防火性能設計之建材性質測試標準CNS化研究

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(1)防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 內政部建築研究所自行研究報告中華民國 98 年 12 月.

(2) 098-301070000G2-019. 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 研究主持人：蔡銘儒. 內政部建築研究所自行研究報告中華民國 98 年 12 月.

(3) 目次. 目次目次 .............................................................I 圖次 ...........................................................III 表次 .............................................................V 摘要 ...........................................................VII 第一章緒論 ......................................................1 第一節研究緣起與背景 .........................................1 第二節研究內容 ................................................1 第三節研究方法與流程 .........................................3 第二章建築材料燃燒性質 ...........................................5 第一節防火材料性質研究國際趨勢 .............................5 第二節火災可燃材料燃燒特性 ..................................5 第三節防火性能設計之建材性質 ..................................10 第三章第一節第二節第三節第四節第五節第六節. 建築材料性質標準試驗項目與內容 ...........................39 火焰散怖參數.............................................39 密度 .....................................................87 裂解熱 ..................................................100 比熱 ....................................................107 熱傳導 ..................................................117 熱慣性 ..................................................166. 第四章結論與建議...............................................167 第一節結論 .....................................................167 第二節建議 .....................................................168 參考書目 .......................................................169 附錄 ...........................................................175. I.

(4) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. II.

(5) 目次. 圖次圖 1- 1 研究流程圖 ..................................................4 圖 2-1 雙組分兩階段反應表現動力學模型 ...............................9 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.................................10 圖 2-4 木材比熱與溫度關係 ..........................................11 圖 2-5 木材熱傳導係數與溫度關係.....................................12 圖 2-6 每層 3 支木堆房間燃燒模擬與實驗比對 ..........................12 圖 2-7 每層 9 支木堆房間燃燒模擬與實驗比對 ..........................13 圖 2-8 全尺度火災模擬與實驗熱釋放率歷程比對 ........................13 圖 2-9 全尺度火災模擬與實驗總熱釋放歷程比對.........................14 圖 3-1 試驗示意圖 ..................................................42 圖 3-2 在試體上之常態熱通量 ........................................43 圖 3-3 引燃性試驗之引燃裝配 ........................................43 圖 3-4 測試裝置示意圖 ..............................................45 圖 3-5 典型試體固定方式 ............................................48 圖 3-6 火焰前端抵達時間觀測法示意圖 ................................49 圖 3-7 典型試體夾具結構 ............................................50 圖 3-9 引燃火源、燃燒器及瓦斯/空氣管線示意圖 .......................52 圖 3-10 校正板示意圖 ...............................................54 圖 3-11 輻射熱板與試體相對位置 .....................................60 圖 3-12 引燃時間為外部輻照度函數 ...................................62 圖 3-13 試驗裝置正視與上視圖 .......................................71 圖 3-14 試驗裝置側視圖 .............................................72 圖 3-15 試驗裝置 A-A 剖面圖 .........................................73 圖 3-16 試驗裝置 B-B 剖面圖..........................................74 圖 3-17 試驗原則透視圖 .............................................75 圖 3-18 通風控制板上進氣口之典型位置 ...............................76 圖 3-19 進氣口配置與矽酸鈣板緊故在試體托盤盤邊 .....................77 圖 3-21 火焰燃燒器 .................................................79 圖 3-22 火焰燃燒器在試體上引燃期間之配置 ...........................80 圖 3-23 熱通量分佈曲線 .............................................83 圖 3-24 熱通量分佈曲線 .............................................84 圖 3-25 質量增長熱重曲線範例 .......................................92 圖 3-26 單一階段質量減損熱重曲線範例 ...............................93 圖 3-27 多階段質量減損熱重曲線範例 .................................94 圖 3-28 多階段(兩反應階段間之質量非恆定)質量減損熱重曲線範例 .......95 圖 3-29 試體膨脹與溫度 .............................................99 圖 3-30 特徵溫度測定例 ............................................101 圖 3-31 轉換焓之測定 ..............................................107 III.

(6) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究圖 3-32 DSC 曲線比熱容測量（空白，校準和標本運行）調整後的基準線典型的示意圖........................................................109 圖 3-33 連續掃描 DSC 曲線示意 ......................................114 圖 3-34 逐步掃描 DSC 曲線示意 ......................................115 圖 3-35 熱傳導量測方法分類 ........................................118 圖 3-36 裝置圖示 ..................................................120 圖 3-37 熱線設置樣本 ..............................................122 圖 3-38 閃光法示意圖...............................................129 圖 3-39 閃光法特性溫度曲線圖 ......................................129 圖 3-40 閃光系統的方塊圖...........................................131 圖 3-41 無因次溫度響應曲線與數學模型的比較.........................135 圖 3-42 標準化後表面溫升：數學模型(不具有限脈衝時間效應)與具有有限脈衝時間的實驗值比較..............................................135 圖 3-43 標準化後表面溫升：數學模型(無熱損失)與具有輻射熱損失的實驗值比較............................................................136 圖 3-44 雷射脈衝波形 ..............................................137 圖 3-45 一個熱通量轉換器與一試體之裝置.............................143 圖 3-46 一個熱通量轉換器與兩試體之裝置.............................145 圖 3-47 兩個熱通量轉換器與一試體之裝置.............................146 圖 3-49 加防護的熱板裝置內熱流之圖示...............................151. IV.

(7) 摘要. 表次表 2-1 FDS5.0 材料性質參數 ..........................................15 表 2-2 ASTM E1591 材料性質參數 ......................................36 表 2-2 ASTM E1591 材料性質參數(續) ..................................37 表 3-1 垂直側向延燒測試標準比較 ....................................40 表 3-2 垂直向下延燒測試標準比較 ....................................40 表 3-3 地坪水平延燒測試標準比較 ....................................41 表 3-4 沿著校正板的熱量值 ..........................................60 表 3-5 試驗材料表 ..................................................67 表 3-6 側向引燃與延燒性試驗 ........................................68 表 3-7 校正板上所須之總熱通量分佈...................................83 表 3-8 校正板上所須之總熱通量分佈...................................84 表 3-9 ISO 9239-1 地坪材料輻射熱板試驗 ..............................87 表 3-10 熱重分析法及膨脹計分析相關標準 .............................88 表 3-11 轉換或熔化溫度和熔化焓各種參考材料.........................103 表 3-12 純Α-氧化鋁在 120K 至 780K 溫度區域的比熱容..................116 表 3-13 0.508 MM 熱線 A 所使用最高電流量(A) ..........................125 表 3-14 不同溫升百分比下的 KX .......................................134 表 3-15 理論模型標準化的溫度對時間值...............................134 表 3-16 有限脈衝時間因子 ..........................................137. V.

(8) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. VI.

