依據(jù)火災(zāi)可燃物的熱解著火行為之不同，一般來(lái)說(shuō)可以將固體可燃物分成碳化型(charring)及非碳化型(non-charring)兩大類，碳化型材料受熱后在加熱方向上存在由外到內(nèi)的溫梯度，并由表面開始產(chǎn)生熱解，且其熱解是分層進(jìn)行的，當(dāng)其熱解揮發(fā)分達(dá)到一定量值時(shí)，若有氧化劑的存在，足夠高的溫度下將產(chǎn)生著火，隨著熱解與燃燒的進(jìn)行，此類材料之表面會(huì)有大量的焦碳覆蓋，焦碳層的形成會(huì)使表面熱阻增大，使得材料表面溫度上升，并在材料內(nèi)部形成更大的溫度梯度，進(jìn)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。非碳化型材料受熱后短時(shí)間內(nèi)即軟化流動(dòng)，其熱解和著火類似于液態(tài)燃料，能完全熱解燃燒，一般不會(huì)有殘留物存在，這類材料大都是人工合成的塑料制品，其中以PMMA為典型代表。引述據(jù)火災(zāi)資料統(tǒng)計(jì)，世界各國(guó)火災(zāi)事故中建筑物火災(zāi)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(guān)，損失巨大的住宅建筑火災(zāi)中，約有70％與建筑物室內(nèi)裝修用的木質(zhì)材料有直接關(guān)系。由此建筑火災(zāi)之主要可燃物種類及燃燒特性，本研究將以木材進(jìn)行探討，再由主要影響燃燒過(guò)程之材料性質(zhì)加以界定，并研擬所須之試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以供性能設(shè)計(jì)與仿真之須。碳化型材料(如木材)之熱解與著火過(guò)程是一個(gè)及其復(fù)雜的物理與化學(xué)變化的過(guò)程，在外界熱輻射作用下，構(gòu)成木材之纖維素等天然有機(jī)高分子在熱解反應(yīng)作用下發(fā)生了一系列復(fù)雜的斷鍵、解聚、分解與重組的過(guò)程，生成了固態(tài)的焦碳、焦油及液態(tài)水，同時(shí)析出大量的揮發(fā)分氣體，一旦到達(dá)著火極限，在試體的表面產(chǎn)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(fā)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(fā)生在多孔的可燃物(如香煙等)。據(jù)Gohlieb之分析結(jié)果，不論什么樹種的木材，其元素組成分為：C：50％、H：6％，由此推定木材之分析實(shí)驗(yàn)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(zhì)，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(xué)組成分，不但在樹種之間有差異，同時(shí)在同一樹干上因部位不同亦生差異。木材之化學(xué)組成分呈不均一分怖于各部位，且組成分為相當(dāng)復(fù)雜之物質(zhì)。木材之主成分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，副成分為油脂、樹脂、萜類、單寧、色素以及氮化合物。整理出木材三種主成分之熱解溫度區(qū)間，半纖維素在200~260℃，纖維素在240~350℃之間，而木質(zhì)素在280~500℃之間。木材之熱解歷程如下，當(dāng)溫度到達(dá)100℃之后，其內(nèi)部的水分就開始發(fā)生蒸發(fā)，隨著溫度的進(jìn)一步升高，緩慢的熱解反應(yīng)釋放出少量的揮發(fā)份，材料的重量開始發(fā)生變化，當(dāng)溫度處在200℃到280℃之間時(shí)，熱解反應(yīng)較為緩慢且被認(rèn)為是吸熱的(主要是半纖素的熱解過(guò)程)，此時(shí)反應(yīng)主要產(chǎn)生了二氧化碳、乙酸以及水蒸氣，熱解反應(yīng)的加速階段時(shí)在溫度達(dá)到280℃到500℃之間，如果此時(shí)的環(huán)境氣氛是惰性的，當(dāng)溫度高過(guò)500℃材料的重量變化不大，但是如果環(huán)境中有氧氣存在，溫度達(dá)到280℃到500℃之間時(shí)的熱解反應(yīng)是強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)(主要是纖維素及木質(zhì)素的熱解過(guò)程)，而且高過(guò)500℃后由于碳化部分之緩慢燃燒，使得材料的重量逐漸減少。