西藏与内地古建筑常用木材燃烧特性对比研究

●张学魁,李剑锋,李思成

(武警学院 消防指挥系,河北 廊坊 065000)

西藏地区古建筑众多,也曾多次发生火灾,做好该地区古建筑的防火和灭火工作意义重大。木材在西藏古建筑中被大量使用,如果发生火灾,将是主要的可燃物,其燃烧特性决定着火灾的发展和蔓延,已有研究表明,海拔升高对可燃物的燃烧特性有较大影响[1-3],因此有必要对木材在高原环境下的燃烧特性进行研究。

针对西藏与内地不同条件下的可燃物燃烧特性,我国学者作了一些研究,主要是织物和小木条的燃烧特性。尤飞等[4]利用极限氧指数和垂直燃烧法研究了西藏古建筑中装饰织物的燃烧特性,结果表明高原条件下织物燃烧速率降低,燃烧时间加长。孙晓乾等[5]研究了高原和内地不同条件下,三种不同尺寸小木条的着火特性,结果表明拉萨与合肥相比试样着火时间延迟、着火温度升高,火焰体积和高度变大。虽然这些研究结果对研究西藏与内地可燃物燃烧特性的差异有一定的参考性,但这些研究采用的试样都比较小,不能反映古建筑中发生火灾时的实际燃烧状况,因此我们对中等规模的木垛进行了燃烧特性的初步试验研究,测得了其质量损失速率、火焰高度和燃烧温度,可为西藏地区古建筑的防火和灭火提供一定的依据。

1 实验装置

实验选用西藏古建筑常用木材松木作为实验材料,松木条规格为 40mm×40mm×650mm。木垛每层 6根松木条,均匀摆放,间隔 82mm,共 7层,木垛尺寸为 650mm×650mm×280mm。图 1为实验装置示意图。实验中使用友声 281电子台秤(量程 100kg,精度 20g),每隔 5s记录一次木垛质量;电子台秤上放置隔板,以保护电子秤;隔板上方为支架,尺寸为：1 000mm×650mm×450mm。在木垛中心、上表面以上 37cm和 67cm处分别布置一支 K型热电偶,热电偶直径 1.5mm,使用Fluke Hydra 2620A型数据采集仪将热电偶信号经过处理输入到计算机,由计算机完成温度的显示和记录。在木垛旁放置高度标尺,以观测火焰高度变化,并用摄像机记录整个实验过程。

图1 实验装置示意图

2 实验工况

在木垛正下方 35cm处,放置一个油盘(直径 36cm,高12cm),油盘内水层厚度 6cm,每次实验加入 0.5L90#汽油点燃,实验至木垛塌落结束。实验分别在拉萨和廊坊两地进行,两地的实验条件见表 1。

表1 拉萨与廊坊的实验条件

3 结果与分析

表 2列出了在拉萨与廊坊木垛燃烧过程中典型实验现象对应的时间。从表 2可以看出,在拉萨火焰蔓延至整个木垛时间、塌落时间均大于廊坊,其中木垛塌落时间比廊坊约大21%,说明在拉萨木垛燃烧时间增加。

表2 木垛燃烧典型实验现象出现的时间/s

3.1 质量损失速率

实验中每隔 5s记录木垛质量,由于不同木垛初始质量不同,不便相互比较,因此采用燃烧中木垛质量占初始质量的百分比进行比较,根据公式(1)得到t时刻木垛质量百分比 αt。图 2为拉萨与廊坊木垛燃烧质量百分比随时间的变化曲线。

式中,m0—— 木垛初始质量;

mt—— t时刻木垛质量。

图2 质量变化曲线

根据公式(2)计算 t时刻对应的木垛质量损失速率βt,式中 △t表示时间间隔,取 5s。由于木垛质量变化比较平稳,将质量损失速率分段取平均值,绘制在拉萨与廊坊质量损失速率曲线,详见图 3。

如图 2所示,在拉萨和廊坊,木垛燃烧过程中质量变化均比较平稳。对于相同的质量损失,在拉萨的燃烧时间大于在廊坊,以质量损失 70%为例,拉萨与廊坊的燃烧时间分别为1 025s、705s,拉萨比廊坊长 45.4%,说明木垛在拉萨的燃烧时间增加。

如图 3所示,在拉萨与廊坊质量损失速率变化趋势大致相同,均可分为质量损失快速上升、下降、平稳和衰减四个阶段。在拉萨与廊坊除衰减阶段质量损失速率大致相等,其它三个阶段的质量损失速率在拉萨均低于廊坊。在拉萨与廊坊平稳阶段质量损失速率分别为 0.079 9%、0.101 7%,拉萨比廊坊低 21.4%,表明高原环境使木垛质量损失速率降低,从而使燃烧时间增加。由于热释放速率与质量损失速率成正比,因此,在拉萨木垛火热释放速率降低,燃烧猛烈程度降低。

