木材炭化痕迹的导电性能与其受热温度和受..

木材炭化痕迹的导电性能与其受热温度和受..

摘要：本文详细阐明了木材炭化后的导电性能与它受热温度和受热时间的关系以及木材受热温度越高、受热时间越长木炭的导电性能越好的规律，通过火场勘查实例为火灾调查人员提供一种通过测定火灾现场残留木炭的导电性来分析火灾现场温度分布情况，从而判定火势蔓延方向、起火部位、起火点及火灾原因的火灾现场勘查方法。关键词：木材炭化痕迹导电性火场勘查火灾痕迹包括烟熏痕迹、木材炭化痕迹、液体燃烧痕迹、倒塌痕迹、灰烬、玻璃破坏痕迹、短路痕迹、雷击痕迹等十七种，其中木材炭化痕迹由于普遍存在于火灾现场中，因此加强木材炭化痕迹研究及应用对火灾现场勘查具有相当重要的作用。1.木材属性木材是常用的建筑材料与家具制造材料。木材是许多物质的合成物，其组成主要是纤维素，木质素及少量糖、脂和无机成分。构成木材的元素主要有碳、氢、氧，还有少量的氮和其它元素。干燥木材主要元素的百分比为：碳50、氢6.2、氧43；含水率为13%的木材各元素的百分比为：碳43.5、氢5.2、氧38.3。木材的平均容重为500公斤/米3，不同品种木材容重从400~900公斤/米3不等，木材的容重对燃烧特性和炭化痕迹有重要影响。随着木材容重增加，其闪点、自燃点增高；燃烧速度、炭化率减小，炭化裂纹随之变得密小。但是木材以上固有性质对木材炭化后的导电性能影响不是很大，所以木材炭化导电性及其在火灾现场勘查中的应用具有重要意义。对于残留有较多木炭的火灾现场，勘查时我们以测定木炭的导电性能，利用导电性能分析火灾现场温度分布状况、判定火势蔓延方向、起火部位和起火点，甚至是火灾原因。2.基本原理及导电性变化规律正常木材在干燥的情况下是电的不良导体，其电阻率为1010Ω"㎝～1014Ω"㎝，而当它受到高温、明火和电弧等火源的作用后却发生了质的变化，电阻率变为几万、几千、几百欧姆厘米，有的变为几欧姆厘米，甚至更小。发生这种变化的根本原因是木材燃烧和炭化的过程中，由于其受热温度和受热时间的不同，木炭的碳原子排列发生变化的结果。在火灾中，木材受到热的作用后，首先发生热分解，进而发生炭化，在木炭的生成过程中碳原子在空间重新排列，形成了无定形的炭。实际上无定形的炭仍具有石墨一样的层状晶体结构，只是晶粒非常小，而且在晶粒中碳原子构成的六角环片层无规则地重叠。无定形木炭的晶粒中碳原子在高温下获取了能量，剧烈地振动，获取能量多的原子甚至能摆脱六角环片层内共价键的束缚，自同地高速运动，这些剧烈运动的碳原子碰撞到其它的六角环片层时，可能与其形成新的更大的六角环片层，释放出能量，形成隐定的体系，使晶粒长大；另一方面在晶粒长大的过程中，大的晶粒也能吞并小的晶粒，会使其长的更大。在高温下微小晶粒内无序重叠的碳原子六角环片层能够转变为空间有序重叠，即转变为石墨化晶体结构。所以，火场温度越高，高温持续时间越长，木炭的晶粒长得越大，晶粒内六角环片层增长得越大，六角环片层有序重叠的程度越好，这样形成的石墨化结构也越好，其导电性也就越好。综上所述，在火灾现场中温度越高、高温持续时间越长、木炭中石墨化程度也就越高，结构越完善，导电能力越强，电阻率越小，这就是我们测定火场中木炭的导电性能来分析火场温度分布、火势蔓延方向、起火部位和起火点的理论根据。3.木材炭化导电性的影响因素木材的导电性与其受热温度、受热时间等关系密切，存在本质上的必然联系。3.1木材受热温度对木炭导电性能的影响由表1（科研工作者实验数据）可以看出，各种木炭的电阻值与木材的受热温度有着密切的关系，当木材受热温度升高时，木炭的电阻降低，导电性增强，尤其是400℃～800℃之间变化更大，800℃以后变化趋缓。由表1还可以看出各种木炭电阻随热温度变化非常接近，说明各种木材在火灾中所生成的木炭的导电性能与其受热温度之间的变化规律基本相同。表1：相同温度不同每种试样的电阻值试样温度℃450500550600650700750800850900槐木∞60MΩ2MΩ1MΩ60kΩ2kΩ42Ω14Ω8Ω5Ω红松∞100MΩ50MΩ400kΩ6kΩ180Ω42Ω14Ω8Ω5Ω桦木400MΩ40MΩ7MΩ2MΩ500kΩ1kΩ110Ω20Ω8Ω5Ω杨木400MΩ40MΩ9MΩ1.7MΩ2kΩ300Ω100Ω12Ω8Ω5Ω白松

