安全文化網(wǎng) www.zltai.com 摘 要：本文詳細(xì)闡明了木材炭化后的導(dǎo)電性能與它受熱溫度和受熱時(shí)間的關(guān)系以及木材受熱溫度越高、受熱時(shí)間越長(zhǎng)木炭的導(dǎo)電性能越好的規(guī)律，通過(guò)火場(chǎng)勘查實(shí)例為火災(zāi)調(diào)查人員提供一種通過(guò)測(cè)定火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)殘留木炭的導(dǎo)電性來(lái)分析火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)溫度分布情況，從而判定火勢(shì)蔓延方向、起火部位、起火點(diǎn)及火災(zāi)原因的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查方法。 關(guān)鍵詞： 木材 炭化痕跡 導(dǎo)電性 火場(chǎng)勘查 　　火災(zāi)痕跡包括煙熏痕跡、木材炭化痕跡、液體燃燒痕跡、倒塌痕跡、灰燼、玻璃破壞痕跡、短路痕跡、雷擊痕跡等十七種，其中木材炭化痕跡由于普遍存在于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中，因此加強(qiáng)木材炭化痕跡研究及應(yīng)用對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查具有相當(dāng)重要的作用。 　　1.木材屬性 　　木材是常用的建筑材料與家具制造材料。木材是許多物質(zhì)的合成物，其組成主要是纖維素，木質(zhì)素及少量糖、脂和無(wú)機(jī)成分。構(gòu)成木材的元素主要有碳、氫、氧，還有少量的氮和其它元素。干燥木材主要元素的百分比為：碳50、氫6.2、氧43；含水率為13%的木材各元素的百分比為：碳43.5、氫5.2、氧38.3。木材的平均容重為500公斤/米3，不同品種木材容重從400~900公斤/米3不等，木材的容重對(duì)燃燒特性和炭化痕跡有重要影響。隨著木材容重增加，其閃點(diǎn)、自燃點(diǎn)增高；燃燒速度、炭化率減小，炭化裂紋隨之變得密小。但是木材以上固有性質(zhì)對(duì)木材炭化后的導(dǎo)電性能影響不是很大，所以木材炭化導(dǎo)電性及其在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查中的應(yīng)用具有重要意義。 　　對(duì)于殘留有較多木炭的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，勘查時(shí)我們以測(cè)定木炭的導(dǎo)電性能，利用導(dǎo)電性能分析火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)溫度分布狀況、判定火勢(shì)蔓延方向、起火部位和起火點(diǎn)，甚至是火災(zāi)原因。 　　2.基本原理及導(dǎo)電性變化規(guī)律 　　正常木材在干燥的情況下是電的不良導(dǎo)體，其電阻率為1010Ω•㎝～1014Ω•㎝，而當(dāng)它受到高溫、明火和電弧等火源的作用后卻發(fā)生了質(zhì)的變化，電阻率變?yōu)閹兹f(wàn)、幾千、幾百歐姆厘米，有的變?yōu)閹讱W姆厘米，甚至更小。發(fā)生這種變化的根本原因是木材燃燒和炭化的過(guò)程中，由于其受熱溫度和受熱時(shí)間的不同，木炭的碳原子排列發(fā)生變化的結(jié)果。 　　在火災(zāi)中，木材受到熱的作用后，首先發(fā)生熱分解，進(jìn)而發(fā)生炭化，在木炭的生成過(guò)程中碳原子在空間重新排列，形成了無(wú)定形的炭。實(shí)際上無(wú)定形的炭仍具有石墨一樣的層狀晶體結(jié)構(gòu)，只是晶粒非常小，而且在晶粒中碳原子構(gòu)成的六角環(huán)片層無(wú)規(guī)則地重疊。無(wú)定形木炭的晶粒中碳原子在高溫下獲取了能量，劇烈地振動(dòng)，獲取能量多的原子甚至能擺脫六角環(huán)片層內(nèi)共價(jià)鍵的束縛，自同地高速運(yùn)動(dòng)，這些劇烈運(yùn)動(dòng)的碳原子碰撞到其它的六角環(huán)片層時(shí)，可能與其形成新的更大的六角環(huán)片層，釋放出能量，形成隱定的體系，使晶粒長(zhǎng)大；另一方面在晶粒長(zhǎng)大的過(guò)程中，大的晶粒也能吞并小的晶粒，會(huì)使其長(zhǎng)的更大。