(9) 摘要. 摘要關鍵詞：防火、性能設計、建材性質、CNS 一、研究緣起室內火災燃燒過程是一種複雜的物理、化學的綜合過程，而影響燃燒因素並非一成不變是隨機發生的，也因此造成火災燃燒過程及火災溫度的隨機性，且因大尺度火災模擬實驗，所需人力、物力、經費與時間龐大，在有限條件下以及火災變因複雜等因素，為利於研究分析，實驗往往所能採用之模型及態樣有限，實驗所得結果必然無法確切斷定火災成長因素影響性，有鑑於此，國際上陸續發展出數種火災模擬程式，透過程式之模擬再選擇必要之實驗驗證，將可提高研究或設計效能。二、研究方法與過程. 本研究首先蒐集材料熱解與燃燒機理研究文獻，探討防火性能設計與模擬所必須之材料性質，再由這些材料性質，蒐集 ISO、ASTM、 CNS 等標準，比較與檢討 CNS 須建立或須修訂之項目，最後將建築防火性能設計與模擬所必須之基本建材性質測試法，加以建立為 CNS 標準草案或修訂建議。. 三、重要發現 1.火災模擬 19 項材料性質參數測試法蒐集與分析，其中空氣/燃料比、對流熱傳遞係數、逸入係數及火焰撲滅係數，無相關測試標準。 2.材料性質參數中之燃燒效率、燃燒熱、氣化熱、熱釋放率、引燃溫度、質量損失率、物種產生率及熱慣性，可由圓錐量熱儀與房間火災模擬試驗測得，此二試驗法已訂有 CNS 14705 及 CNS 15048，並已與國際調合。 3.在火焰散佈參數方面主要以 ASTM E1321 訂有試驗法與計算方式， ISO 方面為 ISO 5658-2，惟其測試以平均持續燃燒熱及熄滅臨界 VII.

(10) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 熱通量為主。 4.火焰散佈參數方面除結論 3 係以側向延燒外，尚有垂直向下延燒，標準有 ASTM E162、ASTM D3675 及 CNS 14819，測試火焰擴散因素、火焰擴散指數及放熱因素，以及地坪熱輻射水平延燒，測試標準有 ASTM E648、ISO 9239-1 及 ISO 9239-2，ASTM E648、ISO 9239-1 測法相同(最大輻射熱通量為 11kW)，ISO 9239-2 則以最大輻射熱通量 25kW 測試，測試熄滅臨界輻射熱通量，除垂直向下延燒已有 CNS 標準，垂直側向與地坪水平延燒尚未制訂 CNS 標準。 5.材料於燃燒過程或高溫下之密度係隨溫度而變，由於無直接量測溫度與密度關係測試法，但由於密度為質量與體積關係，質量與溫度關係變化可由熱重分析測得，體積與溫度關係變化可由熱膨脹係數測試各向隨溫度變化熱膨脹係數得到。 6.裂解熱、裂解溫度與比熱可由示差分析法獲得。 7.熱傳導部分因有多種測試方法，各方法間有其適用範圍，由於無各測試方法之完整比較文獻，本所亦無完整設備可進行比較分析；因此，本研究僅就 ASTM 及 ISO 相關標準予以蒐集，完成各法之測試法架構與內容研擬，但不同測試法可交互比對取得可靠性較高之熱傳導係數。 8.熱慣性方面可由密度、比熱及熱傳導係數個別測試後計算而得，亦可由圓錐量熱儀法參考 SFPE Handbook, Section 3, Chapter 4 量測而得。四、主要建議事項建議一. 立即可行建議訂定火災模擬材料性質參數測試法等標準。主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：經濟部標準檢驗局、內政部營建署本研究參考 ASTM、ISO 等相關標準研訂火焰散佈參數、密度、熱裂解、裂解溫度、比熱、熱傳導等測試法標準架構與內容，可進一步依標準提案格式撰擬，提供標準制訂機關進行制訂法制程序，在此之前以火災模擬程式進行模擬及作為防火性能設計者，應先將所設計使用之材料經測試取得正確之參數，再以此參數作為模擬參數設定，謂之查證，完成查證後再就整體設計進行功能目標作確認，才算完成設計與驗證，並確保設計可符合安全要求；依申請避難安全性能驗證 VIII.

(11) 摘要. 作業事項第九點審查作業注意事項，應送審文件包括試驗或分析文件、火災模式相關參數輸入與輸出資料列表，據此評定機構應就此部分要求送審者提出實際之試驗或分析文件，如使用火災模式則須審查其相關參數輸入資料是否經過試驗查證。建議二. 中長期建議建置火災模式輸入材料性質參數實驗設備與參數資料庫主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：內政部營建署、經濟部標準檢驗局在相關文獻曾以固相燃燒模擬及驗證結果顯示，如能掌握材料參數，其模擬是可符合常態性之燃燒結果；據此，本所及相關檢測機關如能建立完整之設備，並將測試資料建置參數資料庫，將有助進一步火災安全研究，亦有助於設計者進行防火性能設計，以及建築防火安全主管機關審核。. IX.

(12) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. X.

(13) 摘要. Abstract Keywords: CNS, Performance design, material property 1. Origin of this study Indoor fires burning process is a complex physical, chemical synthesis process, the factors affecting the combustion is not invariably occurs randomly, and thus causing a fire burning process and the randomness of fire temperature and fire due to large-scale simulation experiment, the required manpower and material resources, funding and time a huge fire in the limited conditions, as well as the changes due to complex factors such as research and analysis for the benefit of the experiment is often best to use the model and state of samples is limited, experimental results are certainly not known with certainty the fire growth factors nature of this reason, the international community gradually developed several kinds of fire simulation programs, through a program of the simulation and then select the necessary experimental verification will be able to enhance the performance of research or design. 2. Research method and process First, this study was to collect materials, pyrolysis and combustion mechanism of the research literature to explore the fire performance-based design and simulation of material properties that must be, and then from the nature of these materials, collecting ISO, ASTM, CNS standards, comparison and review of CNS to be established or to be revised the project, and finally building fire performance-based design and simulation of basic building materials are essential to the nature of testing methods, to be established as CNS draft standard or the proposed amendment. 3. Important findings 1. Fire simulation parameters of material properties of 19 Test collection and analysis, including air / fuel ratio, convective heat transfer coefficient, entrainment coefficient and flame extinction coefficient, non-relevant test standards. 2. Material property parameters of the combustion efficiency, heat of combustion, h e a t of g a s i fic a t i on , rate of heat release, ignition temperature, mass loss rate, production rate of species and thermal inertia, may be cone calorimeter and the room test measured, the two XI.

(14) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 3.. 4.. 5.. 6. 7.. 8.. test France have already set a CNS 14705 and CNS 15048, and has been with the international blending. In the flame spread parameters laid down mainly in ASTM E1321 test method and calculation method, ISO in the ISO 5658-2, although its average heat for sustained burning and the critical heat flux at extinguishment. The flame spread parameters in addition to the Department of conclusions 3 to lateral spread, there are spread vertically downward, standards ASTM E162, ASTM D3675, and CNS 14819, test the flame spread factor, the radiant panel index and heat evolution factors, as well as thermal radiation level of the floor spread, the test standards ASTM E648, ISO 9239-1 and ISO 9239-2, ASTM E648, ISO 9239-1 test method the same (maximum radiant heat flux of 11kW), ISO 9239-2 maximum radiation heat flux 25kW test, Test out the critical heat flux at extinguishment, in addition to the vertical spread down the CNS has been the standard, vertical and ground floor level of the lateral spread has not yet developed CNS standards. Materials under high temperature in the combustion process or the density of the Department with the temperature change, because no direct measurements of temperature and density in testing methods, but because of the relationship between the density of mass and volume, quality and the relationship between changes in temperature measured by thermal gravimetric analysis, size and to changes in temperature can be testing the coefficient of linear thermal expansion with temperature changes in the coefficient of linear thermal expansion to be. Heat of pyrolysis, pyrolysis temperature and s pe c i fic h e a tby Differential Scanning Calorimetry. Heat conduction in part by a variety of test methods, each method has its own between the scope of application, the absence of a complete comparison of all test methods literature, this by no device can be a complete comparative analysis; so far as this study, ASTM and ISO standards should be collected to complete the structure of each method of testing methods and content to develop, but the interaction of different testing method can be higher than the right to obtain the reliability coefficient of thermal conductivity. Aspects of thermal inertia by the density, specific heat and thermal conductivity calculated from the individual tests or by the cone calorimeter method reference SFPE Handbook, Section 3, Chapter 4 measurements derived.. 4. Main suggestions. XII.