根據(jù)空氣氣氛下木材熱解(燃燒)失重過(guò)程的兩個(gè)階段特性，利用”雙組分兩階段”反應(yīng)表現(xiàn)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述該過(guò)程。（式略）在木材熱解與著火過(guò)程中幾何結(jié)構(gòu)的變化方面，當(dāng)表面溫度達(dá)到300℃以上時(shí)，其碳化層就要發(fā)生收縮并在表面出現(xiàn)裂紋，這些裂紋的出現(xiàn)會(huì)使得熱解產(chǎn)生的揮發(fā)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(xiàn)體積收縮及開裂的主要原因，由于水分蒸發(fā)，揮發(fā)份的析出，以及木材內(nèi)部大分子機(jī)構(gòu)重整使得其表層發(fā)生了收縮，又由于碳分子的重新結(jié)合以及空隙之間的引力作用使得碳化層開始發(fā)生開裂，并隨著碳化層的加深裂紋也越來(lái)越大、越深，為促使與仿真輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量高度相關(guān)的火災(zāi)模式計(jì)算的準(zhǔn)確度增加，重點(diǎn)是房間火災(zāi)的區(qū)域模式，但其它類型的數(shù)學(xué)火災(zāi)模式也需許多相同的輸入變量，提供數(shù)學(xué)火災(zāi)模式需作為輸入值的材料性質(zhì)，提供各項(xiàng)輸入變量如下所列：空氣/燃料比、燃燒效率、對(duì)流熱傳遞系數(shù)、密度、放射率、逸入系數(shù)、火焰撲滅系數(shù)、火焰散布參數(shù)、燃燒熱、氣化熱、裂解熱、熱釋放率、引燃溫度、質(zhì)量損失率、物種產(chǎn)生速度、裂解溫度、比熱、熱傳導(dǎo)、及熱慣性。綜上所述，材料在受熱或處于高溫環(huán)境下時(shí)會(huì)有不同反應(yīng)特性，這些特性在火災(zāi)進(jìn)展過(guò)程中會(huì)遞次出現(xiàn)，對(duì)于火災(zāi)危害因子效應(yīng)或助長(zhǎng)或消滅。居室火災(zāi)若建筑物或居室發(fā)生火災(zāi)，依室內(nèi)火災(zāi)溫度的變化大致可分成4階段。a.「起火期」：造成起火的原因一般有香煙引燃沙發(fā)或引燃垃圾桶紙張進(jìn)而引燃其外圍家具或窗簾等的燃燒，或因電氣器具過(guò)熱引燃衣物或床墊，或來(lái)自鄰房的延燒等火源，此階段時(shí)間可能很短暫，也可能非常長(zhǎng)的引火時(shí)間，皆稱為「起火期」。b.「成長(zhǎng)期」：一旦起火期引燃更多材料或壁裝材料著火，使得燃燒加劇，室內(nèi)火災(zāi)溫度快速升高，此時(shí)即進(jìn)入「成長(zhǎng)期」，燃燒火焰從燃燒點(diǎn)（區(qū)）擴(kuò)展至鄰近材料或傳遞至火焰所及稍遠(yuǎn)處，形成延燒（firespread）現(xiàn)象，假如有過(guò)量熱能產(chǎn)生，且有熱能回饋的話，延燒將加劇加速。影響此過(guò)程若干物理性、幾何因子、包括可燃物之形狀及配置方向，有無(wú)邊緣、角落，鄰近有無(wú)反射熱能之表面等。c.「全盛期」「閃燃」：在火災(zāi)持續(xù)成長(zhǎng)的過(guò)程當(dāng)中，熱裂解產(chǎn)生的可燃性氣體會(huì)在室內(nèi)高處蓄積，當(dāng)該氣體與空氣之混合氣體濃度達(dá)到燃燒界限，且溫度已達(dá)到多數(shù)材料之著火點(diǎn)或以上，將使室內(nèi)全體陷于火焰之中，由局部燃燒瞬間擴(kuò)大到全體燃燒，「閃燃」可能產(chǎn)生，或火勢(shì)旺盛、溫度持續(xù)在高溫領(lǐng)域的時(shí)期，稱為全盛期。