在高溫下微小晶粒內(nèi)無(wú)序重疊的碳原子六角環(huán)片層能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g有序重疊，即轉(zhuǎn)變?yōu)槭�墨化晶體結(jié)構(gòu)。所以，火場(chǎng)溫度越高，高溫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，木炭的晶粒長(zhǎng)得越大，晶粒內(nèi)六角環(huán)片層增長(zhǎng)得越大，六角環(huán)片層有序重疊的程度越好，這樣形成的石墨化結(jié)構(gòu)也越好，其導(dǎo)電性也就越好。 　　綜上所述，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中溫度越高、高溫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)、木炭中石墨化程度也就越高，結(jié)構(gòu)越完善，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，電阻率越小，這就是我們測(cè)定火場(chǎng)中木炭的導(dǎo)電性能來(lái)分析火場(chǎng)溫度分布、火勢(shì)蔓延方向、起火部位和起火點(diǎn)的理論根據(jù)。 　　3.木材炭化導(dǎo)電性的影響因素 　　木材的導(dǎo)電性與其受熱溫度、受熱時(shí)間等關(guān)系密切，存在本質(zhì)上的必然聯(lián)系。 　　3.1木材受熱溫度對(duì)木炭導(dǎo)電性能的影響 　　由表1（科研工作者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）可以看出，各種木炭的電阻值與木材的受熱溫度有著密切的關(guān)系，當(dāng)木材受熱溫度升高時(shí)，木炭的電阻降低，導(dǎo)電性增強(qiáng)，尤其是400℃～800℃之間變化更大，800℃以后變化趨緩。 　　由表1還可以看出各種木炭電阻隨熱溫度變化非常接近，說(shuō)明各種木材在火災(zāi)中所生成的木炭的導(dǎo)電性能與其受熱溫度之間的變化規(guī)律基本相同。 　　表1：相同溫度不同每種試樣的電阻值 試樣溫 度 ℃ 450500550600650700750800850900 槐木∞60MΩ2MΩ1MΩ60kΩ2kΩ42Ω14Ω8Ω5Ω 紅松∞100MΩ50MΩ400kΩ6kΩ180Ω42Ω14Ω8Ω5Ω 樺木400MΩ40MΩ7MΩ2MΩ500kΩ1kΩ110Ω20Ω8Ω5Ω 楊木400MΩ40MΩ9MΩ1.7MΩ2kΩ300Ω100Ω12Ω8Ω5Ω 白松∞70MΩ30MΩ700kΩ160kΩ2kΩ50Ω12Ω8Ω5Ω 　　3.2 木材受熱時(shí)間對(duì)木炭導(dǎo)電性能的影響 　　由表2可以看出，在同一溫度下加熱木材，木材受熱時(shí)間越長(zhǎng)，生成的木炭的電阻越小，其導(dǎo)電性越強(qiáng)。這是由于一方面木材炭化需要一定的時(shí)間，另一方面無(wú)定形的碳在高溫下轉(zhuǎn)化為石墨化結(jié)構(gòu)的過(guò)程也需要一定時(shí)間。所以，受熱時(shí)間越長(zhǎng)，游離態(tài)碳含量和石墨化結(jié)構(gòu)碳的含量越高，其導(dǎo)電性就會(huì)越好。從表2可以看出，木炭的導(dǎo)電性受加熱溫度影響越大，而受加熱時(shí)間影響較小，所以，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定木炭的電阻值主要表示它受熱溫度的高低，在一定程度上表示它受熱時(shí)間的長(zhǎng)短。 　　表2：不同溫度不同時(shí)間下每種試樣的電阻值 試樣時(shí)間min溫 度 ℃ 500600700800900 槐木560MΩ1 MΩ2 kΩ14Ω5Ω 151.5 MΩ30kΩ80Ω7Ω3Ω 250.5 MΩ20 kΩ40Ω5Ω3Ω 35420 MΩ11 kΩ28Ω5Ω3Ω 紅松5100 MΩ400 kΩ180Ω14Ω5Ω 1515 MΩ90 kΩ110Ω6Ω3Ω 252 MΩ3 kΩ40Ω4Ω3Ω 3530 MΩ1.5 kΩ20Ω4Ω3Ω 樺 木540 MΩ2 MΩ1kΩ20Ω5Ω 159 MΩ200 kΩ350Ω8Ω3Ω 257 MΩ15 kΩ49Ω5Ω3Ω 352 MΩ4 kΩ40Ω5Ω3Ω 楊木540 MΩ1.7 MΩ300Ω12Ω5Ω 