建筑物内的火场温度

建筑物内的火场温度第1页，共21页，2023年，2月20日，星期一(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t＝0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建筑物内的火场温度第2页，共21页，2023年，2月20日，星期一(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建筑物内的火场温度第3页，共21页，2023年，2月20日，星期一(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建筑物内的火场温度12jn-1nT1T2TjTn-1TnT0第4页，共21页，2023年，2月20日，星期一设划分的总层数为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建筑物内的火场温度第5页，共21页，2023年，2月20日，星期一式中，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建筑物内的火场温度第6页，共21页，2023年，2月20日，星期一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建筑物内的火场温度第7页，共21页，2023年，2月20日，星期一二、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60min(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5～8mm；90min(温度986℃)，表面粉化深度8～10mm；100min(温度1002℃)，表面粉化深度10～12mm；120min(温度1029℃)，表面粉化深度12—15mm。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建筑物内的火场温度第8页，共21页，2023年，2月20日，星期一表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建筑物内的火场温度第9页，共21页，2023年，2月20日，星期一表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建筑物内的火场温度第10页，共21页，2023年，2月20日，星期一由表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900～1000℃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建筑物内的火场温度第11页，共21页，2023年，2月20日，星期一表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5～10min（556～658℃）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建筑物内的火场温度第12页，共21页，2023年，2月20日，星期一2、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)2→CaO+H2O

CaCO3→CaO+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12～13。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建筑物内的火场温度第13页，共21页，2023年，2月20日，星期一表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建筑物内的火场温度第14页，共21页，2023年，2月20日，星期一2、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2～3mm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GB218—83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建筑物内的火场温度第15页，共21页，2023年，2月20日，星期一表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761～925℃(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GBl78—86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建筑物内的火场温度第16页，共21页，2023年，2月20日，星期一表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建筑物内的火场温度第17页，共21页，2023年，2月20日，星期一表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建筑物内的火场温度800900a850980b157016401650c600800100012001400d第18页，共21页，2023年，2月20日，星期一(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过的温度、持续时