摘 要：本文詳細闡明了木材炭化后的導電性能與它受熱溫度和受熱時間的關系以及木材受熱溫度越高、受熱時間越長木炭的導電性能越好的規律，通過火場勘查實例為火災調查人員提供一種通過測定火災現場殘留木炭的導電性來分析火災現場溫度分布情況，從而判定火勢蔓延方向、起火部位、起火點及火災原因的火災現場勘查方法。 關鍵詞： 木材 炭化痕跡 導電性 火場勘查 　　火災痕跡包括煙熏痕跡、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現場中，因此加強木材炭化痕跡研究及應用對火災現場勘查具有相當重要的作用。 　　1.木材屬性 　　木材是常用的建筑材料與家具制造材料。木材是許多物質的合成物，其組成主要是纖維素，木質素及少量糖、脂和無機成分。構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、自燃點增高；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對木材炭化后的導電性能影響不是很大，所以木材炭化導電性及其在火災現場勘查中的應用具有重要意義。 　　對于殘留有較多木炭的火災現場，勘查時我們以測定木炭的導電性能，利用導電性能分析火災現場溫度分布狀況、判定火勢蔓延方向、起火部位和起火點，甚至是火災原因。 　　2.基本原理及導電性變化規律 　　正常木材在干燥的情況下是電的不良導體，其電阻率為1010Ω•㎝～1014Ω•㎝，而當它受到高溫、明火和電弧等火源的作用后卻發生了質的變化，電阻率變為幾萬、幾千、幾百歐姆厘米，有的變為幾歐姆厘米，甚至更小。發生這種變化的根本原因是木材燃燒和炭化的過程中，由于其受熱溫度和受熱時間的不同，木炭的碳原子排列發生變化的結果。 　　在火災中，木材受到熱的作用后，首先發生熱分解，進而發生炭化，在木炭的生成過程中碳原子在空間重新排列，形成了無定形的炭。實際上無定形的炭仍具有石墨一樣的層狀晶體結構，只是晶粒非常小，而且在晶粒中碳原子構成的六角環片層無規則地重疊。無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，獲取能量多的原子甚至能擺脫六角環片層內共價鍵的束縛，自同地高速運動，這些劇烈運動的碳原子碰撞到其它的六角環片層時，可能與其形成新的更大的六角環片層，釋放出能量，形成隱定的體系，使晶粒長大；另一方面在晶粒長大的過程中，大的晶粒也能吞并小的晶粒，會使其長的更大。在高溫下微小晶粒內無序重疊的碳原子六角環片層能夠轉變為空間有序重疊，即轉變為石墨化晶體結構。所以，火場溫度越高，高溫持續時間越長，木炭的晶粒長得越大，晶粒內六角環片層增長得越大，六角環片層有序重疊的程度越好，這樣形成的石墨化結構也越好，其導電性也就越好。 　　綜上所述，在火災現場中溫度越高、高溫持續時間越長、木炭中石墨化程度也就越高，結構越完善，導電能力越強，電阻率越小，這就是我們測定火場中木炭的導電性能來分析火場溫度分布、火勢蔓延方向、起火部位和起火點的理論根據。 　　3.木材炭化導電性的影響因素 　　木材的導電性與其受熱溫度、受熱時間等關系密切，存在本質上的必然聯系。 　　3.1木材受熱溫度對木炭導電性能的影響 　　由表1（科研工作者實驗數據）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系，當木材受熱溫度升高時，木炭的電阻降低，導電性增強，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，說明各種木材在火災中所生成的木炭的導電性能與其受熱溫度之間的變化規律基本相同。 　　