熱分析技術(shù)在火災(zāi)事故調(diào)查中的應(yīng)用

陳斌

摘要：當(dāng)前，熱分析技術(shù)在火災(zāi)事故調(diào)查中的應(yīng)用較為普遍，應(yīng)用該技術(shù)可以對火場中各類殘留物的相關(guān)熱力學(xué)性質(zhì)實(shí)施定量檢測，使火災(zāi)調(diào)查人員能夠及時(shí)通過數(shù)據(jù)檢測結(jié)果，對火災(zāi)事故發(fā)生的原因、事故當(dāng)日火場基本情況等重要信息進(jìn)行有效判定。通過對熱成像技術(shù)在火災(zāi)現(xiàn)場事故調(diào)查工作中的應(yīng)用方式實(shí)施逐一分析，從差熱分析法、熱重法和差示掃描量熱法三種常用的熱分析技術(shù)基本原理出發(fā)，對我國火災(zāi)調(diào)查工作的實(shí)施特點(diǎn)進(jìn)行了具體分析，力爭充分發(fā)揮熱分析技術(shù)在火災(zāi)現(xiàn)場事故調(diào)查工作中的使用價(jià)值，為火災(zāi)調(diào)查工作人員的工作開展提供參考。

關(guān)鍵詞：熱分析技術(shù)；火災(zāi)調(diào)查；消防監(jiān)督；差熱分析法

中圖分類號：TU998.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2023）01-0112-03

1 熱分析技術(shù)的基本原理

熱分析技術(shù)是對各類有機(jī)和無機(jī)材料基體在蒸發(fā)、結(jié)晶－熔融、脫水、相變等溫度變化過程中發(fā)生熱分解反應(yīng)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等相關(guān)變化情況的實(shí)時(shí)記錄及數(shù)據(jù)分析的有效結(jié)合，在火災(zāi)現(xiàn)場事故調(diào)查工作中具有十分重要的使用價(jià)值[1]。熱分析技術(shù)在應(yīng)用過程中，通過人為方式對燃燒物質(zhì)基體表面包括恒溫、非線性升溫、降溫等形式的溫度變化實(shí)施有效的程序化控制。目前，我國熱分析技術(shù)的研究對象主要包括在溫度條件中發(fā)生反應(yīng)的材料自身及溫度變化中生成的中間產(chǎn)物，其中差熱分析法、熱重法和差示掃描量熱法是當(dāng)前熱分析技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的三種調(diào)查方式。

如圖1所示，應(yīng)用差熱分析法對待測物品基體表面的溫度變化情況實(shí)施檢測，通常需要預(yù)先選用兩個(gè)形狀、材質(zhì)、體積基本相同的待測物品作為實(shí)驗(yàn)觀察對象，將其中一個(gè)待測物品作為參照物并置于相對穩(wěn)定的環(huán)境中，將另一個(gè)待測物品置于相同的檢測環(huán)境中，并對測量物體所處環(huán)境的實(shí)際溫度實(shí)施有效調(diào)控，觀察該物體在溫度變化過程中的溫差變化情況，并同步生成待測物品和參照物之間的DTA（差熱）對比曲線[2]。從DTA曲線圖中可以清晰地了解到待測物品的差熱峰數(shù)量、位置、峰面積等具體信息，為火災(zāi)現(xiàn)場的下一階段相關(guān)取證工作提供具有一定說服力的數(shù)據(jù)參考。其中，DTA曲線中應(yīng)用差熱峰數(shù)量表示在實(shí)驗(yàn)條件下被測物體基體表面是否有化學(xué)變化的發(fā)生，通過差熱峰的正負(fù)走向以及峰值大小可以同步掌握被測物體在溫度變化過程中是否存在吸、放熱現(xiàn)象，應(yīng)用差熱峰所在位置可以對材料基體表面發(fā)生熱量變化時(shí)的溫度值進(jìn)行同步的讀取。隨著熱分析技術(shù)的日趨成熟，在火災(zāi)調(diào)查過程中可以通過差熱分析法得到測定物品的熱譜圖，并從熱譜圖中對被測物品的種類進(jìn)行精確測定。

