西藏與內地古建筑常用木材燃燒特性對比研究

●張學魁,李劍鋒,李思成

(武警學院 消防指揮系,河北 廊坊 065000)

西藏地區古建筑眾多,也曾多次發生火災,做好該地區古建筑的防火和滅火工作意義重大。木材在西藏古建筑中被大量使用,如果發生火災,將是主要的可燃物,其燃燒特性決定著火災的發展和蔓延,已有研究表明,海拔升高對可燃物的燃燒特性有較大影響[1-3],因此有必要對木材在高原環境下的燃燒特性進行研究。

針對西藏與內地不同條件下的可燃物燃燒特性,我國學者作了一些研究,主要是織物和小木條的燃燒特性。尤飛等[4]利用極限氧指數和垂直燃燒法研究了西藏古建筑中裝飾織物的燃燒特性,結果表明高原條件下織物燃燒速率降低,燃燒時間加長。孫曉乾等[5]研究了高原和內地不同條件下,三種不同尺寸小木條的著火特性,結果表明拉薩與合肥相比試樣著火時間延遲、著火溫度升高,火焰體積和高度變大。雖然這些研究結果對研究西藏與內地可燃物燃燒特性的差異有一定的參考性,但這些研究采用的試樣都比較小,不能反映古建筑中發生火災時的實際燃燒狀況,因此我們對中等規模的木垛進行了燃燒特性的初步試驗研究,測得了其質量損失速率、火焰高度和燃燒溫度,可為西藏地區古建筑的防火和滅火提供一定的依據。

1 實驗裝置

實驗選用西藏古建筑常用木材松木作為實驗材料,松木條規格為 40mm×40mm×650mm。木垛每層 6根松木條,均勻擺放,間隔 82mm,共 7層,木垛尺寸為 650mm×650mm×280mm。圖 1為實驗裝置示意圖。實驗中使用友聲 281電子臺秤(量程 100kg,精度 20g),每隔 5s記錄一次木垛質量;電子臺秤上放置隔板,以保護電子秤;隔板上方為支架,尺寸為：1 000mm×650mm×450mm。在木垛中心、上表面以上 37cm和 67cm處分別布置一支 K型熱電偶,熱電偶直徑 1.5mm,使用Fluke Hydra 2620A型數據采集儀將熱電偶信號經過處理輸入到計算機,由計算機完成溫度的顯示和記錄。在木垛旁放置高度標尺,以觀測火焰高度變化,并用攝像機記錄整個實驗過程。

圖1 實驗裝置示意圖

2 實驗工況

在木垛正下方 35cm處,放置一個油盤(直徑 36cm,高12cm),油盤內水層厚度 6cm,每次實驗加入 0.5L90#汽油點燃,實驗至木垛塌落結束。實驗分別在拉薩和廊坊兩地進行,兩地的實驗條件見表 1。

表1 拉薩與廊坊的實驗條件

3 結果與分析

表 2列出了在拉薩與廊坊木垛燃燒過程中典型實驗現象對應的時間。從表 2可以看出,在拉薩火焰蔓延至整個木垛時間、塌落時間均大于廊坊,其中木垛塌落時間比廊坊約大21%,說明在拉薩木垛燃燒時間增加。

表2 木垛燃燒典型實驗現象出現的時間/s

3.1 質量損失速率

實驗中每隔 5s記錄木垛質量,由于不同木垛初始質量不同,不便相互比較,因此采用燃燒中木垛質量占初始質量的百分比進行比較,根據公式(1)得到t時刻木垛質量百分比 αt。圖 2為拉薩與廊坊木垛燃燒質量百分比隨時間的變化曲線。

式中,m0—— 木垛初始質量;

mt—— t時刻木垛質量。

圖2 質量變化曲線

根據公式(2)計算 t時刻對應的木垛質量損失速率βt,式中 △t表示時間間隔,取 5s。由于木垛質量變化比較平穩,將質量損失速率分段取平均值,繪制在拉薩與廊坊質量損失速率曲線,詳見圖 3。

如圖 2所示,在拉薩和廊坊,木垛燃燒過程中質量變化均比較平穩。對于相同的質量損失,在拉薩的燃燒時間大于在廊坊,以質量損失 70%為例,拉薩與廊坊的燃燒時間分別為1 025s、705s,拉薩比廊坊長 45.4%,說明木垛在拉薩的燃燒時間增加。

如圖 3所示,在拉薩與廊坊質量損失速率變化趨勢大致相同,均可分為質量損失快速上升、下降、平穩和衰減四個階段。在拉薩與廊坊除衰減階段質量損失速率大致相等,其它三個階段的質量損失速率在拉薩均低于廊坊。在拉薩與廊坊平穩階段質量損失速率分別為 0.079 9%、0.101 7%,拉薩比廊坊低 21.4%,表明高原環境使木垛質量損失速率降低,從而使燃燒時間增加。由于熱釋放速率與質量損失速率成正比,因此,在拉薩木垛火熱釋放速率降低,燃燒猛烈程度降低。