1530 MΩ80 kΩ65Ω7Ω4Ω 258 MΩ2 kΩ25Ω5Ω3Ω 351 MΩ1 kΩ25Ω5Ω3Ω 白松570 MΩ700 kΩ2 kΩ12Ω5Ω 158 MΩ100 kΩ200Ω6Ω3Ω 256 MΩ60 kΩ140Ω6Ω3Ω 350.3 MΩ25 kΩ50Ω6Ω3Ω 　　3.3電弧灼燒木炭的導(dǎo)電性 　　電弧溫度可以達(dá)3000℃以上，在科研工作者某次試驗(yàn)中多次測(cè)量電弧灼燒木炭的電阻值都小于2Ω，這是由于在高溫下，無(wú)定形的碳絕大多數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槭�墨化結(jié)構(gòu)，其電阻率比火燒木炭的電阻率小的多。而火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度一般低于1500℃，所以在火災(zāi)條件下形成木炭的石墨化程度要低于電弧灼燒木炭。因此，可利用電弧灼燒木炭電阻率特別小的特征，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查中尋找電弧灼燒痕跡，為認(rèn)定起火點(diǎn)和起火原因提供證據(jù)和線(xiàn)索。 　　3.4試驗(yàn)與火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的差異 　　上述木炭電阻的數(shù)據(jù)是科研工作者實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)形成的木炭存在一定的差異。在制備木炭試樣時(shí)，試驗(yàn)條件控制嚴(yán)格，試樣在恒溫的電爐中加熱，加熱時(shí)間一定，升溫迅速，木炭出爐后降溫比較快，所以試驗(yàn)結(jié)果比較準(zhǔn)確。但是火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中的木材被加熱燃燒時(shí)，木材的受熱溫度和受熱時(shí)間是隨時(shí)變化的，受很多現(xiàn)場(chǎng)不定因素的影響，如風(fēng)速風(fēng)向、保溫條件、降溫速率、浸水等。其中，含水的木炭與不含水時(shí)相比，測(cè)得的電阻值偏大，但引起的數(shù)據(jù)誤差不大，可以認(rèn)為忽略不計(jì)。所以，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)測(cè)定的木炭電阻值不能完全代表它的受熱溫度的高低和受熱時(shí)間的長(zhǎng)短，只是帶有普遍性，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮到這些因素的影響，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷。 　　4.木材炭化導(dǎo)電性測(cè)量 　　木材炭化導(dǎo)電性測(cè)量一般采用兆歐表、歐姆計(jì)、萬(wàn)用電流表等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量，測(cè)量時(shí)應(yīng)該選用合適的測(cè)量工具和量程，電阻大的可以采用兆歐表測(cè)量，電阻小的可以采用萬(wàn)用電流表測(cè)量，這樣可以測(cè)得比較精確的電阻值。測(cè)量時(shí)應(yīng)該盡量選擇比較干燥、表面保持原始狀態(tài)的木材炭塊，不以一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)為判斷依據(jù)，而應(yīng)該以一定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)為判斷依據(jù)。特別注意的是同一個(gè)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查只能采用同一種測(cè)量方法，這樣測(cè)得的數(shù)據(jù)才有可比性。如在同一個(gè)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查采用多種測(cè)量方法，測(cè)得的數(shù)據(jù)容易造成人為偏差，不利于數(shù)據(jù)采集比對(duì)，影響對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查方向的總體判斷。 　　