如圖2所示，熱重法主要通過考察不同溫度條件下待測物品基體表面實(shí)際質(zhì)量的變化程度從而對材料相關(guān)理化性質(zhì)實(shí)施表征的一種技術(shù)手段[3]。通常將應(yīng)用該方法測量得到的能夠直接反映材料基體表面質(zhì)量隨溫度變化的關(guān)系曲線稱為TG曲線（熱重曲線）。TG曲線中通常應(yīng)用橫坐標(biāo)表示溫度隨時(shí)間的延長不斷遞增的升溫過程，同時(shí)，應(yīng)用縱坐標(biāo)表示被測物品基體實(shí)際質(zhì)量隨溫度的變化而發(fā)生的相應(yīng)改變。應(yīng)用熱重法能夠有效測定出被測物品基體表面隨溫度的變化自身整體質(zhì)量的相應(yīng)改變情況。

如圖3所示，應(yīng)用差示掃描量熱法可以有效探究待測物品及參照物遭受外部高溫?zé)嵩春蟛牧匣w表面的相應(yīng)變化程度，實(shí)際測試過程中通過使用差示掃描量熱儀將待測物品和參照物共同放置在相同溫度條件的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，考察各個(gè)待測物品實(shí)際溫度隨時(shí)間延長的變化情況，通常將應(yīng)用差示掃描量熱儀掃描后生成的曲線圖叫做DSC曲線。DSC曲線圖中通常應(yīng)用橫坐標(biāo)表示時(shí)間參數(shù)（t）或溫度參數(shù)（T），通常應(yīng)用縱坐標(biāo)表示反應(yīng)熱、比熱容、相圖、結(jié)晶速率等動(dòng)力學(xué)參數(shù)，合理應(yīng)用差示掃描量熱法分析技術(shù)能在待測物品質(zhì)量相對有限的不利條件下，有效保障測量結(jié)果的準(zhǔn)確、合理。

2 熱分析技術(shù)在火災(zāi)事故調(diào)查中的應(yīng)用

2.1? 混凝土樣本受損程度檢測

應(yīng)用熱分析技術(shù)對火災(zāi)事故現(xiàn)場采集的混凝土樣本實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測，通過對起火建筑所屬混凝土構(gòu)件在火災(zāi)事故發(fā)生過程中的熱重變化情況等相關(guān)信息實(shí)施逐一分析，將混凝土構(gòu)件相關(guān)性能參數(shù)與普通混凝土樣本的熱分析數(shù)據(jù)實(shí)施同步比較，即可得出針對此起火災(zāi)事故較為準(zhǔn)確的相關(guān)調(diào)查資料。

在具體應(yīng)用熱分析技術(shù)對混凝土樣本表面溫度實(shí)施檢測的過程中，必須預(yù)先對混凝土構(gòu)件的相關(guān)理化性質(zhì)予以充分了解[4]。由于建筑內(nèi)部各毗鄰結(jié)構(gòu)對混凝土材料的實(shí)際配制要求各不相同，使得不同種類的混凝土或鋼筋混凝土材料在火災(zāi)事故發(fā)生過程中的實(shí)際支撐效果也互有差異，通過合理使用熱分析技術(shù)對火災(zāi)現(xiàn)場中的混凝土樣品實(shí)施檢測，能夠獲得較為準(zhǔn)確的火災(zāi)事故調(diào)查原因。應(yīng)用熱分析技術(shù)對火災(zāi)現(xiàn)場中經(jīng)過高溫灼燒后的鋼筋混凝土樣本和普通鋼筋混凝土樣本的熱重和差熱實(shí)施定性分析，可將分析結(jié)果整理成如圖4所示的樣品熱譜圖。

通過對該熱譜圖進(jìn)行分析可知，普通鋼筋混凝土在80～190℃、430～590℃和730～920℃三個(gè)溫度區(qū)間中會(huì)發(fā)生較為明顯的失重現(xiàn)象，在這三個(gè)溫度區(qū)間中，鋼筋混凝土通常會(huì)在高溫作用下發(fā)生不同程度的結(jié)構(gòu)變化。應(yīng)用熱分析技術(shù)對火災(zāi)現(xiàn)場中鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)樣本實(shí)施分析檢測，對由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成的各個(gè)建筑承重結(jié)構(gòu)是否在火災(zāi)影響下發(fā)生脆化、變形等不良現(xiàn)象進(jìn)行全面研判，切實(shí)掌握各類建筑構(gòu)件的實(shí)際受損程度，可以為后續(xù)修繕處理工作的合理實(shí)施提供便利條件，并及時(shí)消除各類因火災(zāi)事故而導(dǎo)致的建筑安全隱患問題[5]。圖5為在相同的檢測條件下，將火災(zāi)現(xiàn)場中采集的鋼筋混凝土樣本與普通鋼筋混凝土進(jìn)行對比后得出的熱重和差熱分析熱譜圖。