由于此階段會(huì)發(fā)生溫度急遽上升、煙及燃燒氣體量激增、氧氣濃度急速減少、壓力變化等現(xiàn)象，人在室內(nèi)已難以存活，所以所有人員應(yīng)在此之前逃避至安全之處，此階段之持續(xù)時(shí)間依可燃物量與空氣之供給量而定。d.「衰退期」：為居室火災(zāi)最盛期后火勢(shì)趨小之階段，室內(nèi)溫度開始下降，地板上呈現(xiàn)殘物燃燒狀態(tài)，一直至熄滅為止。由火災(zāi)歷程之中，火災(zāi)擴(kuò)大受材料特性影響之關(guān)鍵時(shí)期是從起火至全盛期(或閃燃)階段為止，在此期間內(nèi)，其延燒燒現(xiàn)象系由室內(nèi)可動(dòng)火載量配置與內(nèi)裝材料特性所決定。因此裝修材料在預(yù)防火災(zāi)發(fā)生及阻止延燒擴(kuò)大功能方面所扮演角色十分重要。
建筑物防火對(duì)策的第一要?jiǎng)?wù)即是預(yù)防起火，而建筑技術(shù)規(guī)則嚴(yán)格來(lái)說(shuō)僅對(duì)于裝修材料的表面材有耐燃性規(guī)范，至于裝修時(shí)所使用的底材，并未明確規(guī)范，所以可能導(dǎo)致火災(zāi)之火熱藉由試體的傳熱性而加熱固定之底材、木角材或吊筋，使其燃燒或變形，進(jìn)而導(dǎo)致火由表面材之底材或固定材燃燒或造成耐燃裝修面之破壞而延燒，針對(duì)一般常見的內(nèi)裝固定材料（木角材及吊筋輕鋼架）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估成果加以說(shuō)明，該研究所采用較接近火災(zāi)實(shí)況之大尺度實(shí)驗(yàn)CNS15408(實(shí)驗(yàn)法同ISO9705)房間試驗(yàn)，與CNS12514建筑物構(gòu)造樓板含天花板之耐火試驗(yàn)，進(jìn)行模擬裝修底材在真實(shí)火災(zāi)歷程之成長(zhǎng)期與全盛期下燃燒現(xiàn)象探討。CNS15408房間試驗(yàn)為了解不同耐燃級(jí)數(shù)、不同厚度板材于CNS15408房間試驗(yàn)之火場(chǎng)行為，分別以9mm耐燃二級(jí)石膏板及12mm耐燃三級(jí)耐燃合板為面材。天花板之支撐材分為兩個(gè)部份，一半以木角材來(lái)固定面材，另一半吊筋輕鋼架來(lái)固定面材，墻面則都以木角材來(lái)固定，木角材跨距皆選用在一般裝修最常使用的60cm，裝修后CNS15408房間內(nèi)長(zhǎng)3.3m、寬2.2m、高2.3m。量測(cè)項(xiàng)目包括房間天花板、天花板木角材、天花板吊筋及墻面木角材溫度。(1)面板9mm耐燃二級(jí)石膏板試驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)開始先以燃燒器供應(yīng)熱釋放率100kW燃燒火源，于實(shí)驗(yàn)開始第13秒墻面石膏板即有明顯焦黑情況，第22秒時(shí)天花板有明顯變焦黑情況，且焦化面積持續(xù)擴(kuò)大。10分鐘時(shí)，燃燒器由100kW增加至300kW，墻面和天花板焦化面積也隨燃燒火源加大而擴(kuò)大。15分20秒時(shí)，天花板被燒穿掉落。15分20秒天花板崩塌后，火焰穿過(guò)石膏板，直接燃燒底材之木角材及吊筋，使裝修的結(jié)構(gòu)受到破壞，之后陸續(xù)有小片的天花板掉落，當(dāng)19分23秒天花板整個(gè)崩塌下來(lái)，20分鐘時(shí)，燃燒器熄火后，可清楚的看到木角材固定的天花板已全部崩塌，木角材還有余焰燃燒，且墻面的焦化面積。黑的情況，且焦化面積持續(xù)擴(kuò)大。當(dāng)?shù)竭_(dá)10分鐘時(shí)，熱釋放率由100kW增加至300kW后，在10分37秒發(fā)生閃燃，火焰竄出，10分57秒進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)各熱電偶測(cè)點(diǎn)溫度，熱釋放率、總熱釋放方面，在天花板下方之溫度(T1、T2、T3)于燃燒器供應(yīng)熱釋放率100kW期間，除T3因位于燃燒器附近，溫度達(dá)約500℃外，其余各點(diǎn)維持在300℃左右，十分鐘后燃燒器供應(yīng)熱釋放率增加至300kW后，于10分37秒發(fā)生閃燃，溫度快速升高至600℃～900℃，為避免實(shí)驗(yàn)設(shè)備受損，實(shí)驗(yàn)隨即停止及滅火。