(15) 摘要. For immediate strategies: In this study refer to ASTM, ISO standards and other related research provides the flame spread parameter, density, heat of pyrolysis, pyrolysis temperature, specific heat, thermal conductivity testing method such standard architecture and content, can be further in accordance with the standard format for drafting and amending the proposal to provide standard-setting bodies to develop the rule of law program, in which prior to the fire simulation program to simulate the performance and as a designer of fire protection should be designed first to use the materials tested to obtain the correct parameters, then this parameter as a simulation parameter settings to verify that the complete verification before on the overall goal of the design features to make sure, be considered to complete the design and verification, and to ensure design compliance with safety requirements; to apply for asylum in accordance with the safety performance verification operational matters ninth point of the review work notes, documents should be submitted for examination, including tests or analysis of documents, fire Model parameters input and output data list, whereby rating agencies should be required to trial those who made this part of the test or analysis of the actual documents, such as the use of fire models to examine the relevant parameters of its input data is tested to verify. For long-term strategies: In the relevant literature as stated by the solid-phase combustion simulation and verification results show that if they can master the material parameters, the simulation is be able to meet the norm of the combustion results; Accordingly, the reach of the relevant inspection agencies, such as able to establish the integrity of equipment, and test Build a database of information parameters, will help to further fire safety research will also help designers to fire performance, design, and building fire safety audits competent authority.. XIII.

(16) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. XIV.

(17) 第一章緒論. 第一章緒論第一節研究緣起與背景室內火災燃燒過程是一種複雜的物理、化學的綜合過程，而影響燃燒因素並非一成不變是隨機發生的，也因此造成火災燃燒過程及火災溫度的隨機性，且因大尺度火災模擬實驗，所需人力、物力、經費與時間龐大，在有限條件下以及火災變因複雜等因素，為利於研究分析，實驗往往所能採用之模型及態樣有限，實驗所得結果必然無法確切斷定火災成長因素影響性，有鑑於此，國際上陸續發展出數種火災模擬程式，透過程式之模擬再選擇必要之實驗驗證，將可提高研究或設計效能。. 蔡銘儒(2008)以材料之熱傳導係數(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 9 項為實驗設計參數，進行 FDS 模擬，經函數分析與變異分析，獲得主要影響模擬結果之參數，在此研究條件下以固相燃燒模擬及驗證結果顯示，如能掌握材料參數，其模擬是可符合常態性之燃燒結果，據此如能研訂材料各項參數特性實驗或推估標準，並建立材料參數資料庫，將有助進一步火災安全研究，亦有助於設計者進行防火性能設計，以及建築防火安全主管機關審核。. 第二節研究內容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 1.

(18) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 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)，性能法規尚在萌芽階段而且隨著知識的進化發展，仍有許多障礙尚待克服。其中一項最主要的缺點是如何證明它能遵照其設定的目標發展，難以評估是否符合其設立的目標(丁育群，1999)。. 陳俊勳(1999)以 HAZARD I 等著名火災模式，這些都非我國自行研發，完全引用一定會有適應不良的情形產生。最主要的是材料不同，再加上使用的習性不同以及氣候不同等因素可能會造成計算結果預測的偏差，. 本研究主要依據ASTM E1591標準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、燃燒效率、對流熱量轉移係數、密度、發射率、逸入係數火焰撲滅係數、火焰散佈參數、燃燒熱、氣化熱、熱解熱、熱量釋出速度、起火溫度、質量流失速度、物種產生速度、熱解溫度、比熱、導熱性、及熱慣性。再由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 ( ρ v) 、 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。以及FDS5 使用手冊材料性質參數，進行綜整研析防火性能設計與模擬，對於材料之特性須求，即材料之熱傳導係數(kv)、比熱(cv)、密度(ρv)、反應能(E)，隨著火災歷程中受溫度之昇高其性質之變化，對於火勢成 2.

(19) 第一章緒論. 長之模擬有明顯之影響，則將此類須求作為性能防火設計基本材料性質測試標準，並予以CNS化。. 第三節研究方法與流程一、研究方法. (一)文獻探討：蒐集材料熱解與燃燒機理研究文獻，作為本研究研擬標準之參考。 (二)標準蒐集：蒐集 ISO、ASTM、CNS 等標準，建立或研修訂材料基本性質測試 CNS 標準草案。 (三)材料基本性質 CNS 化。. 二、研究流程. 3.

(20) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 計畫確定. 文獻蒐集分析. ISO,ASTM,CNS 等標準蒐集. 標準比較分析. 材料性質CNS化. 完成報告圖 1- 1 研究流程圖. 三、預期成果. （一）完成性能設計與火災模擬材料參數所須性質項目資料蒐集與分析。（二）完成防火性能設計與火災模擬所須材料性質測試標準草案研訂。. 4.

(21) 第二章建築材料燃燒性質. 第二章建築材料燃燒性質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. 5.

(22) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 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。. 6.

(23) 第二章建築材料燃燒性質. 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。. 7.

(24) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. (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). 8.

(25) 第二章建築材料燃燒性質. 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]. 9.

(26) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 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 10.

(27) 第二章建築材料燃燒性質. 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). 11.

(28) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 圖 2-5 木材熱傳導係數與溫度關係(Clancy，2002). 1200. 1000. HRR(kW). 800. 600. 400. 200. 0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. 1400. 1600. time(sec). 圖 2-6 每層 3 支木堆房間燃燒模擬與實驗比對(蔡銘儒，2008). 12. 1800.

(29) 第二章建築材料燃燒性質 800. 700. 600. 400. 300. 200. 100. 0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. 1400. time(sec). 圖 2-7 每層 9 支木堆房間燃燒模擬與實驗比對(蔡銘儒，2008). 8 exp FDS. 7. 6. 5 HRR(MW). HRR(kW). 500. 4. 3. 2. 1. 0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. time(sec). 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). 13.

(30) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究 3000.00 FDS THR. 2500.00. THR(MJ). 2000.00. 1500.00. 1000.00. 500.00. 0.00 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. time(sec). 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。. 14.

