西藏古建筑常用木材的着火特性试验.pdf

第3 6 卷第1 期 2 0 0 6 年 1 月 中 国 绅葶 最 求 女 誊 辱 旅 J OU R N AL OF U NIVE R S I T Y OF S Cl E N CE AN D T E C H N 0L 0GY OF CH l N A Vo 1 ． 3 6 ， No ． 1 J a n ．2 0 0 6 文章编号 0 2 5 3 2 7 7 8 2 0 0 6 0 1 0 0 7 7 0 4 西藏古建筑常用木材的着火特性试验 孙晓乾 ， 李元洲 ， 霍 然 ， 曾文茹 ， 李思成 ， 叶永飞。 1 ． 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室， 安徽合肥 2 3 0 0 2 7 ； 2 ． 西藏 自 治区消防总队， 拉萨 8 5 0 0 0 0 摘要 对西藏古建筑中广泛使用的松木， 分别在拉萨与合肥两地的燃烧小室内进行了着火试验． 在 恒定热流 4 2 k w／ 下， 测得了三种不同尺寸松木试样的表面温度曲线、 着火温度和着火时间， 并 分析了氧气含量和压力对着火温度和着火时间的影响； 通过对比试样着火图像序列， 分析了火焰大 小的差异． 试验表明 三种试样在拉萨的着火时间远比在合肥的迟， 着火温度要高， 火焰体积更大． 关键词 着火时间； 着火温度； 低压低氧； 辐射加热； 热解 中图分类号 TKl 2 l ； X 9 3 2 文献标识码 A Ex p e r i me n t a l o n i g n i t i o n c ha r a c t e r i s t i c s o f t i m b e r wi d e l y u s e d i n Ti b e t ’ S hi s t o r i c a l b u i l d i n g s S UN Xi a o q i a n ，LI Yu a n - z h o u ，HUO Ra n ，Z ENG W e n - r u ， LI S i c h e n g ， YE Yo n g - f e i 。 1 ． S t a t e Ke yL a b o r a t o r y o fFi r e S c i e n c e ， U ST C，He 2 3 0 0 2 7 ，C h i n a ； 2 ． F Pr o t e c t i o nB u r e a u o fTi b e t ，L h a s a 8 5 0 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ex p e r i me n t s o n t h e i g n i t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f p i n e wo o d，a t y p i c a l h i s t o r i c a l b u i l d i n g ma t e r i a l i n Ti b e t ’ S h a v e b e e n c o n d u c t e d i n c a b i n i n Lh a s a a n d He f e i ． W i t h e x t e r n a l l y a p p l i e d r a d i a t i o n h e a t f l u x 4 2 k W／ m。 ，t h e s u r f a c e t e mp e r a t u r e p r o f i l e s o f t h r e e p i n e s p e c i me n s wi t h d i f f e r e n t s c a l e s we r e me a s u r e d i n b o t h r e g i o n s ，a s we l l a s i g n i t i o n t e mp e r a t u r e s a n d p i l o t i g n i t i o n t i me ．