在天花板后方溫度(T4、T5、T11、T12、T13、T14)與墻面后方溫度(T6、T7、T8、T9、T10)方面皆緩慢上升，且皆未超過(guò)100℃。吊筋(T15、T16)之溫度介于150℃～200℃，未達(dá)吊筋性質(zhì)變化之溫度。在熱釋放率、總熱釋放，耐燃合板雖可燃，但前十分鐘供應(yīng)引火之熱尚未能造成耐燃合板之引燃，當(dāng)燃燒器熱釋放增加至300kW后，短時(shí)間內(nèi)即達(dá)閃燃，熱釋放率也隨之瞬間增加。固定材在火場(chǎng)中之危害為面板材燒穿，才會(huì)造成固定材曝露于火場(chǎng)，造成裝修材料突然大量暴露于火災(zāi)高熱中以致釋放大量熱、煙，在2次試驗(yàn)中，以9mm二級(jí)石膏板為面材燃燒試驗(yàn)，在約于15分鐘天花板受火源直接加熱部分發(fā)生燒穿與崩塌，約于19分天花板面材整個(gè)崩塌，使得天花板部分固定材曝露于火場(chǎng)中，但由于火勢(shì)并未成長(zhǎng)因而在模擬火源燒盡后，在無(wú)熱源下火勢(shì)快速衰退，以12mm三級(jí)耐燃合板為面材燃燒試驗(yàn)，在模擬引火期引燃室內(nèi)材料而進(jìn)入成長(zhǎng)期階段約50秒鐘時(shí)間，加熱源附近之面材迅速燃燒成長(zhǎng)及延燒，并非常快地發(fā)生閃燃，但此時(shí)所有面材并未發(fā)生崩塌現(xiàn)象，且固定材仍受面材被覆下尚未受到火熱之侵襲與燃燒。因此，在面材燒穿破裂前，即使發(fā)生閃燃，固定材在面材仍有效被覆下并不會(huì)加劇與擴(kuò)大火勢(shì)。此外，面材燒穿與否是固定材是否會(huì)影響防火性能之關(guān)鍵，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是否燒穿與板材之耐燃性無(wú)直接關(guān)系，其厚度扮演重要角色，此點(diǎn)在已有證明。而裝修材料在表面試驗(yàn)中已有檢測(cè)其龜裂及裂隙寬度，在2011年轉(zhuǎn)換測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)CNS14705亦有龜裂及裂隙寬度之判定項(xiàng)目，已足以在火災(zāi)初期防護(hù)固定材，但固定材于性能設(shè)計(jì)時(shí)須計(jì)入火載量?jī)?nèi)，但在吾人多年防火實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，面板材料實(shí)時(shí)通過(guò)耐燃性之測(cè)試，在使用時(shí)由于材料構(gòu)成成份、比例不同，在受到火災(zāi)成長(zhǎng)期之火勢(shì)下，有產(chǎn)生裂縫或爆裂現(xiàn)象，而失去其耐火性能，如用于構(gòu)件(如防火墻)則可能降低其防火時(shí)效。建筑物樓板構(gòu)造含天花板耐火試驗(yàn)以CNS12514試驗(yàn)主要探討面材的厚度對(duì)崩塌的影響，故在CNS12514實(shí)驗(yàn)中，將天花板分成四等份如圖15，面板分別以9mm石膏板、12mm石膏板、7mm耐燃合板、及12mm耐燃合板，板與板間皆以9mm石膏板分隔，固定材皆以木角材，固定材跨距選用在一般裝修常使用的90cm。裝修后的試體長(zhǎng)480cm、寬480cm、天花板與樓板間距30cm。量測(cè)天花板及木角材溫度。試驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)面板材崩塌，即會(huì)造成木角材受熱溫度急劇上升，觀察四種面材固定木角材溫度，得知四種面材崩塌的順序依序是9mm耐燃石膏板、7mm耐燃耐燃合板、12mm耐燃石膏板、12mm耐燃耐燃合板。由此可知，崩塌的發(fā)生與面板材之耐燃性無(wú)直接關(guān)系，而與面板材厚度有較顯著的關(guān)系。