可燃材料对室内火灾轰燃影响及应对措施

徐迪

摘要：文章在简要介绍轰燃现象理论基础上，通过火灾试验箱研究了可燃材料对室内轰燃的影响。结果表明，不同可燃材料的热解和燃烧特性、材料的燃烧面积及质量等因素对有限空间的轰燃都会产生影响，为消防救援队伍在处置建筑火灾过程中预防轰燃的发生提供参考。

关键词：室内火灾;轰燃;可燃材料

随着国家现代化进程的加快，现代装饰、装修材料在建筑中被广泛应用，建筑物内受限空间火灾轰燃发生的概率和危害程度都在增大[1]，轰燃的发生对消防救援人员和火灾被困人员的生命安全构成了极大的威胁。根据燃烧三角形理论，燃烧的发生离不开可燃物、助燃物和引火源，因此可燃物在火灾中的行为对建筑火灾的发展起到非常重要的作用[2]。可燃材料的各种火灾性能参数如热释放速率、热分解特性、质量损失速率、点火时间等都直接影响到轰燃的发生与否，因此研究材料在火灾过程中的各项性能参数对研究轰燃的发生及发展有着重要的作用[3]。本文从几种常见的室内可燃物轰燃试验入手，分析研究其各项火灾特性参数之间的联系。通过这些研究，可以更加充分的了解可燃材料在真实火灾过程中的燃烧行为。试验结果对于消防救援队伍在灭火救援行动中，降低轰燃的发生具有重要意义。

1  轰燃的概述

1.1  轰燃形成的基本原因

室内火灾是一种受限空间内的燃烧，是建筑火灾的主要形式。轰燃通常被定义为室内火灾由局部燃烧向所可燃物表面都燃烧的突然转变，标志着火灾发展进入了充分发展阶段。轰燃的发生是燃烧产生的大量热量积累的结果，燃烧产生的热烟气在顶棚下的积累，将使顶棚和墙壁上部（两部分合称扩展顶棚）受到加热;同时，扩展顶棚温度的升高又以辐射形式增大反馈到可燃物的热通量。随着燃烧的持续，热烟气层的厚度和温度都在不断增加，使得可燃物的燃烧速率不断增大。随着可燃物的质量损失速率的增大，当室内火源的释热速率达到发生轰燃时的临界释热速率，轰燃就会发生[4]。

1.2  预测轰燃的常用方法

目前，对于轰燃发生的预判，主要有三种判据：（1）顶棚附近气体温度超过特定值（约600℃）;（2）地面辐射热通量超过特定值（约20kW/m2）;（3）火焰从通风口处喷出[5]。其中，室内顶板附近热烟气温度超过600℃作为轰燃判据是比较准确的，因此本文以它来作为轰燃发生的判据。

2  实验部分

2.1  实验材料

有机玻璃、木板、地毯A、地毯B、窗帘布A、窗帘布B等，其密度如表1。

2.2  仪器设备

2.2.1  测试设备

热重/差热同步分析仪：产地瑞士，型号：TGA/SDTA851e，梅特勒 - 托利多仪器有限公司。

锥形量热仪（CONE）：产地英国，型号：DUAL CONE，英国FTT公司。

2.2.2  轰燃试验系统

轰燃试验系统（如图1所示）主要由火灾试验箱、多路火灾系统检测仪、BX3000电子天平、EP-50打印机、上位机等五部分组成[5]。

2.3  测试方法

材料热分析：参照GB/T.14107;

材料燃烧分析：参照ISO 5660。

3  结果与讨论

3.1  可燃材料热解特性及燃烧特性分析

将所选用的材料按照要求进行测试，其结果见表2。

3.1.1  材料热解特性分析

轰燃本质上是可燃物热分解产生的可燃气体在其表面上的迅速燃烧。在火灾发展的初期增长阶段，也就是燃料控制型阶段，轰燃发生与否与固体物质受热分解产生可燃气体速度有直接关系[7]。因此，材料的热解特性在一定程度上能反映出材料对室内轰燃的影响。由表2可知，有机玻璃的外延起始温度最低为235.8℃，其次是地毯B为240.2℃，材料的外延起始温度越低，表示材料的热稳定性就越差，即可在较低温度下即能分解产生可燃气体，因此这两种材料受热比其他材料更容易发生燃烧;加之它们的最大失重速率也较高，受热分解速率快，因此有机玻璃和地毯B的火灾危险性以及在其它条件相同情况下发生轰燃的可能性相对于其他几种材料也要大。