Th e i n f l u e n c e o f o x y g e n q u a n t i t y a n d p r e s s u r e i n b o t h r e g i o n s o n t h e s e t wo p a r a me t e r s we r e s u r v e y e d，a n d t h e d i f f e r e n c e s i n f l a me s i z e i n b o t h a t mo s p h e r e s we r e o b t a i n e d b y c o mp a r i n g t h e b u r n i n g p i c t u r e s e r i a l o f p i n e s p e c i me n s ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p i l o t i g n i t i o n t i me o f t h e t h r e e s p e c i me n s wa s d e l a y e d i n Lh a s a ，y e t i g n i t i o n t e mp e r a t u r e s we r e h i g h e r t h a n t h o s e i n He f e i a n d wi t h b i g g e r f l a me s i z e s a s we l 1 ． Ke y wo r d s p i l o t i g n i t i o n t i me ；i g n i t i o n t e mp e r a t u r e ；l o w p r e s s u r e a n d l o w o x y g e n q u a n t i t y ；r a d i a n t h e a t i n g；p y r o l y s i s 0 引言 古建筑是国家的重要历史文化遗产， 近几年来， 全国曾多次发生古建筑火灾， 因此古建筑的火灾安 全越来越受到重视． 特别是在西藏地区， 古建筑众 多， 大量使用的松木又加大了其火灾载荷， 增大了火 灾危险性， 加强古建筑的消防安全就显得尤为重要． 目 前西藏地区古建筑防火保护仅仅局限于管理和被 动保护的层面上， 还没有能够从火灾发生机理的角 度研究该地区的古建筑火灾发生规律及其主动防火 策略， 因此， 很有必要对该地区主要的建筑用材松木 在火灾初期的着火特性开展基础性研究， 从而为发 收稿日 期 2 0 0 5 一 l 1 0 2 ； 修回日期 2 0 0 5 1 2 0 2 基金项 目 中国科学院院地合作 西藏古建筑火灾安全技术研究 项 目资助． 作者简介 孙 晓乾 ，男，1 9 8 1年生 ， 硕士生．E ma i l s x q 1 9 8 1 ma il ． t l s t e ． e d u ． c n 通讯作者 霍然， 教授． E - ma i l h u o r a n u s t c ． e d u ． e mT e l 0 5 5 1 3 6 0 1 6 6 0 维普资讯 7 8 中国科学技术大学学报 第 3 6卷 展适用于该地区特殊环境的灭火技术提供依据． 从已有的研究工作中【 卜 ] 可知， 木材的热解和 着火特性参数的主要影响因素有两个 一是材料本 身的特性， 二是材料所受的外界辐射热流的大小． 但 是已有的研究工作仅仅考虑改变单一参数对着火特 性的影响， 未研究这些影响因素的耦合作用， 而西藏 地区低压低氧的特殊环境就是氧气量与压力的耦合 情形， 目前国内外尚没有相关文献对这种特殊环境 下的木材着火特性做出研究， 我们对西藏地区低氧 气量与低压力耦合条件下的松木着火特性进行了初 步试验研究， 可为西藏地区特殊环境下的古建筑火 灾探测与火灾早期扑救提供依据． l斌验 为了研究在敞开大气条件下的木材的着火特 性， 分别在拉萨与合肥专门搭建了内部尺寸为 2 m L x4 m w 3 ． 3 m H 的试验房间； 房间留有 0 ． 4 mX0 ． 7 m的开口作为观察窗； 墙体材料采用石 膏板制作． 采用辐射加热方式， 加热板功率为 2 ． 5 k w， 尺寸为 2 0 m mX 3 0 mm， 则各组试验中辐射通 量均为 4 2 k w／ m ． 采用的三种松木试样尺寸分别 为 试样 1 为 1 0 mm1 0 mm4 0 0 mm， 试样 2为 1 5 mm1 5 mm x 4 0 0 mm， 试 样 3为 2 0 mm 2 0 m mX 4 0 0 m m， 密度均为 4 2 8 k g ／ m。 ． 将试样直 接放在加热板上进行加热， 将热电偶固定于试样表 面进行实时测温． 用热电偶测量试样表面的温度变化， 对温度曲 线进行分析， 得出温度变化的一阶差分曲线． 由于着 火前的一瞬间， 温度突然升高， 温度梯度发生突变， 所以差分曲线上发生骤增的那一时刻即为着火时 间， 该时刻对应的温度曲线上的温度即为着火温度． a 试样 1 2 结果与讨论 对每种试样均重复进行三次试验， 发现三次试 验的温升曲线基本一致， 因此取三次试验的平均值 作为该试样的温升数据， 绘出温升曲线． 试验在拉萨 与合肥两地进行， 两地的地理气象条件如表 1 所示． 表 1 拉萨与合肥地理气象条件对比 Ta b ． 1 Ge o g r a p h i c a l a n d me t e o r o l o g i c a l c o n d i t i o n s i n Lh a s a a n d He r e i 2 ． 1 着火过程 图 l 列出了三种试样在拉萨与合肥两地的表面 平均温度曲线， 它们的一阶差分曲线如图2 所示． 从 图 1中可以看出， 试样在西藏地区燃烧和在内地燃 烧过程总体趋势是一致的， 均可分为预热、 稳定升 温、 急剧升温着火、 温度衰减四个阶段， 但是也存在 着一些差异， 从图 2中可以看出， 升温阶段试样在 拉萨的表面温度一阶差分数值较在合肥的大， 而在 降温阶段， 数值又明显偏小， 这表明试样在西藏燃烧 比在内地燃烧的升温速率慢， 降温速率也慢， 可见在 西藏地区试样的热解及燃烧反应速率较慢； 而在西 藏地区试样着火后温度骤升， 出现一个温度峰值即 开始衰减， 没有稳定燃烧阶段， 而在内地燃烧着火后 有一段稳定燃烧阶段， 这主要是由于在西藏地区木 材热解析出的可燃挥发份在较高温度下骤燃， 消耗 了试样周围燃烧区的大部分氧气， 造成局部缺氧， 但 由于空气中氧含量少， 新鲜的氧气不能及时地补充 到燃烧反应区， 使得火焰面逐渐减小， 火焰体积减 小， 温度即开始衰减， 所以没有稳定燃烧阶段或者稳 0 2 0 0 6 0 0 l 0 0 0 1 4 0 0 t i me ／ s b 试样 2 c 试样 3 图 1 试样表面平均温度 Fi g ． 1 Me a n s u r f a c e t e mp e r a t u r e o f t h r e e s p e c i‘ me n s p 皇蹬a d I Ⅱ O O O O O O O ∞如∞∞加m p l口 l Ⅱ p ， a 基| 盘 d I 目 维普资讯 第 1 期 西藏古建筑常用木材的着火特性试验 7 9 O 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0 1 6 0 0 t i m ／ s a 试样 1 b 试样 2 图 2 试样表面平均温度一阶差分曲线 Fi g ． 2 On e o r d e r t e mp e r a t u r e d i f f e r e n t i a t e c u r v e o f t h r e e s p e c i me n s 定阶段很短． 2 ． 2 火焰大小 图3 ～8 为三种试样在两地的着火过程图像序 列， 从图中可以看出， 在西藏低压低氧条件下试样燃 烧的火焰体积和火焰高度比在内地燃烧的情况下 大， 这是由于在低压低氧条件下， 氧气含量 绝对量 低， 试样受热析出的可燃挥发份要维持持续燃烧， 必 须与足够的氧气 空气 混合， 在空气稀薄的条件下， 就要求火焰体积与火焰高度增大， 以便与更多的氧 气 空气 接触进行反应， 这就极易引起燃烧区域的 扩大， 造成大面积火灾． 可以把燃烧的木条看作二维 线性火源，产生的火焰为轴对称的湍流浮力扩散火 露圆圈一圆圈 a 加热开始后 9 3 5 s b 着火后 3 5 s c 着火后 5 0 s 图3 试样 1的着火过程图像序列 拉萨 Fig．3 B u r n i n g p i c t u r e s e r i a l o f s p e c i me n No ． 1 I n Lh a s a a I I 热开始后 5 7 0 s b 着火后 3 5 s c 着火后 5 0 s 图4 试样 1的着火过程图像序列 合肥 F i g．4 Bu r n i n g p i c t u r e s e r i a l o f s p e c i me n No ． 