西藏與內(nèi)地古建筑常用木材燃燒特性對比研究

●張學(xué)魁,李劍鋒,李思成

(武警學(xué)院 消防指揮系,河北 廊坊 065000)

西藏地區(qū)古建筑眾多,也曾多次發(fā)生火災(zāi),做好該地區(qū)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(fā)生火災(zāi),將是主要的可燃物,其燃燒特性決定著火災(zāi)的發(fā)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(huán)境下的燃燒特性進(jìn)行研究。

針對西藏與內(nèi)地不同條件下的可燃物燃燒特性,我國學(xué)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(shù)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(jié)果表明高原條件下織物燃燒速率降低,燃燒時(shí)間加長。孫曉乾等[5]研究了高原和內(nèi)地不同條件下,三種不同尺寸小木條的著火特性,結(jié)果表明拉薩與合肥相比試樣著火時(shí)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(jié)果對研究西藏與內(nèi)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(fā)生火災(zāi)時(shí)的實(shí)際燃燒狀況,因此我們對中等規(guī)模的木垛進(jìn)行了燃燒特性的初步試驗(yàn)研究,測得了其質(zhì)量損失速率、火焰高度和燃燒溫度,可為西藏地區(qū)古建筑的防火和滅火提供一定的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)選用西藏古建筑常用木材松木作為實(shí)驗(yàn)材料,松木條規(guī)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(shí)驗(yàn)裝置示意圖。實(shí)驗(yàn)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(zhì)量;電子臺秤上放置隔板,以保護(hù)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(shù)據(jù)采集儀將熱電偶信號經(jīng)過處理輸入到計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)完成溫度的顯示和記錄。在木垛旁放置高度標(biāo)尺,以觀測火焰高度變化,并用攝像機(jī)記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)工況

在木垛正下方 35cm處,放置一個(gè)油盤(直徑 36cm,高12cm),油盤內(nèi)水層厚度 6cm,每次實(shí)驗(yàn)加入 0.5L90#汽油點(diǎn)燃,實(shí)驗(yàn)至木垛塌落結(jié)束。實(shí)驗(yàn)分別在拉薩和廊坊兩地進(jìn)行,兩地的實(shí)驗(yàn)條件見表 1。

表1 拉薩與廊坊的實(shí)驗(yàn)條件

3 結(jié)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對應(yīng)的時(shí)間。從表 2可以看出,在拉薩火焰蔓延至整個(gè)木垛時(shí)間、塌落時(shí)間均大于廊坊,其中木垛塌落時(shí)間比廊坊約大21%,說明在拉薩木垛燃燒時(shí)間增加。

表2 木垛燃燒典型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間/s

3.1 質(zhì)量損失速率

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

式中,m0—— 木垛初始質(zhì)量;

mt—— t時(shí)刻木垛質(zhì)量。

圖2 質(zhì)量變化曲線

根據(jù)公式(2)計(jì)算 t時(shí)刻對應(yīng)的木垛質(zhì)量損失速率βt,式中 △t表示時(shí)間間隔,取 5s。由于木垛質(zhì)量變化比較平穩(wěn),將質(zhì)量損失速率分段取平均值,繪制在拉薩與廊坊質(zhì)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(zhì)量變化均比較平穩(wěn)。對于相同的質(zhì)量損失,在拉薩的燃燒時(shí)間大于在廊坊,以質(zhì)量損失 70%為例,拉薩與廊坊的燃燒時(shí)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(shí)間增加。

如圖 3所示,在拉薩與廊坊質(zhì)量損失速率變化趨勢大致相同,均可分為質(zhì)量損失快速上升、下降、平穩(wěn)和衰減四個(gè)階段。在拉薩與廊坊除衰減階段質(zhì)量損失速率大致相等,其它三個(gè)階段的質(zhì)量損失速率在拉薩均低于廊坊。在拉薩與廊坊平穩(wěn)階段質(zhì)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(huán)境使木垛質(zhì)量損失速率降低,從而使燃燒時(shí)間增加。由于熱釋放速率與質(zhì)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(zhì)量損失速率

質(zhì)量損失速率降低的主要原因是在拉薩低壓條件下,環(huán)境中的氧分壓低,供應(yīng)到反應(yīng)區(qū)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(fā)分減少,使燃燒反應(yīng)速率降低,同時(shí),燃燒反應(yīng)速率與氧濃度、壓力成正比,氧濃度、環(huán)境壓力的降低,也導(dǎo)致燃燒反應(yīng)速率的降低[5],燃燒反應(yīng)速率的降低使熱釋放速率降低,傳遞到木垛的熱量相應(yīng)減少,也會降低木材的熱解速率,因此,在拉薩高海拔低壓環(huán)境中木垛質(zhì)量損失速率降低,燃燒變緩。

3.2 火焰高度

根據(jù)實(shí)驗(yàn)錄像測量得到不同時(shí)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(gè)峰值是由于油盤內(nèi)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(dá)到第二個(gè)峰值,在廊坊油盤火熄滅后,火焰高度呈下降趨勢,未出現(xiàn)第二個(gè)峰值,拉薩出現(xiàn)第二個(gè)峰值的主要原因是在低壓條件下,木垛熱解和燃燒反應(yīng)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(gè)木垛,從而使火焰高度達(dá)到第二個(gè)峰值;而在廊坊油盤火熄滅前,木垛火已蔓延至整個(gè)木垛,因此火焰高度沒有出現(xiàn)第二個(gè)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(shí)間延遲的結(jié)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(diǎn)火后約 200s時(shí)出現(xiàn)溫度峰值,然后溫度下降到極小值,而在廊坊未出現(xiàn)明顯的峰值與極小值,造成這一現(xiàn)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(gè)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(wěn)階段作為木垛穩(wěn)定燃燒階段,在拉薩為700～800s,在廊坊為 200～300s。表 3為木垛穩(wěn)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(zhì)量損失速率的降低,導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)量損失速率。因此,木垛中心溫度降低與木垛質(zhì)量損失速率降低,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

通過對在拉薩與廊坊木垛的燃燒過程中質(zhì)量、溫度和火焰高度變化的分析,可以初步得出以下結(jié)論：(1)與廊坊相比在拉薩木垛燃燒時(shí)間明顯增加,木垛塌落時(shí)間約大 21%;(2)與廊坊相比在拉薩木垛質(zhì)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(wěn)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(xiàn)第二個(gè)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(huán)境下,木垛引燃難度加大,質(zhì)量損失速率降低,將使古建筑火災(zāi)發(fā)生概率和火災(zāi)危險(xiǎn)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?yàn)樵谖鞑啬静娜紵匦詫沤ㄖ馂?zāi)發(fā)展與蔓延、消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huán)境下國家標(biāo)準(zhǔn)火 SH4燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究[C]//中國工程熱物理學(xué)會燃燒學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集.北京：中國工程熱物理學(xué)會,2006：28-34.

[3]于春雨,張永明,方俊,等.西藏高原環(huán)境下點(diǎn)式感煙火災(zāi)探測器的靈敏度[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),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(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),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(yàn)[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,36(1)：77-80.