4.1管測(cè)法 　　用玻璃片輕輕刮取木材炭塊表層的炭粉，裝入內(nèi)徑2-3MM、長(zhǎng)30-40MM的玻璃管內(nèi)，用比玻璃管內(nèi)徑稍細(xì)的端頭整齊的玻璃棒壓實(shí)至10MM，用測(cè)量工具兩個(gè)筆尖分別與玻璃管兩端的炭粉表面接觸測(cè)量，讀取數(shù)據(jù)。每次測(cè)量均應(yīng)采用相同壓力壓實(shí)炭粉，防止測(cè)得的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。此方法適用于木材炭塊細(xì)碎的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。 　　4.2直測(cè)法 　　將測(cè)量工具兩個(gè)筆尖保持10MM間距，直接測(cè)量木材炭塊表面，讀取數(shù)據(jù)。每次測(cè)量均應(yīng)采用相同壓力接觸木材炭塊表面的同向木材紋理，防止測(cè)得的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。此方法適用于木材炭塊表面完整的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。 　　5.在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中的實(shí)際應(yīng)用 　　根據(jù)木材受熱溫度越高、受熱時(shí)間越長(zhǎng)形成的木炭電阻值越小的原理，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)可以測(cè)定火場(chǎng)中木炭的電阻值，根據(jù)該電阻值估算出被測(cè)定處木材的受熱溫度和受熱時(shí)間，也可以直接用電阻值相對(duì)地表示被測(cè)定處木材的受熱溫度和受熱時(shí)間。在實(shí)際火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查中，可將現(xiàn)場(chǎng)劃分為比較密集的網(wǎng)格，在每一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)測(cè)定一塊木炭的電阻值，劃出現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)格圖，在每個(gè)格子中填上電阻測(cè)定值（該值代表此處受熱溫度高低和受熱時(shí)間長(zhǎng)短），根據(jù)火場(chǎng)火勢(shì)從高溫處向低溫處蔓延、起火點(diǎn)處燃燒時(shí)間最長(zhǎng)和火場(chǎng)溫度最高的規(guī)律，分析火場(chǎng)溫度分布狀況，判定火勢(shì)蔓延方向、起火部位和起火點(diǎn)的位置；也可以測(cè)定某一方向上若干塊木炭的電阻值，根據(jù)電阻值大小的順序，分析火勢(shì)判定火災(zāi)傳播方向；用這種方法還可以測(cè)定火場(chǎng)中單個(gè)木制品不同側(cè)面炭化層的電阻，電阻值低的一面一般為迎火面，以此為依據(jù)判定火勢(shì)蔓延方向；若懷疑配電箱的木箱體、電器的底板外殼、與電線(xiàn)電器接觸的木材上的炭化坑是由于短路電弧、漏電電弧或開(kāi)關(guān)工作電弧造成的，可以測(cè)定炭化坑及其附近木炭的電阻值，結(jié)合其它證據(jù)和線(xiàn)索，分析判定起火點(diǎn)和起火原因。 　　直測(cè)法確定起火點(diǎn)應(yīng)用實(shí)例：1999年12月7日，西豐縣盛發(fā)木材制品有限公司發(fā)生火災(zāi)，燒毀廠房207平方米、成品及半成品木材40立方米、生產(chǎn)機(jī)械3臺(tái)，火災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失8.7萬(wàn)元。由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)完好，未經(jīng)破壞，均勻存在大量木材炭塊，在實(shí)際勘查中采用了直測(cè)法測(cè)量木材炭塊電阻，測(cè)量結(jié)果表明：在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)中心鐵皮火爐50CM范圍內(nèi)的木材炭塊電阻值在9Ω-18Ω之間，外圍木材炭塊電阻值在60Ω-20MΩ不等，以鐵皮火爐為中心呈放射狀，遠(yuǎn)離火爐電阻變大。