1 I n He f e i 一圜圜■一■ a 加热开始后 9 4 5 s b 着火后 4 0 s c 着火后 6 0 s 图5 试样 2的着火过程图像序列 拉萨 F i g．5 Bu r n i n g p i c t u r e s e r i a l o f s p e c i me n No ． 2 I n L h a s a a 加热开始后 4 9 0 s b 着火后 4 0 s b 着 火后 6 0 s 图6 试样 2的着火过程图像序列 合肥 F i g．6 Bu r n i n g p i c t u r e s e r i a l o f s p e c i me n No ． 2 I n He f e i ■圆圆置圈■ a 加热开始后 9 9 0 s b 着火后 4 5 s c 着火后 7 5 s 图 7 试样 3的着火过程图像序列 拉萨 F i g．7 B u r n i n g p i c t u r e s e r i a l o f s p e c i me n No ． 3 I n L h a s a a 加热开始后 4 6 8 s b 着火后 4 0 s c 着火后 7 5 s 图8 试样 3的着火过程图像序列 合肥 Fi g．8 B u r n i n g p i c t u r e s e r i a l o f s p e c i me n No ． 3 I n He f e i 伽 5 4 2 O 4 罐 【 卜 ∞ ．p 葛qll a 船爵 号 总 0 吕 ￡ 葛qu 童号 J a 0∞ 吕 3 2 O 4 ． p一 葛一 菪￡ la j J a 0∞ 目 0 维普资讯 8 O 中国科学技术大学学报 第 3 6卷 焰， 根据文献E Q， 由二维线性火源产生的二维线性 湍流浮力扩散火焰的高度与火源功率的 2 ／ 5 次幂成 正比， 见式 1 ， 火焰高度越大， 说明火源功率越大， 即意味着在拉萨试样着火燃烧的功率要比在合肥 大． 二维线性湍流浮力扩散火焰的高度与火源功率 的关系用下式表示 L ／ D O C r Q／ Z 。 ／ D ] 号 1 其中， Q ／ k w 为火源功率， L ／ m为火焰高度， D ／ m为 火源宽度， I ／ m为火源长度． 2 ． 3 着火温度与着火时间 通过曲线分析可知 图 1 中A 、 B 、 A 、 B 、 A。 、 B 。 各点对应的数据即为试样在拉萨与合肥两地的 着火时间与着火温度， 其数值如表 2 所示． 表 2 不同尺寸试样的着火参数比较 Ta b , 2 I g n i t i o n t e mp e r a t u r e a n d p i l o t i g n i t i o n t i me o f t h r e e s p e c i me n s I／ c 温 ⋯ 器 拉萨 合肥 拉萨 合肥 拉萨 合肥 试样 1 4 7 5 4 2 6 9 3 5 9 3 2 5 6 3 5 6 7 4 9 4 4 9 3 5 1 7 4 试样 2 5 2 9 4 4 2 9 4 0 9 4 2 4 9 0 4 8 8 5 7 6 5 5 8 6 1 7 9 试样 3 5 5 8 5 0 0 9 8 5 9 8 7 4 6 6 4 6 4 6 2 2 6 1 8 8 7 1 5 2 由表 2 可以看出， 在相同辐射通量 4 2 k W／ m 。 下， 三种松木试样在西藏地区低压低氧条件下比内 地条件下燃烧的着火温度高， 着火时间迟． 这是因为 在西藏低压低氧地区， 实际供给到反应区的氧气量 少， 降低了木材的热解反应速率_ 5 ] ， 热解析出的可燃 组分浓度达到着火所需的浓度的时间就增长． 氧气 浓度还会通过影响氧气分压而影响木材的热解反应 速率， 由 B i l b a o提出的化学反应速度公式_ 6] 可知， 在木材表面反应区较低的氧气浓度使得氧气分压减 小， 从而降低了木材的热解反应速率． 从表 2中还可 以得到， 试样在两地的表面最高温度基本相等， 但在 拉萨着火后会在短时间内达到温度峰值， 说明试样 的燃烧速率较快． 压力影 响试样 的着火延迟 时间和燃烧 反应速 率_ 7 ] ， 在相同温度下， 燃烧反应的速率与压力成正 比， 压力减小， 使得热解和燃烧反应的速度变慢， 着 火延迟时间增加， 达到着火燃烧所需要的可燃物和 氧气的浓度所经历 的时间就变长 ； 同时 ， 环境 压力 小， 不利于火焰稳定地附着在木材的表面， 降低了燃 烧速率， 到达着火的时间就越长， 因此到发生着火时 试样接受到的热辐射量大， 着火温度高． 