木材炭化痕迹的导电性能与其受热温度和受热时间关系在火场勘查中的实际应用

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∞70MΩ30MΩ700kΩ160kΩ2kΩ50Ω12Ω8Ω5Ω 　　3.2 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560MΩ1 MΩ2 kΩ14Ω5Ω 151.5 MΩ30kΩ80Ω7Ω3Ω 250.5 MΩ20 kΩ40Ω5Ω3Ω 35420 MΩ11 kΩ28Ω5Ω3Ω 红松5100 MΩ400 kΩ180Ω14Ω5Ω 1515 MΩ90 kΩ110Ω6Ω3Ω 252 MΩ3 kΩ40Ω4Ω3Ω 3530 MΩ1.5 kΩ20Ω4Ω3Ω 桦 木540 MΩ2 MΩ1kΩ20Ω5Ω 159 MΩ200 kΩ350Ω8Ω3Ω 257 MΩ15 kΩ49Ω5Ω3Ω 352 MΩ4 kΩ40Ω5Ω3Ω 杨木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时间，也可以直接用电阻值相对地表示被测定处木材的受热温度和受热时间。在实际火灾现场勘查中，可将现场划分为比较密集的网格，在每一个网格内测定一块木炭的电阻值，划出现场网格图，在每个格子中填上电阻测定值（该值代表此处受热温度高低和受热时间长短），根据火场火势从高温处向低温处蔓延、起火点处燃烧时间最长和火场温度最高的规律，分析火场温度分布状况，判定火势蔓延方向、起火部位和起火点的位置；也可以测定某一方向上若干块木炭的电阻值，根据电阻值大小的顺序，分析火势判定火灾传播方向；用这种方法还可以测定火场中单个木制品不同侧面炭化层的电阻，电阻值低的一面一般为迎火面，以此为依据判定火势蔓延方向；若怀疑配电箱的木箱体、电器的底板外壳、与电线电器接触的木材上的炭化坑是由于短路电弧、漏电电弧或开关工作电弧造成的，可以测定炭化坑及其附近木炭的电阻值，结合其它证据和线索，分析判定起火点和起火原因。 　　直测法确定起火点应用实例：1999年12月7日，西丰县盛发木材制品有限公司发生火灾，烧毁厂房207平方米、成品及半成品木材40立方米、生产机械3台，火灾直接经济损失8.7万元。由于火灾现场完好，未经破坏，均匀存在大量木材炭块，在实际勘查中采用了直测法测量木材炭块电阻，测量结果表明：在火灾现场中心铁皮火炉50CM范围内的木材炭块电阻值在9Ω-18Ω之间，外围木材炭块电阻值在60Ω-20MΩ不等，以铁皮火炉为中心呈放射状，远离火炉电阻变大。询问证实：生产期间火炉处于燃烧状态。证明起火点即为火炉四周，火灾直接原因为铁皮火炉炽热表面引燃地面锯末，造成火灾。 　　管测法确定起火部位应用实例：2004年5月14日，银州区龙山乡一幢三级耐火等级村民住宅发生火灾，烧毁民房12间及大量家用电器、日用生活品，火灾直接经济损失9万余元，共有4户受灾。由于当日风力为5级，且火灾发现较晚，距离消防站路途较远，扑救不及时，现场过火特别严重，木材炭块细小。由于现场的特殊情况，在实际勘查中采用了管测法测量木材炭块电阻，测量结果表明：在起火建筑东侧第二户王某家厨房处木制屋架炭块电阻值在48Ω-88Ω之间，外围木材炭块电阻值在190Ω-27MΩ不等，结合房屋倒塌等其它痕迹确定起火部位为王某家厨房。在进一步的细项勘查和专项勘查中，发现王某家厨房东侧橱柜残骸下方一电炉子。王某供认违法使用电炉子偷电的事实。 　　直测法确定火灾原因应用实例：1997年4月28日，西丰县成平乡凤楼村发生连营火灾，烧毁民房8间、秫秸14垛、牲畜6匹、家禽300余只，火灾直接经济损失6万余元，共造成14户受灾。火灾现场勘查中确定首先起火的秫秸垛后，在该秫秸垛四周15米范围内发现6块高度炭化的电木残块，上风向30米处一台式变压器跌落式开关动作，电木仅残留6.4CM，且高度炭化。经比对，首先起火秫秸垛四周的6块高度炭化电木与变压器电木吻合，具有同一性。在对所有7块电木炭化残块内侧进行直测法电阻测量时，电阻值均在1.0Ω-1.6Ω之间，直接证明火灾原因为变压器跌落式开关爆断，高温电弧引燃电木，燃烧的电木随风飘落到下风向30米的秫秸堆垛，引燃秫秸，造成连营火灾。 　　6.结束语 　　在火灾中木材的受热温度越高，生成木炭的晶粒石墨化程度越高，导电性越好；在同一加热温度下受热时间越长，生成木炭的晶粒石墨化程度越高，导电性越好。但是温度对木炭导电性的影响要比加热时间的影响大得多，因此木炭导电性主要代表的是其受热温度。在电弧的作用下生成的木炭，无定形的碳几乎全部变为石墨化晶体结构，导电性要比火灾条件下形成的木炭好的多。利用测定火场木炭电阻的方法，可以为分析火场温度分布状况，判定火势蔓延方向、起火部位和起火点提供证据和线索，在火灾调查中有着重要的实用价值。但是。火灾现场是复杂多变的，在实际工作中应该与其它火灾证据配合使用，相互验证，当所有结果一致时，所判定的起火部位、起火地点、火灾原因的准确性就越高。