通過對該熱譜圖的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，可以初步證明火災(zāi)現(xiàn)場中鋼筋混凝土樣本發(fā)生整體毀壞的臨界溫度在430℃左右。

2.2? 金屬樣本基體表面的溫度檢測

通常情況下，不同金屬材料的熔點(diǎn)是較為固定的，通過對火場中金屬制品殘留物熔融等情況的有效分析，能夠協(xié)助火災(zāi)調(diào)查工作人員對火災(zāi)現(xiàn)場的實(shí)際溫度實(shí)施有效預(yù)判，并逐步對事故現(xiàn)場各個(gè)起火點(diǎn)及火災(zāi)蔓延路線實(shí)施有效鎖定。

在對金屬樣本基體表面的溫度實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測的過程中，應(yīng)當(dāng)預(yù)先對不同種類的金屬從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)的臨界溫度予以精確掌握，金屬材料自身的狀態(tài)變化過程在差熱曲線（DTA曲線）中通常以吸熱峰的形式表現(xiàn)[6]。在實(shí)際應(yīng)用熱分析技術(shù)對金屬材料基體表面進(jìn)行檢測的過程中，需要選擇熔點(diǎn)與待測樣本熔點(diǎn)較為接近的金屬參照物，切實(shí)保障參照物不會(huì)在測試溫度區(qū)間中產(chǎn)生熱反應(yīng)。此外，選用的參照物應(yīng)具有和待測金屬樣本相似的熱傳導(dǎo)率系數(shù)。通常情況下，在應(yīng)用熱分析技術(shù)對火場中的金屬樣本進(jìn)行檢測時(shí)，會(huì)選用石英材料、聚苯乙烯、MgO、α-Al2O3等材料作為參照物。在檢測金屬材料的熔點(diǎn)過程中，通常通過應(yīng)用溫度控制程序?qū)饒鲋胁杉慕饘贅颖緦?shí)施升溫熔點(diǎn)測試，對數(shù)據(jù)實(shí)施準(zhǔn)確記錄并最終形成DTA曲線圖，曲線圖中吸熱峰的初始溫度值通常可以表示該金屬樣品的實(shí)際熔點(diǎn)，然后再將其和標(biāo)準(zhǔn)參照物的DTA曲線進(jìn)行比對，應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)值對金屬樣本檢測熔點(diǎn)實(shí)施同步校正，最終得出該金屬樣本在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)日的實(shí)際熔點(diǎn)。

2.3? 自燃事故產(chǎn)生原因的調(diào)查取證

自燃是引發(fā)火災(zāi)事故的主要原因之一，應(yīng)用熱分析技術(shù)可以對火災(zāi)事故現(xiàn)場中各類發(fā)生燃燒的物質(zhì)自身特性實(shí)施有效鑒定，為火災(zāi)事故原因的調(diào)查取證工作提供較為可靠的數(shù)據(jù)支持，通過對待測物品的自燃原因?qū)嵤┤嫜信校瑥亩鴧f(xié)助消防部門相關(guān)人員準(zhǔn)確推斷出導(dǎo)致該起火災(zāi)事故發(fā)生的真正原因。

2.3.1? 熱自燃現(xiàn)象的致災(zāi)原因

物品出現(xiàn)熱自燃現(xiàn)象多為儲(chǔ)存不當(dāng)所致，若倉儲(chǔ)類建筑的實(shí)際通風(fēng)散熱條件相對較差，部分易燃物質(zhì)難以有效將自身熱量及時(shí)排除，當(dāng)建筑物內(nèi)部實(shí)際溫度超過該物質(zhì)自燃事故發(fā)生的臨界值，必然最終導(dǎo)致火災(zāi)事故的出現(xiàn)[7]。因此，在火災(zāi)現(xiàn)場事故調(diào)查工作開展過程中，消防部門火調(diào)工作人員可預(yù)先對火災(zāi)現(xiàn)場中的遺留燃燒產(chǎn)物實(shí)施熱分析，通過對燃燒物質(zhì)的熱譜圖進(jìn)行對比及時(shí)判定物品的實(shí)際種類，通過對燃燒物質(zhì)的初始發(fā)熱溫度進(jìn)行檢測，結(jié)合火場環(huán)境特點(diǎn)合理分析現(xiàn)場實(shí)際情況能否達(dá)到物質(zhì)燃燒所必需的臨界條件，進(jìn)而逐步確定導(dǎo)致該起自燃事故發(fā)生的原因。