图3 质量损失速率

质量损失速率降低的主要原因是在拉萨低压条件下,环境中的氧分压低,供应到反应区的氧气量减少,降低了木材的热解速率,木材分解的可燃挥发分减少,使燃烧反应速率降低,同时,燃烧反应速率与氧浓度、压力成正比,氧浓度、环境压力的降低,也导致燃烧反应速率的降低[5],燃烧反应速率的降低使热释放速率降低,传递到木垛的热量相应减少,也会降低木材的热解速率,因此,在拉萨高海拔低压环境中木垛质量损失速率降低,燃烧变缓。

3.2 火焰高度

根据实验录像测量得到不同时间火焰高度值,绘制曲线如图 4所示。在拉萨与廊坊火焰高度的第一个峰值是由于油盘内汽油燃烧造成,随着油盘火熄灭,火焰高度迅速下降。在拉萨油盘火熄灭后火焰高度先降至约 88cm,然后升高,达到第二个峰值,在廊坊油盘火熄灭后,火焰高度呈下降趋势,未出现第二个峰值,拉萨出现第二个峰值的主要原因是在低压条件下,木垛热解和燃烧反应速率降低,造成引燃和火蔓延困难,油盘火熄灭前未能将木垛全部引燃,油盘火熄灭后,木垛火逐渐蔓延至整个木垛,从而使火焰高度达到第二个峰值;而在廊坊油盘火熄灭前,木垛火已蔓延至整个木垛,因此火焰高度没有出现第二个峰值。说明木垛在拉萨引燃难度加大。这与孙晓乾等[5]研究热辐射条件下木材的着火特性,得出的拉萨与合肥相比试样着火时间延迟的结论相一致。

图4 火焰高度曲线

3.3 温度变化

将木垛中心、上表面以上 37cm和 67cm处热电偶依次编号为 1～3号。图5和图 6分别为在拉萨和廊坊木垛火温度曲线。从图 5、图 6可以看出,在拉萨点火后约 200s时出现温度峰值,然后温度下降到极小值,而在廊坊未出现明显的峰值与极小值,造成这一现象的主要原因仍是在拉萨木垛引燃和蔓延困难,油盘火熄灭前未能将木垛全部引燃,随着油盘火熄灭,温度下降至极小值,随着木垛火逐渐蔓延至整个木垛,温度升高。

图5 在拉萨木垛火温度曲线

图6 在廊坊木垛火温度曲线

取温度曲线平稳阶段作为木垛稳定燃烧阶段,在拉萨为700～800s,在廊坊为 200～300s。表 3为木垛稳定燃烧阶段热电偶的平均温度值。由表 3可以看出位于木垛上方的 2号、3号热电偶温度在拉萨与廊坊差距不大,表明在拉萨与廊坊火焰的温度相差不大;1号热电偶温度在拉萨比廊坊低86℃,主要由于木垛质量损失速率的降低,导致热释放速率降低,通过热对流与热辐射传递到木垛中心的热量减少,从而导致木垛中心温度降低,较低的中心温度也会降低木材的热分解速率,从而降低木垛质量损失速率。因此,木垛中心温度降低与木垛质量损失速率降低,两个实验结果相一致。

4 结论

通过对在拉萨与廊坊木垛的燃烧过程中质量、温度和火焰高度变化的分析,可以初步得出以下结论：(1)与廊坊相比在拉萨木垛燃烧时间明显增加,木垛塌落时间约大 21%;(2)与廊坊相比在拉萨木垛质量损失速率降低,热释放速率降低,燃烧猛烈程度降低;(3)在拉萨与廊坊木垛稳定燃烧阶段,木垛上方火焰温度相差不大,木垛中心平均温度在拉萨比廊坊低 86℃;(4)火焰高度和温度在拉萨出现第二个峰值,表明在拉萨比廊坊木垛引燃难度加大。

在西藏高海拔环境下,木垛引燃难度加大,质量损失速率降低,将使古建筑火灾发生概率和火灾危险性有所下降,有利于西藏古建筑防火和灭火工作的开展。下一步的研究方向为在西藏木材燃烧特性对古建筑火灾发展与蔓延、消防系统设计的影响。

[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,张永明,刘勇,等.西藏高原环境下国家标准火 SH4燃烧特性的实验研究[C]//中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文集.北京：中国工程热物理学会,2006：28-34.

[3]于春雨,张永明,方俊,等.西藏高原环境下点式感烟火灾探测器的灵敏度[J].中国科学技术大学学报,2007,37(3)：290-295.

[4]尤飞,胡源,宋磊.西藏古建筑中装饰织物的燃烧特性研究[J].中国科学技术大学学报,2007,37(3)：284-289.

[5]孙晓乾,李元洲,霍然,等.西藏古建筑常用木材的着火特性试验[J].中国科学技术大学学报,2006,36(1)：77-80.