∞70MΩ30MΩ700kΩ160kΩ2kΩ50Ω12Ω8Ω5Ω3.2木材受热时间对木炭导电性能的影响由表2可以看出，在同一温度下加热木材，木材受热时间越长，生成的木炭的电阻越小，其导电性越强。这是由于一方面木材炭化需要一定的时间，另一方面无定形的碳在高温下转化为石墨化结构的过程也需要一定时间。所以，受热时间越长，游离态碳含量和石墨化结构碳的含量越高，其导电性就会越好。从表2可以看出，木炭的导电性受加热温度影响越大，而受加热时间影响较小，所以，在火灾现场测定木炭的电阻值主要表示它受热温度的高低，在一定程度上表示它受热时间的长短。表2：不同温度不同时间下每种试样的电阻值试样时间min温度℃500600700800900槐木560MΩ1MΩ2kΩ14Ω5Ω151.5MΩ30kΩ80Ω7Ω3Ω250.5MΩ20kΩ40Ω5Ω3Ω35420MΩ11kΩ28Ω5Ω3

Ω红松5100MΩ400kΩ180Ω14Ω5Ω1515MΩ90kΩ110Ω6Ω3Ω252MΩ3kΩ40Ω4Ω3Ω3530MΩ1.5kΩ20Ω4Ω3Ω桦木540MΩ2MΩ1kΩ20Ω5Ω159MΩ200kΩ350Ω8Ω3Ω257MΩ15kΩ49Ω5Ω3Ω352MΩ4kΩ40Ω5Ω3Ω杨木540MΩ1.7MΩ300Ω12Ω5Ω1530MΩ80kΩ65Ω7Ω4Ω258MΩ2kΩ25Ω5Ω3Ω351MΩ1kΩ25Ω5Ω3Ω白松570MΩ700kΩ2kΩ12Ω5Ω158MΩ100kΩ200Ω6Ω3Ω256MΩ60kΩ140Ω6Ω3Ω350.3MΩ25kΩ50Ω6Ω3

Ω3.3电弧灼烧木炭的导电性电弧温度可以达3000℃以上，在科研工作者某次试验中多次测量电弧灼烧木炭的电阻值都小于2Ω，这是由于在高温下，无定形的碳绝大多数转变为石墨化结构，其电阻率比火烧木炭的电阻率小的多。而火灾现场的温度一般低于1500℃，所以在火灾条件下形成木炭的石墨化程度要低于电弧灼烧木炭。因此，可利用电弧灼烧木炭电阻率特别小的特征，在火灾现场勘查中寻找电弧灼烧痕迹，为认定起火点和起火原因提供证据和线索。3.4试验与火灾现场的差异上述木炭电阻的数据是科研工作者实验室测定的实验结果，与火灾现场形成的木炭存在一定的差异。在制备木炭试样时，试验条件控制严格，试样在恒温的电炉中加热，加热时间一定，升温迅速，木炭出炉后降温比较快，所以试验结果比较准确。但是火灾现场中的木材被加热燃烧时，木材的受热温度和受热时间是随时变化的，受很多现场不定因素的影响，如风速风向、保温条件、降温速率、浸水等。其中，含水的木炭与不含水时相比，测得的电阻值偏大，但引起的数据误差不大，可以认为忽略不计。所以，在火灾现场勘查时测定的木炭电阻值不能完全代表它的受热温度的高低和受热时间的长短，只是带有普遍性，在实际应用时应考虑到这些因素的影响，防止出现错误判断。4.木材炭化导电性测量木材炭化导电性测量一般采用兆欧表、欧姆计、万用电流表等进行现场实地测量，测量时应该选用合适的测量工具和量程，电阻大的可以采用兆欧表测量，电阻小的可以采用万用电流表测量，这样可以测得比较精确的电阻值。测量时应该尽量选择比较干燥、表面保持原始状态的木材炭块，不以一个点的测量数据为判断依据，而应该以一定范围内的数据为判断依据。特别注意的是同一个火灾现场勘查只能采用同一种测量方法，这样测得的数据才有可比性。如在同一个火灾现场勘查采用多种测量方法，测得的数据容易造成人为偏差，不利于数据采集比对，影响对火灾现场勘查方向的总体判断。4.1管测法用玻璃片轻轻刮取木材炭块表层的炭粉，装入内径2-3MM、长30-40MM的玻璃管内，用比玻璃管内径稍细的端头整齐的玻璃棒压实至10MM，用测量工具两个笔尖分别与玻璃管两端的炭粉表面接触测量，读取数据。每次测量均应采用相同压力压实炭粉，防止测得的数据出现偏差。此方法适用于木材炭块细碎的火灾现场。4.2直测法将测量工具两个笔尖保持10MM间距，直接测量木材炭块表面，读取数据。每次测量均应采用相同压力接触木材炭块表面的同向木材纹理，防止测得的数据出现偏差。此方法适用于木材炭块表面完整的火灾现场。5.在火灾现场调查中的实际应用根据木材受热温度越高、受热时间越长形成的木炭电阻值越小的原理，在火灾现场勘查时可以测定火场中木炭的电阻值，根据该电阻值估算出被测定处木材的受热温度和受热