3 结 鲶 。 -一 一 在拉萨与合肥， 通过对不同尺寸的三种松木条 试样分别进行着火试验， 测出了试样在不同氧气和 压力条件下的着火温度和着火时间， 得出以下结论 工 试样在拉萨的着火时间明显比在合肥的着 火时间迟， 着火温度高； 譬如 2 0 m m2 0 m m4 0 0 m m的松木试样， 在拉萨的着火时间比在合肥迟 5 2 3 S ， 但着火温度的比合肥高 l 1 5 ℃． II 在合肥试样着火后有一段稳定燃烧阶段， 而在拉萨试样着火后温度骤升出现一个温度峰值即 开始衰减， 没有出现该稳定燃烧阶段； 且试样在拉萨 升温速率比在合肥的慢， 降温速率也慢． Il1 试样在拉萨燃烧时， 火焰体积和火焰高度 比在内地燃烧的情形下大． 针对试样在拉萨燃烧的特点， 在西藏古建筑火 灾中， 着火时间的延迟可以为早期火灾探测提供有 利条件； 但由于接受的热辐射量大， 着火温度高， 加 之火焰体积与火焰高度的增大容易引燃火源周围的 其他可燃物， 使燃烧区域扩大， 从而导致火灾的迅速 蔓延， 因此一旦发生火灾， 扑救难度将加大． 参考文献 R e f e r e n c e s E 1 ] 张靖岩， 杨立中， 郭再富， 等． 木材点火时间影响因子的 实验研究与数值分析[ J ] ．燃烧科学与技术， 2 0 0 3 ， 9 5 4 4 3 - 4 4 6 ． [ 2 ] 陈晓军， 季经纬 ， 杨立中， 等． 外加辐射作用下木材热解 和着火的预测模型r J ] ． 火灾科学， 2 0 0 2 ， 1 1 1 4 7 1 5 1 ． [ 3 ] S p e a r p o i n t M J ．P r e d i c t i n g t h e I g n i t i o n a n d B u r n i n g Ra t e o f Wo o d i n t h e Co n e Ca l o r i me t e r Us i n g a n I n t e g r a l Mo d e l[ M] ．B a l t i mo r e Un i v e r s i t y o f Ma r y l a n d ， 1 9 9 9． [ 4 ] D e l i c h a t s i o s M A I g n i t i o n t i me f o r t h e r ma l l y t h i c k a n d i n t e rm e d i a t e c o n d i t i o n s i n f l a t a n d c y l i n d r i c a l g e o m e t r i e s [ J ] ．F i r e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y L a b o r a - t o r y，1 9 9 5 ，1 0 2 3 2 3 3 2 4 4 ． I s ] 袁理明． 二维线性湍流浮力扩散火焰高度[ J ] ． 中国科 学技术大学学报 ， 1 9 9 7 ， 2 7 1 7 9 8 3 ． [ 6 ] B i l b a o R， Ma s t r a l J ， Al d e a M E ，e t a 1 ．T h e i n f l u e n c e o f t h e p e r c e n t a g e o f o x y g e n i n t h e a t mo s p h e r e o n t h e t h e rma l d e c o mp o s i t i o n o f l ig n o c e l l u l o s i c ma t e r i a l s [ J ] ． J o u r n a l o f An a l y t i c a l a n d Ap p l i e d P y r o l y s i s ， 1 9 9 7 ， 4 2 1 8 9 2 0 2 ． [ 7 ] 孔文俊， 吐尔逊 艾力江， 王伟刚 ， 等．不同重力环境 下辐射加热材料表面着火特性分析F J ] ．工程热物理 学报， 2 0 0 2 ， 2 3 1 1 1 1 一 l 1 4 ． 维普资讯