3.1.2  材料燃烧特性分析

材料的燃烧特性参数主要有热释放速率（HRR）或热释放速率峰值（pkHRR）、总释放热（THR）、点燃时间（TTI）、质量损失速率（MLR）或质量损失速率的峰值（pkMLR）等。仅从单个燃烧性能参数并不能对材料的燃烧性能做出全面的评价，Wichstron和Goransson等人用热释放速率峰值（pkHRR）和点燃时间（TTI）的比值（pkHRR/TTI）来评价材料潜在的轰燃性，能够较为全面对材料在火灾中的危险性进行评价。此后，Petrella.R.V.又提出将总释放热THR与pkHRR/TTI相结合，可更全面的评价材料的燃烧危险性[8]。由表2可以看出，有机玻璃及地毯A的THR和pkHRR/TTI都比较高，因此相对于其他6种试验材料，它们的潜在轰燃性及燃烧危险性都要大。

3.2  可燃材料的种类对室内轰燃的影响

3.2.1  相同暴露面积的不同材料对室内轰燃的影响

试验方法：在通风口大小、试验箱内衬材料、材料表面积和高度及点燃方式都相同的条件下，通过火灾试验箱测定出不同种类可燃物的火灾特性参数。

从表3可知，不同试验材料在相同暴露面積的情况下，有机玻璃燃烧时能发生轰燃，其他几种材料均没有发生轰燃现象。由表2可看出，有机玻璃和木板最大失重速率较大，失重速率峰值所对应的温度相对较低，材料受热分解速度快，容易发生轰燃。从材料的燃烧参数可以看出能够发生轰燃的有机玻璃pkHRR/TTI、THR值均比其他几种材料都高出很多，表明此种材料的潜在轰燃性很大。可见材料的热解和燃烧特性对轰燃的发生有着密切关系。

3.2.2  相同质量的不同材料对室内轰燃的影响

试验方法：在通风口大小、试验箱内衬材料、材料质量及点燃方式都相同的条件下，通过火灾试验箱测定出不同种类可燃物的火灾特性参数。

由表4可以看出，不同试验材料在相同质量的情况下，仅有机玻璃和地毯B燃烧时发生了轰燃现象，其他两种材料没有发生。将表2、表4进行对比分析可以发现，有机玻璃、地毯B的外延起始温度分别为235.8℃、240.2℃都较低，而最大失重速率分别为8.75 g/min、6.95 g/min都较高，因此这两种材料受热易分解发生轰燃;有机玻璃和地毯B的燃烧特性参数pkHRR/TTI及THR的数值均比其他两种材料高，因此其潜在轰燃发生概率和火灾危险性都较大，这也与轰燃试验的结果完全一致。可见不同种类的材料燃烧发生轰燃时，顶棚烟气层的温度、辐射热通量及可燃材料的质量损失速率等参数与材料的热解和燃烧特性密切相关。

3.3  可燃材料的质量对室内轰燃的影响

实验方法：选择地毯B为可燃材料，在通风口大小、试验箱内衬材料及点燃方式都相同的条件下，研究可燃物质量对室内轰燃的影响，结果如表5。

由表5可以看出，随着地毯B质量的增加，试样的燃烧最高温、最大热通量及最大质量损失速率都呈递增趋势。试验结果表明，对于同种材料来说，质量越大，火灾荷载密度也越大，这个结果也是和火灾荷载密度的计算公式是一致的[9]。而建筑室内的火灾荷载密度会直接影响火灾的持续时间和火灾的大小，因此建筑室内同种可燃物的质量越大，火灾荷载密度也越大，即单位地面面积的热量越多，从而加速了可燃物的分解，加快了火灾蔓延，使得轰燃更加容易发生。