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 木材受熱時間對木炭導電性能的影響 　　由表2可以看出，在同一溫度下加熱木材，木材受熱時間越長，生成的木炭的電阻越小，其導電性越強。這是由于一方面木材炭化需要一定的時間，另一方面無定形的碳在高溫下轉化為石墨化結構的過程也需要一定時間。所以，受熱時間越長，游離態碳含量和石墨化結構碳的含量越高，其導電性就會越好。從表2可以看出，木炭的導電性受加熱溫度影響越大，而受加熱時間影響較小，所以，在火災現場測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間的長短。 　　表2：不同溫度不同時間下每種試樣的電阻值 試樣時間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電弧灼燒木炭的導電性 　　電弧溫度可以達3000℃以上，在科研工作者某次試驗中多次測量電弧灼燒木炭的電阻值都小于2Ω，這是由于在高溫下，無定形的碳絕大多數轉變為石墨化結構，其電阻率比火燒木炭的電阻率小的多。而火災現場的溫度一般低于1500℃，所以在火災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，在火災現場勘查中尋找電弧灼燒痕跡，為認定起火點和起火原因提供證據和線索。 　　3.4試驗與火災現場的差異 　　上述木炭電阻的數據是科研工作者實驗室測定的實驗結果，與火災現場形成的木炭存在一定的差異。在制備木炭試樣時，試驗條件控制嚴格，試樣在恒溫的電爐中加熱，加熱時間一定，升溫迅速，木炭出爐后降溫比較快，所以試驗結果比較準確。但是火災現場中的木材被加熱燃燒時，木材的受熱溫度和受熱時間是隨時變化的，受很多現場不定因素的影響，如風速風向、保溫條件、降溫速率、浸水等。其中，含水的木炭與不含水時相比，測得的電阻值偏大，但引起的數據誤差不大，可以認為忽略不計。所以，在火災現場勘查時測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間的長短，只是帶有普遍性，在實際應用時應考慮到這些因素的影響，防止出現錯誤判斷。 　　4.木材炭化導電性測量 　　木材炭化導電性測量一般采用兆歐表、歐姆計、萬用電流表等進行現場實地測量，測量時應該選用合適的測量工具和量程，電阻大的可以采用兆歐表測量，電阻小的可以采用萬用電流表測量，這樣可以測得比較精確的電阻值。測量時應該盡量選擇比較干燥、表面保持原始狀態的木材炭塊，不以一個點的測量數據為判斷依據，而應該以一定范圍內的數據為判斷依據。特別注意的是同一個火災現場勘查只能采用同一種測量方法，這樣測得的數據才有可比性。如在同一個火災現場勘查采用多種測量方法，測得的數據容易造成人為偏差，不利于數據采集比對，影響對火災現場勘查方向的總體判斷。 　　4.1管測法 　　用玻璃片輕輕刮取木材炭塊表層的炭粉，裝入內徑2-3MM、長30-40MM的玻璃管內，用比玻璃管內徑稍細的端頭整齊的玻璃棒壓實至10MM，用測量工具兩個筆尖分別與玻璃管兩端的炭粉表面接觸測量，讀取數據。每次測量均應采用相同壓力壓實炭粉，防止測得的數據出現偏差。此方法適用于木材炭塊細碎的火災現場。 　　4.2直測法 　　將測量工具兩個筆尖保持10MM間距，直接測量木材炭塊表面，讀取數據。每次測量均應采用相同壓力接觸木材炭塊表面的同向木材紋理，防止測得的數據出現偏差。此方法適用于木材炭塊表面完整的火災現場。 　　5.在火災現場調查中的實際應用 　　根據木材受熱溫度越高、受熱時間越長形成的木炭電阻值越小的原理，在火災現場勘查時可以測定火場中木炭的電阻值，根據該電阻值估算出被測定處木材的受熱溫度和受熱時間，也可以直接用電阻值相對地表示被測定處木材的受熱溫度和受熱時間。