MATL(Material Properties)
A Real Pre-exponential factor 1/s 1E13
ABSORPTION_COEFFICIENT Real Absorption Coefficient 1/m 50000.
BOILING_TEMPERATURE Real Boiling temperature ℃ 5000.
CONDUCTIVITY Real Thermal conductivity W/m/K 0.1 CONDUCTIVITY_RAMP Characte
r
Ramp ID for conductivity
DENSITY Real Solid mass per unit volume kg/m3 500.
E Real Activation energy kJ/kmo
l
EMISSIVITY Real Emissivity 0.9
FYI Characte
r
Comment String (has no effect)
HEAT_OF_COMBUSTION Real Heat of combustion kJ/kg HEAT_OF_REACTION Real Heat of reaction kJ/kg 0.
ID Characte
r
IDentifier
THRESHOLD_TEMPERATURE Real Threshold temperature ℃ -273.1 5
N_REACTIONS Characte
r
Number of Reactions 0
N_S Real Exponent of mass fraction 1.
N_T Real Exponent of temperature 0.
NU_FUEL Real Fuel Yield kg/kg 0.
NU_RESIDUE Real Residue Yield kg/kg 0.
NU_WATER Real Steam Yield kg/kg 0.
REFERENCE_RATE Real Reaction rate at ref.
temp.
s-1 0.10
REFERENCE_TEMPERATURE Real Reference temperature ℃
RESIDUE Characte
r
ID of residue MATL
SPECIFIC_HEAT Real Specific heat kJ/kg/
K
1.0
SPECIFIC_HEAT_RAMP Characte r
Ramp ID for specific heat
在標準方面 ASTM E1591-07 為促使與模擬輸入數據的品質高度 相關的火災模式計算的準確度增加，重點是房間火災的區域模式，但 其他類型的數學火災模式也需許多相同的輸入變數，提供數學火災模 式需作為輸入值的材料性質，提供各項輸入變數如下所列：空氣/燃 料比(air/fuel ratio)、燃燒效率(combustion efficiency)、對流熱傳遞係 數 (convective heat transfer coefficient) 、 密 度 (density) 、 放 射 率 (emissivity)、逸入係數(entrainment coefficient)、火焰撲滅係數(flame