(31) 第二章建築材料燃燒性質. 表 2-1 FDS5.0 材料性質參數 A ABSORPTION_COEFFICIENT BOILING_TEMPERATURE CONDUCTIVITY CONDUCTIVITY_RAMP DENSITY E EMISSIVITY FYI HEAT_OF_COMBUSTION HEAT_OF_REACTION ID THRESHOLD_TEMPERATURE N_REACTIONS N_S N_T NU_FUEL NU_RESIDUE NU_WATER REFERENCE_RATE REFERENCE_TEMPERATURE RESIDUE SPECIFIC_HEAT SPECIFIC_HEAT_RAMP. MATL(Material Properties) Real Pre-exponential factor Real Absorption Coefficient Real Boiling temperature Real Thermal conductivity Characte Ramp ID for conductivity r Real Solid mass per unit volume Real Activation energy Real Characte r Real Real Characte r Real. Emissivity Comment String (has no effect) Heat of combustion Heat of reaction IDentifier. Characte r Real Real Real Real Real Real. Number of Reactions. Real Characte r Real Characte r. Threshold temperature. Exponent of mass fraction Exponent of temperature Fuel Yield Residue Yield Steam Yield Reaction rate at ref. temp. Reference temperature ID of residue MATL Specific heat. 1/s 1/m ℃ W/m/K. 3. kg/m kJ/kmo l. 1E13 50000. 5000. 0.1. 500.. 0.9. kJ/kg kJ/kg. ℃. kg/kg kg/kg kg/kg -1 s. 0.. -273.1 5 0 1. 0. 0. 0. 0. 0.10. ℃. kJ/kg/ K. 1.0. 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. 15.

(32) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. extinction coefficient)、火焰散佈參數(flame spread parameter)、燃燒熱(heat of combustion)、氣化熱（h e a tofg a s i fic a t i on ）、裂解熱（heat of pyrolysis）、熱釋放率（rate of heat release）、引燃溫度（ignition temperature）、質量損失率（mass loss rate）、物種產生速度（production rate of species）、裂解溫度（pyrolysis temperature）、比熱（s p e c i fic heat）、熱傳導（thermal conductivity）、及熱慣性（thermal inertia）。以下將其標準所列材料性質與測試法摘述如下： 1.空氣/燃料比大多數火災氧化劑的來源，是一般空氣中所含的氧氣。如火焰接獲不足的氧氣，而無法使存在的燃料蒸汽全部燃燒時，此火焰視為「氧氣受限」或「氧氣缺乏」。化學計量燃燒係指燃燒區域可用的氧氣量，剛好等於完全燃燒所需量的情況。燃料受限的火焰，是可用的氧氣量高於可用燃料蒸汽完全燃燒所需量的一種火焰。燃料的空氣/燃料比，是每單位燃料質量燃燒所需空氣質量的量值。於一些數學火災模式中所需的有效空氣/燃料比，高於或等於化學計量空氣/燃料比，因其反映有過多的空氣逸入自由燃燒火焰內。空氣/燃料比用於火災模式，是計算質量燃燒速度，所以是熱量釋出速度。每種燃料的空氣/燃料比是不同的，且是無單位的(亦即質量/ 質量)。取得空氣/燃料比的程序：如前所述，化學計量空氣/燃料比可輕易的從描述燃料於正常空氣中完全燃燒的化學平衡方程式中衍生所得。舉例來說，考量丙烷氣體於空氣中的燃燒。在此，空氣描述為只含氧氣與氮氣。. 空氣. O2 3.76N 2  3CO 4H O18.8N. C3 H 8 5. 2. 反應物. 16. 2 產物. 2. (1).

(33) 第二章建築材料燃燒性質. 空氣對燃料的質量比為686.4/44 = 15.6。所以丙烷的化學計量空氣對燃料比γs為 15.6。一些模式使用有效空氣/燃料比的主要目的，是避免完全運用來自較低層的氧氣。但此類方法通常並未被接受及確認。避免氧氣完全運用的物理性正確方法，需納入氧氣質量於一組模式守恆方程式中的平衡。這種情況下只需化學計量空氣/燃料比，但燃燒子模式需考慮污染及缺氧的影響。. 決定化學計量空氣/燃料比，並無需使用裝置的直接需求。此比值可從燃燒反應的化學計量來計算，但因燃料的元素組成通常未知所以經常不可行。於實際火災或實驗中，決定化學計量空氣/燃料比最常用的方法，是計算每質量單位的空氣完全耗用氧氣燃燒所釋出的能量，與燃燒熱量的比值。前者幾近等於廣泛的材料範圍，且等於3 MJ/kg空氣±5 %。. 2.燃燒效率. 火災時燃燒的有效熱量，因燃料蒸汽的不完全燃燒，所以低於燃燒的淨熱量。燃燒效率χ考慮不完全燃燒。. 燃燒的有效熱量與燃燒的淨熱量的比值為燃燒效率，所以 h x  c, eff hc, net. (2). 其中： △hc,eff代表=燃燒的有效熱量，單位為kJ/kg △hc,net代表燃燒的淨熱量，單位為 kJ/kg 17.

(34) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 大多數碳氫化合物的燃燒效率為0.4至0.9。. 燃燒的淨熱量△hc,net的測試方法可參考ASTM D5865。. 燃燒的有效熱量的測試方法可參考圓錐量熱儀法(ASTM E1354、 ISO 5660、CNS 14705)、ICAL裝置( ASTM E 1623)、或火勢增長裝置 (ASTM E 2058)。. 3.對流熱傳遞係數. 對流熱熱傳遞是指熱量(能量) 在固態表面，與接觸的流體間，因兩者溫度差的移動。對流熱熱傳遞的模式需使用對流熱傳遞係數，通常是以h代表，其定義如下： q" h T. (3). 其中： q”= 每單位面積轉移的能量，單位為W/㎡ △T =表面與移動之流體間的溫度差，單位為絕對溫度K. 對流熱傳遞係數的SI單位為W/㎡·K，是流體性質(導熱率、密度與黏稠度)、流體流動的性質(速度與紊流)、及固態表面幾何學的函數。. 對流熱傳遞係數係數的評估方法：一般方法: (1) 選擇正確的熱量傳遞係數係數是困難的，因為需納入許多變 18.

(35) 第二章建築材料燃燒性質. 數，即使在數學火災模式中會碰到相對較少的實際情況。 (2) 希望取得熱量傳遞係數係數值者，通常會搜尋先前最佳實施於某問題或情況下的值。當流體為空氣時，情況可進一步簡化。大多數火災模式假設煙霧有類似的行為，且有與空氣類似的物理特徵。 (3) 舉例來說，混亂氣流與垂直平面間交換的對流熱量傳遞係數係數，可近似如下： h 0.95  T  ……………………………………………………(4) 1/ 3. 其中: h =W/㎡·K。 △T =垂直表面與空氣之間的溫度差，單位為絕對溫度K。. 一些現有火災模式的內定值: (1) 一些目前的模式具有固定的熱量傳遞係數係數，無論熱層內的條件為何，均將係數設定為約等於10W/㎡·K的常數。 (2) 其他模式，例如CFC V 與FIRST使用較為複雜的方法，將熱量轉移係數表示為熱層溫度的函數。在此方法中將下限選為 5 W/㎡·K，及上限為50W/㎡·K。此方法計算h表示如下： h=min[50 W/㎡K ， 5+0.45(T1-Tw)]………………………………………(5) 其中: T. 1. =層的溫度，單位為絕對溫度K. Tw =牆壁溫度，單位為絕對溫度K (3) 有些模式使用更複雜的方法，熱量傳遞係數係數是用為 Grashof Number(Gr)及Prandtl Number(Pr)函數的Nusselt. 19.