3.4  可燃材料的燃烧面积对室内轰燃的影响

实验方法：选择有机玻璃为可燃材料，在通风口大小、试验箱内衬材料及点燃方式都相同的条件下，研究可燃物不同燃烧面积对室内轰燃的影响，结果如表6。

由表6可以看出，对于同一种有机玻璃，尺寸越大，燃烧面积越大，试验材料的燃烧最高温、最大热通量及最大质量损失速率都呈递增趋势。这是由于在火灾发展初期，火焰體积小，氧气充足，燃烧处于燃料控制型阶段，可燃物的面积越大，其燃烧越猛烈，温度上升越快。随着火势的发展，火焰变大，空气供给相对不足，燃烧进入通风控制阶段，可燃物燃烧面积的增大将会导致不充分燃烧。但由于大面积可燃物燃烧内外温差更大，使得空气流通速度增加越快，空气供给量增加，使燃烧变得更充分，放热量增加，燃烧加剧，导致轰燃的发生。

4  初战指挥的轰燃预防

4.1  做好侦察，研判火情

根据试验数据分析可知，室内轰燃的发生与材料的热解和燃烧特性密切相关。可燃材料热分解温度越低、失重速率越快、燃烧参数值越高，越易导致室内轰燃的发生。在初战指挥中，指挥员要对于建筑室内存在可燃物的种类以及其燃烧特性做出初步判断，对于室内存在易燃易爆的物品时，其火灾发生轰燃的可能性也就越大，指挥员要及时提醒内攻人员，加强防护，提高对轰燃发生的警惕性。

4.2  及时冷却，排烟降温

根据试验数据分析可知，当可燃物种类一定时，可燃材料的质量越多，从而加速了可燃物的分解，分解产生的可燃气体在顶棚积聚使得轰燃的发生更加容易。这就要求我们在初战指挥过程中，要充分研判火灾发展阶段，如室内火灾仍处于初期阶段，且范围较小可第一时间堵截火势，疏散蔓延方向的可燃物资;如室内火灾已经处于发展阶段，要避免盲目打通室内通风通道，第一时间要对室内顶棚的热烟气进行稀释降温，降低对室内可燃物热辐射量，降低轰燃发生的可能性;在降温的基础上，择机择位打开通风口，将室内可燃热烟气排出到室外，降低室内热烟气的浓度，为内攻创造条件。

4.3  审时度势，正确内攻

根据试验数据分析可知，当可燃物种类一定时，此种可燃材料的燃烧面积越大，则火灾荷载密度越大，燃烧越剧烈，越易发生轰燃。这就要求我们在初战指挥过程中，将火灾控制在初期阶段，要做到灭早灭小，而实施内攻是迅速控制火灾发展、扑灭火灾的有效途径之一。消防救援人员在做好个人防护，确保安全的前提下，第一时间内攻打击火点，缩小燃烧面积，控制火势蔓延趋势。但当室内火灾已经处于充分发展阶段，消防救援人员则不宜进入，待火场内部得到充分冷却后再考虑进入。

参考文献：

[1]卢平，厉培德，等.受限空间火灾轰燃过程的模拟实验研究[J].火灾科学，2003，12（04）：213-217.

[2]Min-kyu LEE.A study on dominant element of flashover effect with characteristic of fire load[J].消防科学与技术，2004，23（01）：15-19.

[3]杨立中，邓志华，陈晓军.可燃材料火灾性能参数的试验研究[J].火灾科学，2000，9（04）：32-37.

[4]胡克旭，李金宝.室内火灾轰燃研究的动态述评[J].四川建筑科学研究，2004，30（01）：10-12.

[5]Peacock R D.Defining flashover for fire hazard calculations[J]. Fire Safety Journal，1999，32（05）：331-345.

[6]陈爱平，乔纳森·弗朗西斯.室内轰燃预测方法研究[J].爆炸与冲击，2003，23（04）：368-374.

[7]李建华，黄郑华.木质材料轰燃化学特性的试验研究[J].消防科技，1994（01）：5-9.

[8]李斌，王建祺.聚合物材料燃烧性和阻燃性的评价-锥形量热仪法（CONE）法[J].高分子材料科学与工程，1998，14（05）：15-19.

[9]W.G.WENG，W.C.FAN.Catastrophe analysis of flashover in building fires[J].火灾科学，2003，12（2）：51-57.

Abstract：This paper makes an analysis on the thermal decomposition and combustion features of different combustible materials， and explores their roles played in the Interior flashover by means of Fire equipment boxes. It is tested that combustible materials which bears different  combustible features， thermal decomposition characteristics， quality， surface area and other factors may impact various effects in indoor flashover within a limited space.It provides a reference for the fire rescue team to prevent flashover in the process of dealing with building fire.

Keywords：interior fire; flashover; combustible materials