圖3 質量損失速率

質量損失速率降低的主要原因是在拉薩低壓條件下,環境中的氧分壓低,供應到反應區的氧氣量減少,降低了木材的熱解速率,木材分解的可燃揮發分減少,使燃燒反應速率降低,同時,燃燒反應速率與氧濃度、壓力成正比,氧濃度、環境壓力的降低,也導致燃燒反應速率的降低[5],燃燒反應速率的降低使熱釋放速率降低,傳遞到木垛的熱量相應減少,也會降低木材的熱解速率,因此,在拉薩高海拔低壓環境中木垛質量損失速率降低,燃燒變緩。

3.2 火焰高度

根據實驗錄像測量得到不同時間火焰高度值,繪制曲線如圖 4所示。在拉薩與廊坊火焰高度的第一個峰值是由于油盤內汽油燃燒造成,隨著油盤火熄滅,火焰高度迅速下降。在拉薩油盤火熄滅后火焰高度先降至約 88cm,然后升高,達到第二個峰值,在廊坊油盤火熄滅后,火焰高度呈下降趨勢,未出現第二個峰值,拉薩出現第二個峰值的主要原因是在低壓條件下,木垛熱解和燃燒反應速率降低,造成引燃和火蔓延困難,油盤火熄滅前未能將木垛全部引燃,油盤火熄滅后,木垛火逐漸蔓延至整個木垛,從而使火焰高度達到第二個峰值;而在廊坊油盤火熄滅前,木垛火已蔓延至整個木垛,因此火焰高度沒有出現第二個峰值。說明木垛在拉薩引燃難度加大。這與孫曉乾等[5]研究熱輻射條件下木材的著火特性,得出的拉薩與合肥相比試樣著火時間延遲的結論相一致。

圖4 火焰高度曲線

3.3 溫度變化

將木垛中心、上表面以上 37cm和 67cm處熱電偶依次編號為 1～3號。圖5和圖 6分別為在拉薩和廊坊木垛火溫度曲線。從圖 5、圖 6可以看出,在拉薩點火后約 200s時出現溫度峰值,然后溫度下降到極小值,而在廊坊未出現明顯的峰值與極小值,造成這一現象的主要原因仍是在拉薩木垛引燃和蔓延困難,油盤火熄滅前未能將木垛全部引燃,隨著油盤火熄滅,溫度下降至極小值,隨著木垛火逐漸蔓延至整個木垛,溫度升高。

圖5 在拉薩木垛火溫度曲線

圖6 在廊坊木垛火溫度曲線

取溫度曲線平穩階段作為木垛穩定燃燒階段,在拉薩為700～800s,在廊坊為 200～300s。表 3為木垛穩定燃燒階段熱電偶的平均溫度值。由表 3可以看出位于木垛上方的 2號、3號熱電偶溫度在拉薩與廊坊差距不大,表明在拉薩與廊坊火焰的溫度相差不大;1號熱電偶溫度在拉薩比廊坊低86℃,主要由于木垛質量損失速率的降低,導致熱釋放速率降低,通過熱對流與熱輻射傳遞到木垛中心的熱量減少,從而導致木垛中心溫度降低,較低的中心溫度也會降低木材的熱分解速率,從而降低木垛質量損失速率。因此,木垛中心溫度降低與木垛質量損失速率降低,兩個實驗結果相一致。

4 結論

通過對在拉薩與廊坊木垛的燃燒過程中質量、溫度和火焰高度變化的分析,可以初步得出以下結論：(1)與廊坊相比在拉薩木垛燃燒時間明顯增加,木垛塌落時間約大 21%;(2)與廊坊相比在拉薩木垛質量損失速率降低,熱釋放速率降低,燃燒猛烈程度降低;(3)在拉薩與廊坊木垛穩定燃燒階段,木垛上方火焰溫度相差不大,木垛中心平均溫度在拉薩比廊坊低 86℃;(4)火焰高度和溫度在拉薩出現第二個峰值,表明在拉薩比廊坊木垛引燃難度加大。

在西藏高海拔環境下,木垛引燃難度加大,質量損失速率降低,將使古建筑火災發生概率和火災危險性有所下降,有利于西藏古建筑防火和滅火工作的開展。下一步的研究方向為在西藏木材燃燒特性對古建筑火災發展與蔓延、消防系統設計的影響。

[1]WIESER D,JAUCH P,WILLIU.The influence of high altitude on fire detector test fires[J].Fire Safety Journal,1997,29：195-204.

[2]于春雨,張永明,劉勇,等.西藏高原環境下國家標準火 SH4燃燒特性的實驗研究[C]//中國工程熱物理學會燃燒學學術會議論文集.北京：中國工程熱物理學會,2006：28-34.

[3]于春雨,張永明,方俊,等.西藏高原環境下點式感煙火災探測器的靈敏度[J].中國科學技術大學學報,2007,37(3)：290-295.

[4]尤飛,胡源,宋磊.西藏古建筑中裝飾織物的燃燒特性研究[J].中國科學技術大學學報,2007,37(3)：284-289.

[5]孫曉乾,李元洲,霍然,等.西藏古建筑常用木材的著火特性試驗[J].中國科學技術大學學報,2006,36(1)：77-80.