(36) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. Number(Nu)來計算，其公式類似： hl y Nu  C1  Gr Pr ………………………………………………(6) k. 其中 h = 對流熱量轉移係數，單位為W/㎡·K, l =表面的特徵長度，單位為m。 k =流體的導熱率，單位為W/m·K, C1 =常數 y =常數 (4) 此方程式暗指熱量傳遞係數是由自然對流所支配，這在所有房間火災中並非永遠是對的。舉例來說，熱柱會產生驅動熱量轉移的重要速度。因為此速度是於熱量傳遞係數過程的外部產生，所以牆壁或物體與這些流動間的對流熱量傳遞係數是強迫而非自然的。對於強迫對流，Grashof Number(Gr) 及Prandtl Number(Pr)函數的Nusselt Number(Nu)的方程式如下： hl Nu  C2 Re x Pr y ………………………………………………(7) k. 其中: C. 2. =常數. x = 常數. 除非在特定情況需有熱量傳遞係數，否則由圖表數據與公式中選定一個量值，應能提供足夠的準確度。如需實驗數據，所需的裝置會依欲探討的問題而有很大的差異。. 20.

(37) 第二章建築材料燃燒性質. 4.密度. 材料的密度是每單位體積的質量。在火災模式中，密度通常是以kg/m 3為單位。材料加熱時密度會改變有兩個原因：揮發物可能會流失，及尺寸會改變。雖然可得到溫度依賴度的相關性，但許多模式是使用固定(房間)的溫度值。材料的密度是用測量樣本的質量與體積來決定。特定類型的建築材料，中華民國國家標準制訂有詳細的標準，舉例來說，ASTM D2395、CNS 451。當密度隨溫度變化時，質量隨溫度的變化可以熱重分析來決定，而體積隨溫度的改變，可用膨脹計分析來決定。. 5.放射率. 材料的放射率是其表面單位面積輻射出的能量，與相同溫度下黑體輻射出的能量的比值。材料的放射率代表其在所有波長的熱輻射行為。放射率無單位，且其上限為整個黑體。取得放射率的方法—可參考CNS 12066或ASTM C835、ASTM E408。. 6.逸入係數. 火焰與熱柱的質量流速，在房間區域火災模式中，通常是經由衍生自逸入理論的實驗方程式計算。後者是依據空氣以一定高度逸入火焰或熱柱的量，與其在該高度時的速度成比例的假定為基礎。逸入係數界定為兩個速度或流速間的比例常數。此係數沒有單位，目前尚. 21.

(38) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 無測量逸入係數的標準化裝置，但已有許多實驗裝置已用來分析擴散的火焰與熱柱。. 7.火焰撲滅係數. 火焰撲滅係數與整個波長光譜的放射率、火焰強度及溫度等平均輻射參數有關。是以下列方程式來計算火焰的發射能量： E AAf (1 e kl ) …………………………………………………(8). 其中: E =火焰的放射能量，單位為W A = 火焰的包含區域，單位為㎡ σ=波茲曼常數，等於5.67·10. -8. 4. W/㎡·K. Tf =火焰溫度，單位為絕對溫度K -1. k = 火焰撲滅係數，單位為m l =路徑長度，單位為m. k也稱為吸收係數、吸收排放係數或有效排放係數。係數k可用測量放射率 與路徑長度l來估算，假設發射率可表示為 1 e kl。撲滅係數是以測量方程式中除k以外的其他各種火焰參數來決定。. 8.火焰散佈參數. 沿表面相對流動的火焰散佈速度，可經由deRis最早創立的方程式來預測：  Vp  …………………………………………………(9) 2 k c  Tig Ts  22.

(39) 第二章建築材料燃燒性質. 其中 Vp =火焰運行速度，單位為m/s 2. φ= 火焰散佈參數，單位為W /m. 3. k = 熱傳導係數，單位為W/m·K ρ = 密度，單位為kg/m. 3. c = 熱容，單位為J/kg·K Tig = 表面引燃溫度，單位為絕對溫度K Ts = 表面在火焰到達前的溫度，單位為絕對溫度K.. 火焰延燒參數 f，在特定方向及標準空氣環境下，是熱量從火焰 2. 3. 轉移至燃料的特徵之一，也是材料的特性之一，單位為 W /m 。火焰延燒參數可從對流火焰延燒數據，亦即火焰在發光程度(或表面溫度) 範圍內的延燒速度取得。此測試方法於 ASTM E1321 測試方法中描述。要強調的是此方程式 Vp 是高度實驗性的，是以火焰運行速度、熱傳導係數 k、密度ρ、熱容 c 與表面引燃溫度 Tig 需以首尾一致的方式決定。. 9.燃燒熱. 所有的燃燒反應均會產生能量。燃燒熱界定為一單位數量的燃料完全氧化時產生的熱量。燃燒熱的SI單位為kJ/kg。燃燒熱是以燃燒彈卡計(CNS 10835，ASTM D 5865)測量。方法是將已知質量的燃料置於含純氧的隔熱裝置內完全燃燒。此方法可產生燃燒的總熱量。燃燒的淨熱量可用燃燒的總熱量減去蒸氣的潛在熱量(水為2.26kJ/kg) 來決定。. 23.

(40) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 有效的燃燒熱也可從以氧氣熱量計進行的其他測試取得。舉例來說，圓錐量熱儀法(ASTM E1354、ISO 5660、CNS 14705)測量質量流失速度與熱量釋出速度。此環境會發生不完全燃燒。有效的燃燒熱△hc,eff是熱量釋出速度與質量流失速度的比值。 q hc ,eff  ………………………………………………………(10) m. 其中 q=熱釋率，單位為kW m=樣本的質量損失率，單位為kg/s. 此外，如ICAL裝置(ASTM E1623)、房間/角落火災模擬(ASTM E2257、ISO 9705、CNS 15048)、傢俱熱量計(ASTM E1537)等為較大尺度之燃燒熱量方法。. 10.氣化熱. 材料的氣化熱等於需經由其暴露表面供應，將一個質量單位轉換成氣體揮發物的熱量。   q hg  net" ………………………………………………………(11) m. 其中   q net =流入材料的淨熱量，單位為kW/㎡   =材料的質量流失速度，單位為kg/㎡‧s m. hg 的單位為kJ/kg。. 對燃燒中的樣本，進入材料的淨熱通量，等於來自火焰與外部. 24.

(41) 第二章建築材料燃燒性質. 熱通量的輻射與對流熱的總和，減去從表面流失的輻射熱量。火焰通量與熱損依表面溫度而定，是以很難測量。圓錐量熱儀法(CNS 14705 測試方法)已配合表面溫度量值來決定木材產品與PMMA的氣化熱 hg 。. 有些材料的表面溫度相當地固定，且與暴露條件無關，許多材料的表面溫度則非固定的，尤其是會碳化的材料，及會產生大量煙霧的材料。測試法可使用如：圓錐量熱儀法(ASTM E1354、ISO 5660、 CNS 14705)、ICAL裝置 (ASTM E1623)、火災增長裝置(ASTM E 2058)。. 11.裂解熱(反應熱). 化學反應通常包含能量的產生或吸收。裂解熱是材料於裂解時排放或減少的能量，也可界定為原材料與產物間焓的差。在計算反應的熱量時，產物是假定在裂解溫度，而原材料是假定在周邊溫度。裂解熱的SI單位為J/kg，有時在模式中也以J/m3或J/ s‧m3為單位。裂解熱或對應的焓的變化，通常是進行裂解的固態材料的能量平衡方程式的輸入參數。裂解熱通常存在於計算固態材料內的溫度數據的模式內。內能的產生可以數種不同的方式代表，依模式而定。一種常用的方法是將裂解熱Q(kJ/kg)，乘以局部分解速度(kg/m3．s)，來取得能量產生量。另一種替代方法是以dE/dt(kW/m3)來代表產生的能量。. 測量裂解熱最常用的實驗程序是示差掃瞄熱量計(DSC)。將數毫克的少量樣本置於裝置上。裂解是以使用特定的時間溫度暴露來取得。將熱量加至樣本與惰性參考化合物內，使兩種材料維持在相同溫度。將加入的熱量記錄，並假設吸熱與放熱反應會有相同的能量減少. 25.

