建筑物内的火场温度.ppt

建筑物内的火场温度，是建筑物内火场条件的 重要体现。 一、室内火灾温度的计算 室内火灾温度取决于室内可燃物的燃烧速度和 热损失情况，因此必须从分析着火房间内的热平衡入手， 通过建立房间内的热平衡方程计算确定。图6-1所示为充分 发展室内火灾。 图6-1 充分发展室内火灾的热平衡 由于在轰燃前火灾阶段室内的平均温度较低，故 这里的讨论将该阶段忽略，以t=0表示。火灾充分发展阶段 的开始。对图6-1所示的室内火灾，可按下式进行热平衡计 算： 一、室内火灾温度 的计算* 二、火场温度的判 断依据 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 qC qW qW qW qR qL (6-1) 式中，qC为室内的释热速率；qL为冷空气取代热 烟气所造成的热损失速率；qW为通过壁面（包括墙壁、顶 篷和地板）的热损失速率；qR为通过敞开通风口的辐射热 损失速率；qB为热量存贮在气相空间的速率(一般可以忽略 )。以上各q的单位为kW。 为了简化模型还要使用以下假设：(1) 燃烧是完 全的，且全部在室内进行；(2) 室内的温度始终是均匀的 ；(3) 室内所有内表面的传热系数都相同；(4) 流向及穿过 房间边界流出的热流按一维传热处理，就是说忽略墙角、 墙边等具体形状而将边界假设为具有一定厚度的板。 (一) 释热速率（qC） 假设充分发展火灾处于通风控制状态，即释热速 率可写为： (6-2) 式中，HC是可燃物的燃烧热，此处取为木材的 燃烧热（18.8MJ/kg）。并假设从t0时开始，qC将保持不 变，直到可燃物全部消耗为止。这样便忽略了木炭的燃烧 阶段，因为木炭燃烧与气相燃烧相比要缓慢得多。实际上 充分发展火灾阶段有时也存在燃料控制状态，因此使用上 式估计释热速率有可能偏高。 一、室内火灾温度 的计算* 二、火场温度的判 断依据 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 (二) 辐射热损失（qR） 根据斯蒂芬波尔茨曼定律，qR可由下式确定： (6-3) 式中，AW是通风口面积(m2)；Tg 和To分别是室内的 气相和环境温度(K)；F是室内气体的有效辐射率，它可由 下式计算： (6-4) 式中，XF是火焰厚度（m）；K是辐射系数(m-1)。彼 得森取值为K 1.1（m-1），它是由木垛火的试验数据得 出的。当Tg T0时，式（6-3）可简化为： (6-5) (三) 对流热损失（qL） 这种热损失按下式计算： (6-6) 式中，mF是烟气的流出速率。假设mF mair（即 忽略燃料挥发分的质量），则由川越邦雄的公式可知mF/ AWH1/2 近似为常数。若用表示之，上式可改为： (6-7) 一、室内火灾温度 的计算* 二、火场温度的判 断依据 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 (四) 壁面热损失（qW） 以导热形式经壁面传出的热通量应当用数值解法 求出。就是说把壁面分成若干薄层，对每一薄层可列出其 瞬态导热方程，然后求解它们组成的方程组以得出导热损 失速率，见图6-2。 图6-2 通过房间壁面的瞬态导热过程 设划分的总层数为n，每层的,厚度为X，则对于 壁面最里层可写出： (6-8) 一、室内火灾温度 的计算* 二、火场温度的判 断依据 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 12jn-1n T1 T2Tj Tn-1 Tn T0 设划分的总层数为n，每层的,厚度为X，则对于 壁面最里层可写出： 对于壁面内部的第j层有： (6-9) 对于壁面最外层有： (6-10) 式中，C和k都是温度的函数，由温度场确定；Ti 和Tu分别为壁面内表面和外表面的温度，它们分别用T1和 Tn代替。ri和ru分别为壁面内表面附近的换热系数，彼得森 按下式确定其值： (kW/m2K) (6-11) 一、室内火灾温度 的计算* 二、火场温度的判 断依据 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 式中，T为集总辐射率，即： (6- 12) (6- 13) 通过联 立求解方程（6-12）至（6-13），可得到 各层的温度，最后按下式计算qW。 (6- 14) 这样热 平衡方程（6-14）中的各项便都确定了 ，将它们全部代入该方程并重新整理可得： (6- 15) 一、室内火灾温度 的计算* 二、火场温度的判 断依据 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 Tg应当用数值积 分方法计算(例如龙格库塔法) ，T1的值仍需由Tg决定，通过在每一时间 步上进行几次迭 代计算就可得到它们的合适值。计算中把燃烧持续时间 定为mf / m，式中mf为火灾载荷，用千克当量木材表示；m 为质 量燃烧速率。当超过这 段时间 后便认为 qc等于零。 