在實際火災現場勘查中，可將現場劃分為比較密集的網格，在每一個網格內測定一塊木炭的電阻值，劃出現場網格圖，在每個格子中填上電阻測定值（該值代表此處受熱溫度高低和受熱時間長短），根據火場火勢從高溫處向低溫處蔓延、起火點處燃燒時間最長和火場溫度最高的規律，分析火場溫度分布狀況，判定火勢蔓延方向、起火部位和起火點的位置；也可以測定某一方向上若干塊木炭的電阻值，根據電阻值大小的順序，分析火勢判定火災傳播方向；用這種方法還可以測定火場中單個木制品不同側面炭化層的電阻，電阻值低的一面一般為迎火面，以此為依據判定火勢蔓延方向；若懷疑配電箱的木箱體、電器的底板外殼、與電線電器接觸的木材上的炭化坑是由于短路電弧、漏電電弧或開關工作電弧造成的，可以測定炭化坑及其附近木炭的電阻值，結合其它證據和線索，分析判定起火點和起火原因。 　　直測法確定起火點應用實例：1999年12月7日，西豐縣盛發木材制品有限公司發生火災，燒毀廠房207平方米、成品及半成品木材40立方米、生產機械3臺，火災直接經濟損失8.7萬元。由于火災現場完好，未經破壞，均勻存在大量木材炭塊，在實際勘查中采用了直測法測量木材炭塊電阻，測量結果表明：在火災現場中心鐵皮火爐50CM范圍內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，遠離火爐電阻變大。詢問證實：生產期間火爐處于燃燒狀態。證明起火點即為火爐四周，火災直接原因為鐵皮火爐熾熱表面引燃地面鋸末，造成火災。 　　管測法確定起火部位應用實例：2004年5月14日，銀州區龍山鄉一幢三級耐火等級村民住宅發生火災，燒毀民房12間及大量家用電器、日用生活品，火災直接經濟損失9萬余元，共有4戶受災。由于當日風力為5級，且火災發現較晚，距離消防站路途較遠，撲救不及時，現場過火特別嚴重，木材炭塊細小。由于現場的特殊情況，在實際勘查中采用了管測法測量木材炭塊電阻，測量結果表明：在起火建筑東側第二戶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，結合房屋倒塌等其它痕跡確定起火部位為王某家廚房。在進一步的細項勘查和專項勘查中，發現王某家廚房東側櫥柜殘骸下方一電爐子。王某供認違法使用電爐子偷電的事實。 　　直測法確定火災原因應用實例：1997年4月28日，西豐縣成平鄉鳳樓村發生連營火災，燒毀民房8間、秫秸14垛、牲畜6匹、家禽300余只，火災直接經濟損失6萬余元，共造成14戶受災。火災現場勘查中確定首先起火的秫秸垛后，在該秫秸垛四周15米范圍內發現6塊高度炭化的電木殘塊，上風向30米處一臺式變壓器跌落式開關動作，電木僅殘留6.4CM，且高度炭化。經比對，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。在對所有7塊電木炭化殘塊內側進行直測法電阻測量時，電阻值均在1.0Ω-1.6Ω之間，直接證明火災原因為變壓器跌落式開關爆斷，高溫電弧引燃電木，燃燒的電木隨風飄落到下風向30米的秫秸堆垛，引燃秫秸，造成連營火災。 　　6.結束語 　　在火災中木材的受熱溫度越高，生成木炭的晶粒石墨化程度越高，導電性越好；在同一加熱溫度下受熱時間越長，生成木炭的晶粒石墨化程度越高，導電性越好。但是溫度對木炭導電性的影響要比加熱時間的影響大得多，因此木炭導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，無定形的碳幾乎全部變為石墨化晶體結構，導電性要比火災條件下形成的木炭好的多。利用測定火場木炭電阻的方法，可以為分析火場溫度分布狀況，判定火勢蔓延方向、起火部位和起火點提供證據和線索，在火災調查中有著重要的實用價值。但是。火災現場是復雜多變的，在實際工作中應該與其它火災證據配合使用，相互驗證，當所有結果一致時，所判定的起火部位、起火地點、火災原因的準確性就越高。