(42) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 或獲得。DSC的結果會受顆粒大小與加熱速度等因子影響。因為這些因子，可論斷少數樣本的DSC結果不能代表材料的行為。DSC程序也可用來測量蒸發等物理過程相關的焓的獲得或流失，及材料的熱容。亦可由示差熱量分析(DTA)測試，此法是測量樣本與參考材料的溫度差，作為溫度的函數。裂解熱的量化結果可從DTA 結果計算而得。熱重量計(TGA)可用來測量質量的流失作為溫度的函數，也可用測量反應熱，以加入產物的焓，並將其從原材料的焓減去，來計算裂解熱的估算值。惟上述方法並不適用於分層的組合材料。DSC的測試方法ASTM E 537與ASTM E 793，設備之校正方法ASTM E967與ASTM E 968。. 12.熱釋放率. 火災影響的實際計算需了解燃燒速率。燃燒速率可表示為燃料揮發物的質量產生速率，或熱量釋出速率 q。熱釋放率的單位是W或 kW。熱釋放率無法從材料特性的基本量值來預測，其是熱環境、燃料揮發與揮發物燃燒效率的函數。熱釋放率與質量損失率與下列方程式有關：. hc, net ………………………………………………………(12) qmx. 其中: △hc,eff =揮發物燃燒的淨熱量，單位為kJ/kg x =燃燒效率 m=燃料的質量損失率，單位為kg/s. 熱釋放率也可用假設只由H2O與CO2反應，及O2耗盡及產生CO時所. 26.

(43) 第二章建築材料燃燒性質. 產生的熱量來估算。熱量釋出速度可用下列方程式算出：.     q kO2 D O2 ………………………………………………………(13). 與 h h hCO    2  c ,net  …………………………………(14) q  c ,net GCO GCO kCO2 kCO. 其中:  = 每單位面積的熱量釋出速度，單位為kW/㎡ q hc ,net =材料完全燃燒的淨熱量，單位為kJ/kg. hCO =CO燃燒的熱量，單位為kJ/kg   D O2 = 每單位表面積的氧氣耗盡速度，單位為kg/㎡·s. kO2 = 氧對燃料的質量化學計量比，單位為kg/kg kCO2 = CO2的最大可能產量，單位為kg/kg. kCO =CO的最大可能產量，單位為kg/kg  2 = CO2的產生率，單位為kg/㎡·s GCO.  =CO的產生率，單位為kg/㎡·s GCO. 熱釋放率測量目前是使用氧氣熱量計原理，一如圓錐量熱儀法 (ASTM E1354、ISO 5660、CNS 14705)採用的原理。大尺度量測可以 ICAL裝置 (ASTM E1623)、傢俱熱量儀、房間/角落測試 (ASTM E2257、 ISO 9705、CNS 15048)，這些大尺度測試通常是在過度通風下進行。當將此數據用於房間火災模式時，需考慮通風限制、上煙層及牆壁之熱回饋。. 13.引燃溫度 27.

(44) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 固態燃料的引燃是界定為初始氣相火焰燃燒。當固態材料暴露於外部熱量時，有些點會開始熱裂解，燃料蒸汽會在邊界層與空氣混合，不久後熱裂解速度足以達到可燃的下限值，此混合物在特定情況下將被引燃。引燃方式有下列2種形式： (1)引燃器引燃-初期在混合可燃氣由點火器下可被引燃燃燒，此點火器可為燃氣火焰、電氣火花或灼熱電熱線。在引燃器週邊產生足夠高的溫度，開始產生燃燒反應。 (2)非引燃器引燃-如果無引燃器引燃，則固態燃料表面必須達到足夠高的溫度，才會引起燃燒反應。. 固態燃料暴露於特定熱通量是否會起火的預測，是個非常困難的問題。需考量慮固相與氣相的熱量與質量的轉移及氣相中的流體流動與混合。其在無引燃器引燃之溫度是高於有引燃器引燃之溫渡。對各種引燃模式，引燃溫度是材料的一個特徵，且在熱通量上不會有差異。. 引燃溫度可以兩種方式取得。第一種是於引燃測試時實際測量表面溫度，第二種是將一些起火理論應用在一組起火測試結果上。此類數據可以將試體暴露於熱通量範圍內的任何裝置取得，例如ASTM E 906、ASTM E 1321、ISO 5660 或CNS 14705測試方法。. 14.質量損失率. 大多數參與火災燃燒的燃料都是氣相的燃料。此種燃料的質量. 28.

(45) 第二章建築材料燃燒性質. 損失率，等於燃料氣化的速度。質量損失率的SI 單位為kg/s，有時也以kg/㎡·s表示。縮尺測試是測量暴露於完整描述的熱條件下的試體的質量損失率。數值房間火災模式可於明確點預測熱環境。當有暴露及縮尺測試的數據，模式便可決定涉及材料的質量損失率。. 取得質量損失率的程序:. (1)大表面的燃燒與物體的燃燒需加以區分。當火焰於表面的延燒能正確計算時，數學模式只能預測大表面的質量損失率。常用的程序是將表面分成小的區塊，使每個區塊的熱通量能一致考量。 (2) 數學模式也需考慮燃料的方向，此可經由暴露只在受火焰回流的主要影響方向，及隨後在固態/氣態界面的暴露來達成。. 大表面 (1) 模式使用的程序是依據熱量計於發光程度範圍所取得的縮尺質量損失數據。材料某區塊或樣本的質量流失速度可表示如下：        q q f ql   e m ………………………………………(15) hg. 其中:   = 每單位面積的質量損失率，單位為kg/s·㎡ m.   q e = 外部發光或暴露，單位為kW/㎡   q f = 來自火焰的熱量流，單位為kW/㎡.   q l = 表面流失的熱量，單位為kW/㎡. Δhg=氣化熱，單位為kJ/kg 29.

(46) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. (2)一些不會碳化材料的燃燒行為，或多或少像液態燃料(例如PMMA)。燃燒材料的表面溫度是固定的，且穩定態的     ，當材料夠厚時，可依常數 q m e 取得。對於此種材料，. 可在一放射照度範圍在一縮尺量熱計測試出數值，在常           數 q f -q l 及Δhg 可由 m 與 qe 關係圖形，經由內插及斜率      獲得，許多材料並不這些材料的行為，但由 m 與 q f -q l 及. Δhg之近似值仍然可接受。 (3)火焰輻射是氧氣濃度的線性函數，所以可用對發光程度範      圍取得的質量損失數據及氧氣濃度將 q f 與q l 區隔。        (4)碳化性材料例如木材並沒有 q f -q l 及Δhg 之常數，雖然 qe. 是常數。在這情況下,單位面積質量損失率計算可利用小型熱量計,於固定幅照度下進行一系列曝火下質量損失率,並將其內插繪制歷時曲線，其時間軸並且須要其刻度，例如使用總質量損失。. 假如考慮通風限制及由上層與延伸到天花板的回饋，模式能直接由傢俱量熱儀引用質量損失率曲線獲得，如果這樣的曲線不是可用的，此項目可能被看作一次表面的收集。其他技術有時對根據縮尺數據估計一個燃燒的項目的質量損失率是可用的。. 大表面的縮尺測試法如圓錐量熱儀法(ASTM E1354、ISO 5660、CNS 14705)、火災增長裝置(ASTM E 2058)，大尺度測試法如ICAL裝置 (ASTM E 1623)、傢俱熱量儀、房間/角落測試(ASTM E2257、ISO 9705、CNS 15048)。. 30.

