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.武警學院 研究生隊，河北 廊坊 065000； 2.文山市消防支隊，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.武警學院 研究生隊，河北 廊坊 065000； 2.文山市消防支隊，云南 文山 663000)

木材是常用建筑材料，發生火災后，木材炭化痕跡對火災調查人員準確判定火災蔓延方向和認定起火點起著至關重要的輔助證明作用。選擇標準試驗模擬箱來模擬室內火災空間，利用油盤火，在不同火源距離和不同燃燒時間條件下，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則；木材表面炭化塊凸起，邊緣發生變化(上翹或者光滑向下)；炭化塊表面有許多細微的小裂紋，炭化表面比較有光澤，發亮。試驗結果可以為火災調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、包裝及其印刷行業的重要原料，與人類生產生活密切相關。木制品具有可燃的損毀性，少許的熱降解就會影響其結構性能，導致木材損毀或坍塌[1-4]。火災現場的木材炭化痕跡對于判定火災蔓延方向和起火點具有重要作用[5-6]，但是在現實滅火作業過程中，由于消防射水的沖擊力和水漬破壞使得木材炭化痕跡發生了移位和損壞，被破壞的木材炭化痕跡有時候會影響對火災的判定，給火災調查工作帶來很大的干擾[7-8]。針對這一現象，研究消防射水對木材炭化痕跡的影響，對于火災勘驗工作排除干擾因素具有重要的現實意義。

1 試驗方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗原料：0號柴油；杉木木板(45 cm×37 cm×5 cm)。

試驗儀器：標準試驗模擬箱，用于模擬室內火災，外徑為100 cm×100 cm×70 cm,內徑為90 cm×90 cm×60 cm；油盤，規格為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；數據采集儀FLUKE 26381A，接受熱電偶傳輸數據；xzm-888型掌壓式水槍，進行消防射水時使用，內徑為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。

1.2 試驗內容

把木板放置在試驗裝置內部，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，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據采集儀上的熱電偶，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。在試驗裝置內部添加石膏板作為阻火保溫材料，用電點火裝置引燃報紙放置在油盤里點火，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行拍照并觀察痕跡特征。試驗現場如圖1所示。

圖1 試驗現場圖

將木材樣品按照與火源距離、受熱時間、射水方式進行分類編號，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。每種試樣設置平行試驗3組。

表1 試驗試塊編號一覽表

2 結果與討論

木材由常溫逐漸加熱，首先是水分蒸發，水分蒸發完全后，木材呈現絕對干燥狀態，此時繼續加熱，木材開始炭化分解，即木材由大分子變為小分子甚至更小分子的過程。而后，木材表面開始焦化變色，直至出現黑色，這個過程即為炭化過程。達到一定溫度后，熱分解結束，木材開始燃燒[9]。經3次重復試驗，所得規律比較一致。

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，計算三個熱電偶平均溫度，并記錄溫度變化規律。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倒“V”字形。灰化痕跡面積較大，整體結構保持較好，未出現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，呈現完整較長直線，縱向裂紋較短且交錯縱橫無明顯規律。在試驗中，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，說明中部受火最嚴重。木材樣本上部左側受火較輕，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，未出現細小的炭化塊。

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亮，炭化區域炭化塊變大變明顯，整體結構保存完好，如圖4(a)所示。

木材中部為重點射水區域，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，會產生許多長度短、數量多的微小裂紋。由于冷卻加速炭化塊急劇向內收縮，木材表面從自然冷卻時均勻的炭化塊變成不規則的炭化塊，炭化裂縫扭曲變形，條形紋理無規則，如圖4(b)所示。在非重點射水區域，木材冷卻速度介于自然冷卻與重點射水區域之間，木材表面紋理變明顯，裂縫較寬，木材炭化塊較為均勻，整體呈現大波浪形，炭化塊邊緣較圓滑，炭化區域向外凸出，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，會發現在重點射水區域中有少量木材缺失，且木材表面炭化塊上細小的紋理較多，嘗試按壓炭化塊表面，會發現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行清洗，并未起到沖刷的作用，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，比較規整，未出現因快速冷卻而造成的炭化裂縫扭曲的現象，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，炭化區域向外凸出，邊緣較鋒利且向外翹起。射水后表面出現些許細小的裂紋，嘗試按壓炭化區表面，炭化區域硬度較高。

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，在每一個區域內取三個平行試樣測量值，取15個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，會產生許多長度短、數量多的微小裂紋。由于水流的冷卻作用使得木材處于高溫狀態下的時間比自然冷卻條件下少，導致木材發生陰燃的時間變短。經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則；木材表面炭化塊凸起，邊緣發生變化(上翹或者光滑向下)；炭化塊表面有許多細微的小裂紋，炭化表面比較有光澤，發亮；硬度發生變化。(2)經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；炭化區域向外凸出，邊緣較平滑；射水后表面出現些許細小的裂紋，較松軟。(3)經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，炭化區域向外凸出，邊緣較鋒利且向外翹起；射水后表面出現些許細小的裂紋，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

[1] NMBA Y,YASUNO K.A study on the fire spread model of wooden buildings in Japan[J].Fire Safety Science,1986:881-890.

[2] HEIKKI L.Physicochemical characterization of fine particles from small-scale wood combustion[J].Atmospheric Environment,2011,45(40):7635-7643.

[3] 楊曉菡.建筑室內木材火災特性參數規律性研究[D].重慶:重慶大學，2006.

[4] 邱豫.影響木材炭化因素的理論研究[J].科技創新導報,2012(30):21-22.

[5] 黨明.淺析木材燃燒痕跡在火災現場的證明作用[J].科技信息,2011(21):400.

[6] 楊惠寧.木材炭化痕跡在火災勘查中的作用[D].北京:中國人民大學,2012.

[7] 呂顯超,張金專.消防射水對火災痕跡物證證明作用的影響[J].湖北警官學院學報,2015(7):142-144.

[8] 李鵬.淺議滅火行為對火災調查工作的影響[J].科學向導,2014(8):343.

[9] 陳曉軍,季經緯,楊立中,等.外界熱輻射作用下木材熱解和著火的預測模型[J].火災科學,2002,11(3):147-151.

(責任編輯 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年度武警學院博士科研創新計劃課題(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