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

1、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

2、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 400900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

3、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1010w?cm 1014w?cm,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

4、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

5、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

6、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400C800C之间变化更大，800C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°C 450500550600650700750800850900槐木g 60mw 2mw 1mw 60k w 2k w 42 w 14 w 8 w 5 w 红松g 100mw 50mw 400k w 6k

7、 w 180 w 42 w 14 w 8 w 5 w 桦木400mw 40mw 7mw 2mw 500kw 1kw 110w 20w 8w 5w 杨木400mw 40mw 9mw 1.7mw 2kw 300w 100w 12w 8w 5w 白松g70mw 30mw 700k w 160k w 2kw 50w 12w 8w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

8、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 C 500600700800900 槐木560m® 1mw 2k 3 14 3 5 w 151.5m 3 30k 3 80 w 7 w 3 w 250.5m 3 20k 3 40 3 5 w 3 w35420m® 11k 3 28 3 5 3 3 3红松5100m3 400k3 1803 143 53

9、1515m3 90k3 1103 63 33 252m3 3k3 403 4333 3530m3 1.5k 3 203 43 33桦木540m3 2m3 1k3 203 53 159m3 200k3 3503 83 33 257m3 15k3 493 53 33 352m3 4k3 403 53 33杨木540m3 1.7m3 3003 123 53 1530m3 80k3 653 73 43 258m3 2k3 253 53 33351m3 1k3 253 53 33白松570m3 700k3 2k3 123 53 158m3 100k3 2003 63 33 256m3 60k3 1403

10、 63 33350.3m3 25k3 503 63 33电3弧.3灼烧木炭的导电性电弧温度可以达 3000C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 23，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 C，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

11、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、

12、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

13、璃管内，用比玻璃管内 径稍细的端头整齐的玻璃棒压实至10m m,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

14、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

15、,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，XX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

16、在 93-18®之间，外围木 材炭块电阻值在60w-20mo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，XX区龙 山乡一幢三级耐火等级村民住宅发生火灾， 烧毁民房 1 2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

17、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483-883 之间，外围木材炭块电阻值在 1903-27m3 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，XX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 1 5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1.0 31.6 3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