(47) 第二章建築材料燃燒性質. 15.物種產生率. 物種一詞是指化學物種，亦即燃燒過程的產物。在某些情況下，物種也用來指火災與煙霧層保持能力有關的產物。因為火災涉及複雜的化學變化過程，所以無法以主要的原理來預測物種產生率。所以需仰賴實驗數據來預測物種產生率。物種產生率的SI單位，與質量損失率同樣是kg/s，有時也可以kg/㎡表示。. 一些實驗裝置可記錄物種的產生。如圓錐量熱儀(ASTM E1354、 ISO 5660、CNS 14705)、火災增長裝置 (ASTM E 2058)、ICAL裝置 (ASTM E 1623)、傢俱熱量儀、房間/角落測試(ASTM E2257、ISO 9705、CNS 15048)可以特定的氣體測計來測量一些物種。於這些火災實驗所記錄的氣體濃度通常包括氧氣、二氧化碳、一氧化碳及碳氫化合物。. 使用實驗量值，及物種產生率與燃料質量損失成直接比例的假設，可以下列關係式取得每個物種的比例常數：. t. Yj.   G dt  ……………………………………………………(16)     G dt  0 t. j. 0. f. 其中: Yj =物種的產量，j，單位為kg/kg,  (t) = 每單位表面積的燃料蒸汽的質量產生率，單位為kg/ G f  ㎡·s(註：等於燃料質量損失率 m ).   (t) =每單位表面積的物種j 的質量產生速度，單位為kg/ G j. 31.

(48) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. ㎡·s.. 在取得物種產量後，可用來模式化預測物種的產生：. " " " G t Y j G t Y j m ……………………………………………(17) j  f . Yj的值會隨時間而改變，依燃燒條件而定。在此種情況下，Yj 需界定為時間的函數，而非先前提供的時間平均值。在此種情況下，Yj 於時間t*時的瞬間值為：.  t *  G j  Y j  t  …………………………………………………(18)   G t*  *. f. 上述的處理過度簡化問題，在取得數據所使用的實驗方法需特別小心。一些變數會影響物種產生率，包括燃料的類型、燃料的幾何學、輻射回饋至燃料表面。物種產生率也是火災房間內通風的一個強的函數，在低度通風與過度通風的情況下，強度等級會有很大的差異。. 16.裂解溫度. 當固態材料暴露於外部熱量時，一些點會開始裂解。裂解界定為無氧時的熱分解。特定類型的塑膠(例如PMMA)的燃燒，或多或少類似液體的燃燒。表面會發生相(液態到氣態)的改變，且無固態殘餘物。木材等其他材料不會完全蒸發，但也會產生碳化。碳化層會隨時. 32.

(49) 第二章建築材料燃燒性質. 間變厚，深層的裂解會比表面為快。. 對於這兩類材料，熱解通常模式化為Arrhenius型化學反應的燃燒：.   i j n  E  Ai  i ic i exp  i ……………………………………(19)  t i 1  RT . 其中: ρ= 密度，單位為kg/m. 3. t = 時間，單位為s ρi =成分i的密度，單位為kg/m. 3. ρic =成分i的最後(碳)密度，單位為kg/m3 ni = 成分i的反應級數 Ai = 成分i的前指數係數 Ei = 成分i的活化能，單位為J/mole R = 通用氣體常數，單位為J/mole· T = 絕對溫度，單位為K. 當被典型火災情境加熱評價時，很多建築材料開始熱解的那個溫度以下，其熱解是可以忽略，這溫度被活化能控制。熱解在相對狹窄的溫度範圍內完成，這因為，在熱解的開始之後，對於一個只幾度的溫度增加來說增加比率非常急劇。在此同時，燃料被耗盡，密度迅速接近零。. 有些材料裂解溫度可由一些研究報告取得，如無相關研究資料可得時，也可以熱重分析評估裂解溫度值，熱重分析是以少量材料量 33.

(50) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 測其質量損失率(或一個別成分在受熱下其穩定率)，Arrhenius方程式是用來關聯起這些資料。如上所述，裂解是在一個小的溫度範圍內完成。點火引燃的Tig值是可以用來評估裂解溫度值的。在測量裂解溫度上並無標準的火災測試法，如上所述可由TGA評估而得，也有可能還要取決由簡化的裂解模式到質量損失率或以圓錐量熱儀測試所得之熱釋放率。. 17.比熱. 某材料的比熱量是指使1kg材料升高絕對溫度1K所需的熱量。對於在某些溫度物化性質會改變的材料，其比熱可界定為使1kg材料升高絕對溫度1K所需的反應熱。材料會隨物化性質改變的熱反應，在一些火災模式中，是將比熱與其他相關的潛熱區隔來特徵化；在一個模式中要非常謹慎確定何種形式的比熱是須要的。初期火勢成長模式需房間內襯材料比熱的數據。另一方面，預測建築材料抗火的模式需有比熱上與溫度相關的數據。比熱量測通常是以示差掃瞄熱量計對大的溫度範圍量測。. 18.熱傳導:. 熱傳導是指熱(能量)從高溫向低溫部分穿過材料轉移的過程，以溫度梯度來表示。熱傳導轉移模式(暫態或穩態)必需了解材料的熱傳導率。通常熱傳導率以k來表示，其單位為W/m·K以及其定義如下：   q k ………………………………………………………(20) dT    dx . 34.

(51) 第二章建築材料燃燒性質. 其中:   q = 每單位面積於x軸方向導熱轉移率，單位為W/㎡, and. dT/dx =x軸方向的溫度梯度. 熱傳導與水分含量、溫度、多孔性、密度及材料的微結構有關。有些模式忽略此相關性，而以常數值來代替。有兩種方法可測量固體的熱傳導率，穩態與暫態方法。穩定態技術是使用熱量來源使試體維持在穩定的溫度梯度，測得的熱傳導率是引用熱面與冷面溫度的平均值。此技術很慢，需數天才能決定少數溫度下的熱傳導率。. 暫態法測試固體熱傳導率通常稱為”熱線法”，其測試法是量測沿試體長度方向埋設在試體中線形熱源在一定時間內的溫升。透過焊接在熱線中點的熱電偶測量熱線溫度隨時間的變化。該線的溫度變化即是被測材料熱傳導系數，此法較穩態法快。. 使用的測試法有平板比較法(ASTM C177、CNS 7332)、平板直接法(ASTM C 518、CNS 7333)。. 19.熱慣性. 材料的熱慣性kρc，是由熱傳導k、密度ρ及比熱c之乘積，其單位為J2/s．m4．K2。模式中所稱熱慣性包含固體之暫態熱傳導，一個固體含有越高之熱慣性，當將其置於液態流體中時，趨於該液態溫度所需之時間將更長。熱慣性可應用熱傳導、密度及比熱量測結果得到。. 35.