2.3.2? 化學(xué)物質(zhì)自燃現(xiàn)象的致災(zāi)原因

在我們?nèi)粘Ｉ畹淖匀画h(huán)境中，各類物質(zhì)間由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)最終導(dǎo)致自燃現(xiàn)象出現(xiàn)的事故概率已經(jīng)呈現(xiàn)逐年升高的趨勢。例如，生石灰在與水接觸后會(huì)釋放大量熱量，此時(shí)周邊區(qū)域一旦存放大量的易燃、可燃物品，極有可能導(dǎo)致自燃現(xiàn)象的發(fā)生。因此，應(yīng)用熱分析技術(shù)對各類物品的化學(xué)成分進(jìn)行有效辨析，是鎖定火災(zāi)事故原因的重要技術(shù)措施之一。

2.4? 火災(zāi)殘留物品的種類鑒定

2.4.1? 纖維類殘留物品種類的鑒定

由于纖維類制品在人們?nèi)粘Ｉ钪械膶?shí)際應(yīng)用相對較為廣泛，因此，在火災(zāi)事故調(diào)查工作開展過程中對纖維類殘留物實(shí)施合理的鑒定工作必將成為火災(zāi)事故調(diào)查工作有效開展的重要方向之一。應(yīng)用熱分析技術(shù)檢測對火場中纖維殘留物和標(biāo)準(zhǔn)纖維熱譜圖進(jìn)行比對，可全面了解纖維殘留物的相關(guān)鑒定結(jié)果。

2.4.2? 塑料制品殘留物品種類的鑒定

隨著塑料制品使用率的日益普及，通過熱分析技術(shù)對火災(zāi)事故現(xiàn)場中殘留的塑料制品殘骸實(shí)施有效的分析檢測，對火災(zāi)事故發(fā)生的實(shí)際原因進(jìn)行有效還原，近年來逐漸成為我國電氣火災(zāi)事故原因調(diào)查中的常用技術(shù)措施。

3 結(jié)語

熱分析技術(shù)作為一種能夠在火災(zāi)現(xiàn)場事故調(diào)查工作中實(shí)施定性檢測的有效措施，通過差熱分析法、熱重法和差示掃描量熱法三種常用的熱分析技術(shù)對火災(zāi)現(xiàn)場溫度的變化情況進(jìn)行同步測定，可以有效實(shí)現(xiàn)對起火現(xiàn)場實(shí)際起火點(diǎn)、火勢蔓延路徑、起火原因等相關(guān)情況的精準(zhǔn)確定，為國內(nèi)火災(zāi)事故調(diào)查工作質(zhì)量的提升提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡宇哲.火災(zāi)調(diào)查中熱分析技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用[J].經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息，2021（4）：112.

[2]孫寬.熱分析技術(shù)在藥品檢驗(yàn)與研究中的應(yīng)用[J].臨床醫(yī)藥文獻(xiàn)電子雜志，2020，7（44）：178-179.

[3]陳忠穎，石晶，吳玫曉.淺談熱分析技術(shù)在粘結(jié)劑研究中的應(yīng)用[J].廣東化工，2020（3）：105-107.

Application of thermal analysis

techniques in fire accident investigation

Chen Bin

（Tianjin Binhai New Area Fire Rescue Detachment Hangu Brigade，Tianjin 300450）

Abstract：At present， the application of thermal analysis technology in fire accident investigation is more common， the application of the technology can be used to implement quantitative detection of the thermodynamic properties of various types of residues in the fire scene， so that fire investigators can timely data detection results， the cause of the fire accident， the basic situation of the fire scene on the day of the accident and other important information for effective determination. By analyzing the application of thermal imaging technology in the fire scene accident investigation work， from the basic principles of differential thermal analysis， thermogravimetry and differential scanning calorimetry three commonly used thermal analysis techniques， the specific analysis of the implementation characteristics of China's fire investigation work， and strive to give full play to the value of the use of thermal analysis technology in the fire scene accident investigation work， for the work of fire investigation staff It is intended to give full play to the value of thermal analysis technology in fire scene accident investigation and provide reference for fire investigation staff.

Keywords：thermal analysis technology; fire investigation; fire supervision; differential thermal analysis method