一、室内火灾温度 的计算* 二、火场温度的判 断依据 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 二、火场温度的判断依据 火场的温度可根据混凝土外观和强度变化、化 学成分的变化及火焰的颜色等条件来判断。 (一) 根据混凝土外观和强度变化判定火场温度 用普通水泥(P)、矿渣水泥(K)、火山灰水泥(H)制 成标准混凝土试块，模拟实际火灾升温曲线对试块进行灼 烧试验，试验结果见表6-1。 试验表明：三种水泥制成的混凝土试块受热后颜 色都会发生改变，颜色变化规律与加热时间的关系大体是 相同的，都是随着加热时间的增长、温度的升高，颜色由 红粉红灰浅黄这条规律变化。 试验还表明：混凝土在不受外力作用下，当加 热时间不足50min(温度低于898)，试块外形基本完好， 只有四角稍有脱落；当加热时间持续到60 min(温度925) ，边角开始粉化脱落；70min(温度948)，混凝土各面开 始粉化；80min(温度968)，表面的粉化深度58mm； 90min(温度986)，表面粉化深度810mm；100min(温度 1002)，表面粉化深度1012mm；120min(温度1029) ，表面粉化深度1215mm。从混凝土表面裂纹大小也可 以看到被烧温度的变化。 一、室内火灾温度 的计算 二、火场温度的判 断依据* 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 表6-1 混凝土外观变 化与温度的关系 用矿渣水泥的混凝土试块进行恒温灼烧试验，试 验结果见表6-2。 一、室内火灾温度 的计算 二、火场温度的判 断依据* 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 表6-2 矿渣水泥混凝土颜色、外形变化 与加热温度、时间 的关系 一、室内火灾温度 的计算 二、火场温度的判 断依据* 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 由表6-2可以看出：在恒温加热条件下混凝土表面 颜色的变化规律与升温条件下基本相同，随着温度升高而 由红粉红灰浅黄变化；混凝土颜色的变化只与加 热温度有关，而与加热时间 关系不大；混凝土外形变化 从700开始现象明显，随着温度升高变化越来越大。当 在9001000下加热，由于温度达到800以上时，骨料 开始分解，混凝土外形基本破坏而粉化。混凝土加热到破 坏温度后，恒温加热时间 越长，破坏越大。如果达不到 破坏温度，尽管恒温加热时间 很长，也不能使混凝土破 坏 (二) 根据混凝土表面强度变化判定火场温度 混凝土随着受热温度的升高，其强度将不断降低。 如果受热时间 比较短，温度比较低时，外形还未发生变 化，眼睛无法看出各部位受热温度的差别及强度的变化。 但当混凝土受热温度不同时，其表面硬度会发生变化， 这种变化可以借助仪器测量出来。 1、测定回弹值 回弹仪检测 作为一种非破损检测 技术，在常温下 可以用来评定混凝土的质量。火灾中混凝土受高温作用后 ，其微观结 构受到了损害，表面硬度发生了变化。由于 各部位在实际 火场中受热温度不同，各部位也相应地表 现出不同程度的损伤 ，因而各部位的回弹值 也相应地发 生变化。用回弹仪检测 混凝土构件表面硬度，可以定性 地判断烧损 程度，判定其受热温度和受热时间 。混凝土 表面回弹值 与受热温度、时间 的关系见表6-3。 一、室内火灾温度 的计算 二、火场温度的判 断依据* 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 表6-3 混凝土表面回弹值与受热温度和时间的关系 从表6-3可以看出，随着加热持续时间的增长、温 度的升高，回弹值越来越小，回弹值降低率越来越大。在 加热510min（556658）时混凝土表面硬度变化不大 ；加热50min（898）以上时，混凝土表面已严重粉化， 回弹值为零。火场勘查人员可以根据混凝土回弹仪测定被 烧混 凝土表面的回弹值，判断混凝土被烧温度的高低。 一、室内火灾温度 的计算 二、火场温度的判 断依据* 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 2、用超声波检测判别 遭受火灾作用的混凝土建筑构件，由于火灾所产 生的短时高温，使混凝土内部出现许多细微裂缝，对超声 波在其内部的传播速度影响很大。根据实验证明，超声波 脉冲的传播速度随混凝土被烧温度的升高而降低。因此可 以根据超声波在混凝土内部传播速度的改变定性地说明混 凝土结构某部位的烧损程度，进而说明该部位的受热温度 的高低，以此判断火势蔓延方向和起火部位。 (三) 根据混凝土化学成分的变化判定火场温度 当混凝土被加热时，会发生如下变化： Ca(OH)2CaO+H2O CaCO3CaO+CO2 反应生成物数量随受热温度升高和时间增长而增 加，因此，可通过测量其质量变化值判断混凝土火烧部位 温度的高低。 