耐燃合板之崩塌主要在于耐燃合板被引燃燒穿后，使固定木角材受熱引燃及碳化而失去固定面板強(qiáng)度，以致無(wú)法承受面板材重量而造成崩塌。在石膏板方面因受熱后，面材龜裂、脫水粉化，使固定木角材因而受熱引燃，進(jìn)而造成大規(guī)模的崩塌。底材熱/煙特性實(shí)驗(yàn)與討論一般在進(jìn)行室內(nèi)裝修時(shí)，常將通過(guò)檢測(cè)產(chǎn)品作為面材貼附于另一底材上，此底材常不具耐燃性能，且未加以規(guī)范。為探討單純貼附，是否會(huì)影響面材耐燃性能，由四種不同的面材（4mm耐燃一級(jí)木絲水泥、6mm耐燃一級(jí)硅酸鈣板、9mm耐燃一級(jí)石膏板、12mm級(jí)外耐燃合板），貼附在底板（10mm級(jí)外三夾板）上，再以CNS6532耐燃試驗(yàn)法之表面試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)當(dāng)面材貼在底材上，并未明顯影響材料在表面燃燒發(fā)熱性，但發(fā)煙性與余焰則因面材特性而異，特別是硅酸鈣板，在加了底材之后，因?yàn)楣杷徕}板產(chǎn)生裂縫而使底材受熱引燃，發(fā)煙，使其耐燃性由耐燃一級(jí)降為級(jí)外。由其結(jié)果可知，面板材貼附于級(jí)外之底材上，對(duì)于一些材料可能在受熱時(shí)因熱膨脹行為在底材拘束下，因而由受熱面產(chǎn)生裂縫而使熱貫穿至底材，進(jìn)而促使底材燃燒或發(fā)煙。所以在CNS6532試驗(yàn)法標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于底材或中間材非無(wú)機(jī)材料之復(fù)合材料，在耐燃二級(jí)以上要求時(shí)，須加作附加試驗(yàn)(貫穿試驗(yàn))，以防止當(dāng)使用時(shí)有穿孔須要但未妥善防護(hù)處理，將使底材受熱燃燒；在2011年轉(zhuǎn)換以CNS14705為耐燃材料試驗(yàn)法后，由于此試驗(yàn)法并無(wú)貫穿試驗(yàn)要求，對(duì)此一特性有必要在二試驗(yàn)法并行使用期間有必要進(jìn)一步探討。多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)大致上皆明訂「試體之材料及組成，須與實(shí)際所使用者相同」，依照經(jīng)濟(jì)部標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)局公告應(yīng)施檢驗(yàn)品目，主要為單一材料，但實(shí)際使用于室內(nèi)裝修墻面系統(tǒng)常將耐燃板材貼附在不同板材上；因此，使用于室內(nèi)裝修上有此貼附施工，應(yīng)循建筑新技術(shù)新工法新設(shè)備及新材料審核認(rèn)可規(guī)定，取得認(rèn)可后始得使用。
裝修材料在CNS6532及CNS14705中皆有檢測(cè)其龜裂及裂隙寬度，已足以在火災(zāi)初期防護(hù)固定材免受火熱之侵襲，但對(duì)于在成長(zhǎng)期階段之火勢(shì)下部分材料會(huì)產(chǎn)生爆裂，此類材料在此二試驗(yàn)法并無(wú)法測(cè)出；因此，在使用上尤其使用于耐火構(gòu)件面板，有必要以更接近火災(zāi)成長(zhǎng)期之試驗(yàn)法(如CNS15408)加以檢驗(yàn)與規(guī)范使用。底材（1）將已具耐燃性能之板材貼附于級(jí)外，若面板材產(chǎn)生龜裂或裂隙，將使底材被引燃而產(chǎn)生燃燒與發(fā)煙。（2）此類實(shí)際使用型態(tài)之板材在CNS6532中有附加試驗(yàn)(貫穿試驗(yàn))加以測(cè)試，但CNS14705并無(wú)此測(cè)試，其耐燃級(jí)數(shù)之判定將有所差異，標(biāo)準(zhǔn)完全轉(zhuǎn)換前應(yīng)加以進(jìn)一步探討。（3）此類實(shí)際使用型態(tài)使用規(guī)范應(yīng)循建筑新技術(shù)新工法新設(shè)備及新材料審核認(rèn)可規(guī)定，取得認(rèn)可后始得使用。
