消防射水對木材炭化痕跡的影響研究

張津銘，朱永平，付師晗，何 彤

(1.武警學(xué)院 研究生隊(duì)，河北 廊坊 065000； 2.文山市消防支隊(duì)，云南 文山 663000)

消防射水對木材炭化痕跡的影響研究

張津銘1，朱永平2，付師晗1，何 彤1

(1.武警學(xué)院 研究生隊(duì)，河北 廊坊 065000； 2.文山市消防支隊(duì)，云南 文山 663000)

木材是常用建筑材料，發(fā)生火災(zāi)后，木材炭化痕跡對火災(zāi)調(diào)查人員準(zhǔn)確判定火災(zāi)蔓延方向和認(rèn)定起火點(diǎn)起著至關(guān)重要的輔助證明作用。選擇標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)M箱來模擬室內(nèi)火災(zāi)空間，利用油盤火，在不同火源距離和不同燃燒時(shí)間條件下，模擬一種杉木在單室受火焰作用下，不同射水方式對該木材炭化痕跡和炭化深度的影響，探討不同射水方式對木材炭化痕跡的影響。與自然冷卻相比，射水過后木材炭化痕跡表面灰化痕跡減少，裂縫變寬，裂紋形狀彎曲變形無規(guī)則；木材表面炭化塊凸起，邊緣發(fā)生變化(上翹或者光滑向下)；炭化塊表面有許多細(xì)微的小裂紋，炭化表面比較有光澤，發(fā)亮。試驗(yàn)結(jié)果可以為火災(zāi)調(diào)查工作排除消防射水對木材炭化痕跡的影響，具有重要意義。

木材炭化；炭化深度；消防射水；痕跡形貌

木材是重要的建筑材料，木材及其制品也是家具、裝飾、包裝及其印刷行業(yè)的重要原料，與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)。木制品具有可燃的損毀性，少許的熱降解就會影響其結(jié)構(gòu)性能，導(dǎo)致木材損毀或坍塌[1-4]?；馂?zāi)現(xiàn)場的木材炭化痕跡對于判定火災(zāi)蔓延方向和起火點(diǎn)具有重要作用[5-6]，但是在現(xiàn)實(shí)滅火作業(yè)過程中，由于消防射水的沖擊力和水漬破壞使得木材炭化痕跡發(fā)生了移位和損壞，被破壞的木材炭化痕跡有時(shí)候會影響對火災(zāi)的判定，給火災(zāi)調(diào)查工作帶來很大的干擾[7-8]。針對這一現(xiàn)象，研究消防射水對木材炭化痕跡的影響，對于火災(zāi)勘驗(yàn)工作排除干擾因素具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)原料：0號柴油；杉木木板(45 cm×37 cm×5 cm)。

試驗(yàn)儀器：標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)M箱，用于模擬室內(nèi)火災(zāi)，外徑為100 cm×100 cm×70 cm,內(nèi)徑為90 cm×90 cm×60 cm；油盤，規(guī)格為24 cm×24 cm×3 cm；TES1313熱電偶，用于測量木材表面溫度，測量溫度范圍為-150.0～1 370.0 ℃；鐵架臺；數(shù)據(jù)采集儀FLUKE 26381A，接受熱電偶傳輸數(shù)據(jù)；xzm-888型掌壓式水槍，進(jìn)行消防射水時(shí)使用，內(nèi)徑為8 mm，流量為0.085 L·s-1；木材炭化深度測量儀；佳能600D單反相機(jī)。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

把木板放置在試驗(yàn)裝置內(nèi)部，再用燒杯分別量取750 mL(24 cm×24 cm的油盤可燃燒10 min左右)、900 mL(24 cm×24 cm的油盤可燃燒13 min左右)柴油倒入油盤內(nèi)，將油盤放在木板前5 cm、15 cm處。用鐵架臺固定三根連接在數(shù)據(jù)采集儀上的熱電偶，分別將三根熱電偶放置在距木板底部5 cm、20 cm、35 cm處且緊貼木板，熱電偶頭部放置在木板中線上。在試驗(yàn)裝置內(nèi)部添加石膏板作為阻火保溫材料，用電點(diǎn)火裝置引燃報(bào)紙放置在油盤里點(diǎn)火，分別使用自然冷卻、直流射水、開花射水的方式讓木材冷卻，燃燒停止后對痕跡進(jìn)行拍照并觀察痕跡特征。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場圖

將木材樣品按照與火源距離、受熱時(shí)間、射水方式進(jìn)行分類編號，N代表自然冷卻，Z代表直流射水，K代表開花射水，例如，N-5-10即為自然冷卻條件下距離火源5 cm、受熱10 min的木材樣品，如表1所示。每種試樣設(shè)置平行試驗(yàn)3組。