1、测定中性化深度 混凝土中由于存在Ca(OH)2和少量NaOH、KOH，因 而硬化后的混凝土呈碱性，pH为1213。混凝土经火灾 作用后，碱性的Ca(OH)2发生分解，放出水蒸气，留下中 性的CaO。CaO遇无水乙醇的酚酞溶液不显色，而 Ca(OH)2则显红 色。 一、室内火灾温度 的计算 二、火场温度的判 断依据* 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 表6-4 矿渣水泥混凝土中性化深度 与受热温度、时间的关系 因此，可以用l酚酞的无水乙醇溶液喷于破损 的混凝土表面，测定不显红色部分的深度，即中性化深度 。实验研究表明，混凝土中性化深度随着加热温度的升高 和加热时间的增长而加深(见表6-4)。现场勘查时可直接在 混凝土构件表面凿取小块，将小块放人1酚酞的无水乙 醇溶液中，测定混凝土中性化深度。通过测定不同部位混 凝土构件的中性化深度，查表得出受热温度和持续时间。 根据温度分布分析火势蔓延方向，进而分析判定起火部位 。 一、室内火灾温度 的计算 二、火场温度的判 断依据* 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 2、测定炭化层中CO2含量 混凝土在水化凝结过程中会生成大量Ca(OH)2， 当混凝土长期在空气中自然放置时，表面层中的Ca(OH)2 就会吸收空气中的CO2形成CaCO3，通常把这种过程叫做 混凝土的炭化作用，所形成的CaCO3层叫b 炭化层(一般厚 度为23mm左右)。炭化作用的速度随空气中CO2浓度的 增大而加快。一般炭化层中CO2含量在20左右。试验表 明，当混凝土受热温度达550时，CaCO3开始分解，但分 解速度很缓慢，随着混凝土受热温度的升高，其分解速度 迅速增加。当达到898时，分解出的CO2分压可达到1atm 。因此，898称为CaCO3的分解温度。如果加热温度继续 提高，仍会加剧CaCO3分解速度，混凝土炭化层中CO2含 量将随加热温度的升高而降低。所以可在现场勘查中凿取 混凝土炭化层试样，采用国标GB21883碳酸盐中二氧化 碳测定方法测定二氧化碳的含量，通过查表推算出燃烧时 间和火烧温度(见表6-5)。 一、室内火灾温度 的计算 二、火场温度的判 断依据* 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 表6-5 普通水泥混凝土炭化层中CO2含量 与受热温度、时间的关系 3、测定混凝土炭化层中游离氧化钙(f-CaO)含量 游离氧化钙(f-CaO)是指水泥熟料锻烧过程中未 被 硅酸二钙完全吸收的CaO，该项指标一般作为水泥厂的一 项技术指标，含量在1以下，如果过高则影响水泥质量 。火灾中混凝土炭化层中的游离氧化钙(f-CaO)会随被烧温 度发生变化(见表6-6)。 由表6-6可知：火场温度在761925(时间20 60min)范围内，由于正好在CaCO3分解温度范围内，温度 升高，游离氧化钙(f-CaO)含量升高；当温度升至900 1000时，硅酸二钙吸收氧化钙变成硅酸三钙，此时游离 氧化钙含量随温度升高而降低。因此，在现场勘查时凿取 混凝土炭化层试样，采用国家标准GBl7886水泥化学分 析方法中氧化钙测定方法测定氧化钙的含量，查表推算出 燃烧时间和火烧温度(见表6-6)。根据现场温度分布，分析 判断火势蔓延方向和起火部位。 一、室内火灾温度 的计算 二、火场温度的判 断依据* 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 表6-6 火灾中混凝士炭化层中 游离氧化钙(f-CaO)的含量随温度的变化 此外，还可以采用热分析技术测定混凝土炭化层 中水泥的失重以及用电子显微镜测定混凝土中Ca(OH)2晶 体改变等方法来判断混凝土化学成分的变化，为分析判定 火势蔓延路线和起火部位提供依据。 (四) 根据火焰来判定火场温度 1、根据火焰的颜色来判定火场温度 火焰的颜色与温度和辐射热之间的关系见下表。 一、室内火灾温度 的计算 二、火场温度的判 断依据* 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 表6-7 火焰温度、色泽与辐射热的关系 （完全黑体的情况） 2、根据已知火焰的温度来判定火场温度 各种火焰的温度见下图： 图6-3 各种火焰的温度（） a. 火柴 b. 酒精 c. 城市煤气 d. 蜡烛 一、室内火灾温度 的计算 二、火场温度的判 断依据* 三、影响建筑物内 火场条件的重要因 子 第二节第二节 建筑物建筑物 内的火场温度内的火场温度 800 900 a 850 980 b 157 0 164 0 1650 c 60 0 800 100 0 1200 140 0 d (五) 根据窗玻璃破碎的情况来判定火场温度 窗玻璃破碎的情况与温度变化之间的关系见下 表： 表6-8 窗玻璃破碎的情况与温度变化 火调人员可以根据这些规律，对火灾现场中的混凝土 依据各部位的不同特征，“反推”出该部位火灾时曾受