(52) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 在建立分析模式時，尤其當固體承受快速的熱衰減,例如發生火焰散佈該表面時,引用有效熱慣性是非常有用的，有效熱慣性可經由分析曝露在輻射熱源下之火花引燃實驗來決定(ASTM E 1321、ASTM E1354、CNS 14705、ASTM E 1623)。. 表 2-2 ASTM E1591 材料性質參數材料性質. 測試方法. 空氣/燃料比. 無. 燃燒效率. ASTM E1354、ASTM E 1623、ASTM E 2058、ISO 5660、CNS 14705. 對流熱傳遞係數. 無. 密度. ASTM D2395、CNS 451、熱重分析、膨脹計. 放射率. ASTM C835、ASTM E408 、CNS 12066. 逸入係數. 無. 火焰撲滅係數. 無. 火焰散佈參數. ASTM E1321. 36.

(53) 第二章建築材料燃燒性質. 表 2-2 ASTM E1591 材料性質參數(續) 材料性質燃燒熱. 測試方法 ASTM D 5865、ASTM E1354、ASTM E1623、ASTM E2257、ASTM E1537、ISO 5660、ISO 9705、CNS 10835、CNS 14705、CNS 15048. 氣化熱. ASTM E1354、ASTM E1623、ASTM E 2058、ISO 5660、 CNS 14705、. 裂解熱. ASTM E 537、ASTM E 793. 熱釋放率. ASTM E1354、ISO 5660、CNS 14705、ASTM E1623、 ASTM E1537、ASTM E2257、ISO 9705、CNS 15048. 引燃溫度. ASTM E 906、ASTM E 1321、ISO 5660 、CNS 14705. 質量損失率. ASTM E1354、ASTM E 2058、ASTM E 1623、ASTM E2257、ISO 5660、ISO 9705、CNS 14705、CNS 15048. 物種產生速度. ASTM E1354、ASTM E 2058、ASTM E 1623、ASTM E2257、ISO 5660、ISO 9705、CNS 14705、CNS 15048. 裂解溫度. 熱重分析、引燃溫度. 比熱. 示差掃瞄熱量計. 熱傳導. ASTM C177、ASTM C 518、CNS 7332、CNS 7333. 熱慣性. ASTM E 1321、ASTM E1354、ASTM E 1623、CNS 14705. (本研究整理). 37.

(54) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 38.

(55) 第三章建築材料性質標準試驗項目與內容. 第三章. 建築材料性質標準試驗項目與內容. 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。因此，建築物火災主要為固體燃料，且碳化型與非碳化型兼具。. 綜整建築材料燃燒性質，大部分已具有標準試驗法，其中尚未訂有中華民國標準(CNS)為火焰散佈參數、裂解熱、比熱、反應熱。此外，密度部分雖有參考標準試驗法，惟其方法主要為木材在常溫下之密度量測，當受熱時密度係隨溫度變化，質量亦隨溫度產生變化。熱傳導部分之 CNS 標準測試法，最高溫僅可量測至 200℃穩態，然火災過程係為暫態且高溫，如圖 2-5 顯示熱傳導係數隨著溫度變化，溫度至 1000℃仍有所變化。. 本研究將就上述建築材料性質，蒐集 ISO、 ASTM 標準研析 CNS 化，以作為火災模擬所須材料參數設定測試值，相關防火詞彙依 CNS 14651、 CNS 14652 及 CNS 14996。. 第一節. 火焰散怖參數. 火焰散佈速度(m/s) Vp . . k c  Tig Ts  2. ，垂直側向延燒可由ISO. 5658、ASTM E1321試驗法實驗而得，垂直向下延燒可由CNS 14819、 ASTM E162、ASTM D3675試驗法實驗而得，地坪水平延燒可由ASTM E648 39.

(56) 防火性能設計之建材性質測試標準 CNS 化研究. 試驗法實驗而得，表3-1至表3-3分別就垂直側向延燒、垂直向下延燒及地坪水平延燒測試標準之比較，在垂直向下延燒已訂有 CNS 14819，由表3-2顯示此標準係參考ASTM所制訂，因此本研究將以垂直側向延燒及地坪水平延燒進行測試法探討及其CNS化。. 表 3-1 垂直側向延燒測試標準比較測試標準試片試片位置熱源測試持續時間. ISO 5658 part2 ASTM E1321 800㎜長×155㎜寬試片3片直立於試片夾中瓦斯燃氣輻射熱板 30 min或火焰延燒至試片末端或火焰鋒面停止或自熄因而停止延試片延燒火焰延燒至試片末端結論平均持續燃燒熱＊最小表面引燃熱通量、溫度熄滅臨界熱通量及側向散佈有效熱慣性側向火焰散佈之火焰加熱參數引燃時間側向火焰散佈速度持續燃燒熱=試驗開始時間 ×實際火焰鋒面之公稱熱通量，單位是MJ/㎡.. ＊. 表 3-2 垂直向下延燒測試標準比較測試標準試片試片位置熱源測試持續時間結論. 40. CNS 14819. ASTM E162 460㎜長×150㎜寬4片傾斜於試片夾中瓦斯燃氣輻射熱板當火焰到達380㎜處或暴露期間達15min 火焰擴散因素放熱因素火焰擴散指數. ASTM D3675.

(57) 第三章建築材料性質標準試驗項目與內容. 表 3-3 地坪水平延燒測試標準比較測試標準試片試片位置熱源. 測試持續時間. 結論. ASTM E648. ISO 9239-1 ISO 9239-2 1050㎜長×230㎜寬每一曝露面試片3片水平於試片夾中瓦斯燃氣輻射熱板最大熱通量為最大熱通量為最大熱通量為 10kW/ ㎡下降至試 11kW/ ㎡下降至試 25kW/㎡下降至試片末端為1kW/㎡片末端為1kW/㎡片末端為 2.6kW/ ㎡點火 5 分鐘未延燒 30 min或委測者要求更長時間或延燒直到火焰熄滅熄滅的臨界輻射熱通量. 一、垂直側向延燒測試經由表 3-1 比較 ISO 5658 及 ASTM E1321，ISO 5658 測試所得平均持續燃燒熱、熄滅臨界熱通量，但由此二標準之發展，由陳俊勳 (1994)所作之比較，原 ISO 5658 (1991)分為兩部分，part1 與 ASTM E1317 相同(即不需作引燃試驗)；part2 與 ASTM E1321 同，必需作引燃試驗；但 1993 年修訂板，part2 也修改成不需作引燃試驗，且以測試持續燃燒熱與熄滅臨界熱通量為主，較傾向產品性質測試，part1 修改為火焰延燒指引。ASTM E1321 所測得引燃、側向火焰延燒、有效熱慣性，皆為火災模擬之材料燃燒參數設定所須測試值，另由 ISO 170255.9.1(C)使用相同或不同方重複試驗，以監控所進行試驗結果之正確性，在火災模擬之材料性質中熱慣性為一重要性質，因此能藉由相同或不同方重複試驗，將能確保測試結果之正確性，，而其延燒測試結果主要用於推導火焰散佈參數，較符模擬之材料參數所須，基於此本研究將嘗試將 ASTM E1321 與 ISO 5658 part2 綜合 CNS 化，以下就綜整測試標準化基本資訊簡述如下。 1.適用範圍：本項試驗是以輻射熱源測量沿垂直樣品表面之側向引燃、火焰散佈與延燒特性，所提供的數據適用於比較表面基本平整材料的性能，如用於牆壁暴露表面的單一材料、複合材料和組件。 41.