表1 試驗(yàn)試塊編號一覽表

2 結(jié)果與討論

木材由常溫逐漸加熱，首先是水分蒸發(fā)，水分蒸發(fā)完全后，木材呈現(xiàn)絕對干燥狀態(tài)，此時(shí)繼續(xù)加熱，木材開始炭化分解，即木材由大分子變?yōu)樾》肿由踔粮》肿拥倪^程。而后，木材表面開始焦化變色，直至出現(xiàn)黑色，這個(gè)過程即為炭化過程。達(dá)到一定溫度后，熱分解結(jié)束，木材開始燃燒[9]。經(jīng)3次重復(fù)試驗(yàn)，所得規(guī)律比較一致。

2.1 木材受熱表面痕跡特征

以距離火源5 cm、受熱10 min的木材樣品為例，木材加熱之后，分別采取自然冷卻、直流射水、開花射水三種方式冷卻30 s，計(jì)算三個(gè)熱電偶平均溫度，并記錄溫度變化規(guī)律。木材表面溫度變化見表2，溫度變化趨勢如圖2所示。

表2 木材表面溫度變化表

圖2 距離火源5 cm、受熱10 min木材溫度變化

2.1.1 自然冷卻條件下木材的表面痕跡形貌

圖3為自然冷卻條件下木材的表面痕跡形貌。自然冷卻條件下木材表面燒損痕跡保存較好，試塊表面灰化痕跡較為明顯，表面炭化痕跡與灰化痕跡分界線較為明顯，木材表面灰化痕跡處呈現(xiàn)倒“V”字形?；一圹E面積較大，整體結(jié)構(gòu)保持較好，未出現(xiàn)大面積破損缺角等情況，木材表面橫向裂紋較為整齊，基本沿木材紋理裂開，呈現(xiàn)完整較長直線，縱向裂紋較短且交錯(cuò)縱橫無明顯規(guī)律。在試驗(yàn)中，中部熱電偶溫度最大，其次為上部熱電偶，下部熱電偶溫度最低，說明中部受火最嚴(yán)重。木材樣本上部左側(cè)受火較輕，與中部相比燒損較輕，灰化程度較輕，炭化塊較大，下部木材受火較輕，所以木材炭化塊也較大，未出現(xiàn)細(xì)小的炭化塊。

圖3 樣品N-5-10痕跡形貌

2.1.2 直流射水條件下木材的表面痕跡形貌

直流射水條件下木材表面燒損痕跡保存較好，高溫木材表面受到直流射水的冷卻和沖擊作用，出現(xiàn)與自然冷卻條件下不同的外部痕跡特征。試塊表面灰化痕跡消失，木塊整體表面烏黑發(fā)亮，炭化區(qū)域炭化塊變大變明顯，整體結(jié)構(gòu)保存完好，如圖4(a)所示。

木材中部為重點(diǎn)射水區(qū)域，高溫木塊在受到射水后急速冷卻，木材表面迅速降溫、急劇收縮，會產(chǎn)生許多長度短、數(shù)量多的微小裂紋。由于冷卻加速炭化塊急劇向內(nèi)收縮，木材表面從自然冷卻時(shí)均勻的炭化塊變成不規(guī)則的炭化塊，炭化裂縫扭曲變形，條形紋理無規(guī)則，如圖4(b)所示。在非重點(diǎn)射水區(qū)域，木材冷卻速度介于自然冷卻與重點(diǎn)射水區(qū)域之間，木材表面紋理變明顯，裂縫較寬，木材炭化塊較為均勻，整體呈現(xiàn)大波浪形，炭化塊邊緣較圓滑，炭化區(qū)域向外凸出，呈鼓包狀，如圖4(c)所示。近距離觀察直流射水后木材炭化塊，會發(fā)現(xiàn)在重點(diǎn)射水區(qū)域中有少量木材缺失，且木材表面炭化塊上細(xì)小的紋理較多，嘗試按壓炭化塊表面，會發(fā)現(xiàn)木材表面炭化塊較為松軟，如圖4(d)所示。

圖4 樣品Z-5-10痕跡形貌

2.1.3 開花射水條件下木材的表面痕跡形貌

開花射水條件下木材表面燒損痕跡保存較好，高溫木材表面受到開花射水的冷卻和沖擊作用，出現(xiàn)與自然冷卻條件下不同的外部痕跡特征。與直流射水相比較弱，開花狀射水只將表層進(jìn)行清洗，并未起到?jīng)_刷的作用，如圖5(a)所示。木材表面灰化痕跡變輕但未消失，零散分布，木材表面光澤度與直流射水相比較暗，炭化區(qū)域炭化塊變大變明顯，整體保存完好。