詢(xún)問(wèn)證實(shí)：生產(chǎn)期間火爐處于燃燒狀態(tài)。證明起火點(diǎn)即為火爐四周，火災(zāi)直接原因?yàn)殍F皮火爐熾熱表面引燃地面鋸末，造成火災(zāi)。 　　管測(cè)法確定起火部位應(yīng)用實(shí)例：2004年5月14日，銀州區(qū)龍山鄉(xiāng)一幢三級(jí)耐火等級(jí)村民住宅發(fā)生火災(zāi)，燒毀民房12間及大量家用電器、日用生活品，火災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失9萬(wàn)余元，共有4戶(hù)受災(zāi)。由于當(dāng)日風(fēng)力為5級(jí)，且火災(zāi)發(fā)現(xiàn)較晚，距離消防站路途較遠(yuǎn)，撲救不及時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)過(guò)火特別嚴(yán)重，木材炭塊細(xì)小。由于現(xiàn)場(chǎng)的特殊情況，在實(shí)際勘查中采用了管測(cè)法測(cè)量木材炭塊電阻，測(cè)量結(jié)果表明：在起火建筑東側(cè)第二戶(hù)王某家廚房處木制屋架炭塊電阻值在48Ω-88Ω之間，外圍木材炭塊電阻值在190Ω-27MΩ不等，結(jié)合房屋倒塌等其它痕跡確定起火部位為王某家廚房。在進(jìn)一步的細(xì)項(xiàng)勘查和專(zhuān)項(xiàng)勘查中，發(fā)現(xiàn)王某家廚房東側(cè)櫥柜殘骸下方一電爐子。王某供認(rèn)違法使用電爐子偷電的事實(shí)。 　　直測(cè)法確定火災(zāi)原因應(yīng)用實(shí)例：1997年4月28日，西豐縣成平鄉(xiāng)鳳樓村發(fā)生連營(yíng)火災(zāi)，燒毀民房8間、秫秸14垛、牲畜6匹、家禽300余只，火災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失6萬(wàn)余元，共造成14戶(hù)受災(zāi)。火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘查中確定首先起火的秫秸垛后，在該秫秸垛四周15米范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)6塊高度炭化的電木殘塊，上風(fēng)向30米處一臺(tái)式變壓器跌落式開(kāi)關(guān)動(dòng)作，電木僅殘留6.4CM，且高度炭化。經(jīng)比對(duì)，首先起火秫秸垛四周的6塊高度炭化電木與變壓器電木吻合，具有同一性。在對(duì)所有7塊電木炭化殘塊內(nèi)側(cè)進(jìn)行直測(cè)法電阻測(cè)量時(shí)，電阻值均在1.0Ω-1.6Ω之間，直接證明火災(zāi)原因?yàn)樽儔浩鞯�落式開(kāi)關(guān)爆斷，高溫電弧引燃電木，燃燒的電木隨風(fēng)飄落到下風(fēng)向30米的秫秸堆垛，引燃秫秸，造成連營(yíng)火災(zāi)。 　　6.結(jié)束語(yǔ) 　　在火災(zāi)中木材的受熱溫度越高，生成木炭的晶粒石墨化程度越高，導(dǎo)電性越好；在同一加熱溫度下受熱時(shí)間越長(zhǎng)，生成木炭的晶粒石墨化程度越高，導(dǎo)電性越好。但是溫度對(duì)木炭導(dǎo)電性的影響要比加熱時(shí)間的影響大得多，因此木炭導(dǎo)電性主要代表的是其受熱溫度。在電弧的作用下生成的木炭，無(wú)定形的碳幾乎全部變?yōu)槭�墨化晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電性要比火災(zāi)條件下形成的木炭好的多。利用測(cè)定火場(chǎng)木炭電阻的方法，可以為分析火場(chǎng)溫度分布狀況，判定火勢(shì)蔓延方向、起火部位和起火點(diǎn)提供證據(jù)和線(xiàn)索，在火災(zāi)調(diào)查中有著重要的實(shí)用價(jià)值。但是。火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)是復(fù)雜多變的，在實(shí)際工作中應(yīng)該與其它火災(zāi)證據(jù)配合使用，相互驗(yàn)證，當(dāng)所有結(jié)果一致時(shí)，所判定的起火部位、起火地點(diǎn)、火災(zāi)原因的準(zhǔn)確性就越高。 安全文化網(wǎng) www.zltai.com