開花射水不同于直流射水，開花射水對于木材的冷卻較為均勻，如圖5(b)中所示，木材表面炭化塊分布較為均勻，比較規(guī)整，未出現(xiàn)因快速冷卻而造成的炭化裂縫扭曲的現(xiàn)象，木材表面橫向裂紋依舊是沿木材原本紋理分布的較長直線，縱向裂紋也與自然冷卻條件下的分布類似，交錯(cuò)排列。木材受到開花射水作用后，冷卻速度比自然冷卻條件下快，木材收縮速度加快，炭化塊之間的裂縫變寬，炭化區(qū)域向外凸出，邊緣較鋒利且向外翹起。射水后表面出現(xiàn)些許細(xì)小的裂紋，嘗試按壓炭化區(qū)表面，炭化區(qū)域硬度較高。

圖5 樣品K-5-10痕跡形貌

2.2 不同射水方式下木材炭化深度的區(qū)別

分別測量木材炭化表面垂直橫紋方向下部、中部、上部炭化深度，沿橫紋方向兩端的炭化深度。使用木材炭化深度測量儀測量木材炭化深度，在每一個(gè)區(qū)域內(nèi)取三個(gè)平行試樣測量值，取15個(gè)測量值的平均值作為該木材的炭化深度。

與自然冷卻相比，經(jīng)過消防射水后的木材，冷卻速率較常溫冷卻速率大，使木材表面迅速降溫、急劇收縮，會產(chǎn)生許多長度短、數(shù)量多的微小裂紋。由于水流的冷卻作用使得木材處于高溫狀態(tài)下的時(shí)間比自然冷卻條件下少，導(dǎo)致木材發(fā)生陰燃的時(shí)間變短。經(jīng)消防射水冷卻過的木材炭化深度與自然冷卻的木材炭化深度相比較淺，如圖6所示。

3 結(jié)論

消防射水對木材炭化痕跡的影響可歸納如下：(1)被消防射水影響的木材表面灰化痕跡減少，裂縫變寬，裂紋形狀彎曲變形無規(guī)則；木材表面炭化塊凸起，邊緣發(fā)生變化(上翹或者光滑向下)；炭化塊表面有許多細(xì)微的小裂紋，炭化表面比較有光澤，發(fā)亮；硬度發(fā)生變化。(2)經(jīng)直流射水的木材表面光滑，灰化痕跡消失，中間裂縫變寬且彎曲；炭化區(qū)域向外凸出，邊緣較平滑；射水后表面出現(xiàn)些許細(xì)小的裂紋，較松軟。(3)經(jīng)開花射水的木材表面灰化痕跡大部分消失，且分布零散、稀疏，表面不光滑；中間裂縫變寬，炭化區(qū)域向外凸出，邊緣較鋒利且向外翹起；射水后表面出現(xiàn)些許細(xì)小的裂紋，硬度較高。(4)直流射水和開花射水與自然冷卻條件下比較，木材冷卻速度更快，迅速降溫、急劇收縮，木材炭化深度整體有所下降。

圖6 不同射水方式下的木材炭化深度

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(責(zé)任編輯 馬 龍)

Study on the Effect of Firefighting Water on Wood Carbonization Trace

ZHANG Jinming1, ZHU Yongping2, FU Shihan1, HE Tong1

(1. Team of Graduate Students, The Armed Police Academy, Langfang, Hebei Province 065000, China; 2. Wenshan Municipal Fire Brigade, Yunnan Province 663000, China)

Wood is the common construction material. In case of fire, the wood carbonization trace can help fire investigators determine the direction of fire spreading and the point of fire origin. An experiment is designed with a fire set in an oil tray in a standard test simulation chamber in which the wood in the indoor fire compartment is affected by the fire. The purpose of this experiment is to study the effect of different water jetting methods on wood carbonization trace under the condition of different burning times and fire source distances. During the whole experiment, the focus is laid on the wood surface carbonization trace, and the depth of the carbonized level. Compared with natural cooling, the ash traces on the surface of carbonized wood are reduced after water jetting and the cracks are widened. The bending deformation of crack shape is irregular, and the carbonized block on wood surface is raised. The edge is changing (cocking-up or smoothly downward), and there are many fine small cracks on the surface of carbonized block. In addition, the surface of carbonization is glossy and shiny. The results shown in this paper can be used by fire investigators to exclude the effect of firefighting water on wood carbonization trace. In this sense, this experiment is of great significance.

wood carbonization; carbonization depth; firefighting water; trace form

2017-04-25

2017年度武警學(xué)院博士科研創(chuàng)新計(jì)劃課題(BSKY2017006)階段性成果

張津銘(1994— )，男，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士研究生； 朱永平(1967— )，男，云南文山人，高級工程師； 付師晗(1994— )，男，江西南昌人，在讀碩士研究生； 何彤(1994— )，男，寧夏吳忠人，在讀碩士研究生。

X928.7

A

1008-2077(2017)08-0019-04