建筑物內(nèi)的火場溫度

建筑物內(nèi)的火場溫度第1頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一(6-1)式中，qC為室內(nèi)的釋熱速率；qL為冷空氣取代熱煙氣所造成的熱損失速率；qW為通過壁面（包括墻壁、頂篷和地板）的熱損失速率；qR為通過敞開通風口的輻射熱損失速率；qB為熱量存貯在氣相空間的速率(一般可以忽略)。以上各q的單位為kW。為了簡化模型還要使用以下假設(shè)：(1)燃燒是完全的，且全部在室內(nèi)進行；(2)室內(nèi)的溫度始終是均勻的；(3)室內(nèi)所有內(nèi)表面的傳熱系數(shù)都相同；(4)流向及穿過房間邊界流出的熱流按一維傳熱處理，就是說忽略墻角、墻邊等具體形狀而將邊界假設(shè)為具有一定厚度的板。(一)釋熱速率（qC）假設(shè)充分發(fā)展火災處于通風控制狀態(tài)，即釋熱速率可寫為：(6-2)式中，HC是可燃物的燃燒熱，此處取為木材的燃燒熱（18.8MJ/kg）。并假設(shè)從t＝0時開始，qC將保持不變，直到可燃物全部消耗為止。這樣便忽略了木炭的燃燒階段，因為木炭燃燒與氣相燃燒相比要緩慢得多。實際上充分發(fā)展火災階段有時也存在燃料控制狀態(tài)，因此使用上式估計釋熱速率有可能偏高。一、室內(nèi)火災溫度的計算*二、火場溫度的判斷依據(jù)三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第2頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一(二)輻射熱損失（qR）根據(jù)斯蒂芬－波爾茨曼定律，qR可由下式確定：

(6-3)式中，AW是通風口面積(m2)；Tg

和To分別是室內(nèi)的氣相和環(huán)境溫度(K)；F是室內(nèi)氣體的有效輻射率，它可由下式計算：

(6-4)式中，XF是火焰厚度（m）；K是輻射系數(shù)(m-1)。彼得森取值為K

＝1.1（m-1），它是由木垛火的試驗數(shù)據(jù)得出的。當Tg》T0時，式（6-3）可簡化為：

(6-5)(三)對流熱損失（qL）這種熱損失按下式計算：

(6-6)式中，mF是煙氣的流出速率。假設(shè)mF

＝mair（即忽略燃料揮發(fā)分的質(zhì)量），則由川越邦雄的公式可知mF/AWH1/2近似為常數(shù)。若用表示之，上式可改為：

(6-7)一、室內(nèi)火災溫度的計算*二、火場溫度的判斷依據(jù)三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第3頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一(四)壁面熱損失（qW）以導熱形式經(jīng)壁面?zhèn)鞒龅臒嵬繎斢脭?shù)值解法求出。就是說把壁面分成若干薄層，對每一薄層可列出其瞬態(tài)導熱方程，然后求解它們組成的方程組以得出導熱損失速率，見圖6-2。圖6-2通過房間壁面的瞬態(tài)導熱過程設(shè)劃分的總層數(shù)為n，每層的,厚度為X，則對于壁面最里層可寫出：

(6-8)一、室內(nèi)火災溫度的計算*二、火場溫度的判斷依據(jù)三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度12jn-1nT1T2TjTn-1TnT0第4頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)劃分的總層數(shù)為n，每層的,厚度為X，則對于壁面最里層可寫出：

對于壁面內(nèi)部的第j層有：(6-9)

對于壁面最外層有：

(6-10)式中，C和k都是溫度的函數(shù)，由溫度場確定；Ti和Tu分別為壁面內(nèi)表面和外表面的溫度，它們分別用T1和Tn代替。ri和ru分別為壁面內(nèi)表面附近的換熱系數(shù)，彼得森按下式確定其值：

(kW/m2K)(6-11)

一、室內(nèi)火災溫度的計算*二、火場溫度的判斷依據(jù)三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第5頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一式中，T為集總輻射率，即：

(6-12)

(6-13)通過聯(lián)立求解方程（6-12）至（6-13），可得到各層的溫度，最后按下式計算qW。

(6-14)這樣熱平衡方程（6-14）中的各項便都確定了，將它們?nèi)看朐摲匠滩⒅匦抡砜傻茫?6-15)

一、室內(nèi)火災溫度的計算*二、火場溫度的判斷依據(jù)三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第6頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一Tg應當用數(shù)值積分方法計算(例如龍格－庫塔法)，T1的值仍需由Tg決定，通過在每一時間步上進行幾次迭代計算就可得到它們的合適值。計算中把燃燒持續(xù)時間定為mf

/m，式中mf為火災載荷，用千克當量木材表示；m為質(zhì)量燃燒速率。當超過這段時間后便認為qc等于零。一、室內(nèi)火災溫度的計算*二、火場溫度的判斷依據(jù)三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第7頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一二、火場溫度的判斷依據(jù)火場的溫度可根據(jù)混凝土外觀和強度變化、化學成分的變化及火焰的顏色等條件來判斷。(一)根據(jù)混凝土外觀和強度變化判定火場溫度用普通水泥(P)、礦渣水泥(K)、火山灰水泥(H)制成標準混凝土試塊，模擬實際火災升溫曲線對試塊進行灼燒試驗，試驗結(jié)果見表6-1。試驗表明：三種水泥制成的混凝土試塊受熱后顏色都會發(fā)生改變，顏色變化規(guī)律與加熱時間的關(guān)系大體是相同的，都是隨著加熱時間的增長、溫度的升高，顏色由紅→粉紅→灰→淺黃這條規(guī)律變化。試驗還表明：混凝土在不受外力作用下，當加熱時間不足50min(溫度低于898℃)，試塊外形基本完好，只有四角稍有脫落；當加熱時間持續(xù)到60min(溫度925℃)，邊角開始粉化脫落；70min(溫度948℃)，混凝土各面開始粉化；80min(溫度968℃)，表面的粉化深度5～8mm；90min(溫度986℃)，表面粉化深度8～10mm；100min(溫度1002℃)，表面粉化深度10～12mm；120min(溫度1029℃)，表面粉化深度12—15mm。從混凝土表面裂紋大小也可以看到被燒溫度的變化。一、室內(nèi)火災溫度的計算二、火場溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第8頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一表6-1混凝土外觀變化與溫度的關(guān)系

用礦渣水泥的混凝土試塊進行恒溫灼燒試驗，試驗結(jié)果見表6-2。一、室內(nèi)火災溫度的計算二、火場溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第9頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一表6-2礦渣水泥混凝土顏色、外形變化與加熱溫度、時間的關(guān)系一、室內(nèi)火災溫度的計算二、火場溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第10頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一由表6-2可以看出：在恒溫加熱條件下混凝土表面顏色的變化規(guī)律與升溫條件下基本相同，隨著溫度升高而由紅→粉紅→灰→淺黃變化；混凝土顏色的變化只與加熱溫度有關(guān)，而與加熱時間關(guān)系不大；混凝土外形變化從700℃開始現(xiàn)象明顯，隨著溫度升高變化越來越大。當在900～1000℃下加熱，由于溫度達到800℃以上時，骨料開始分解，混凝土外形基本破壞而粉化?；炷良訜岬狡茐臏囟群?，恒溫加熱時間越長，破壞越大。如果達不到破壞溫度，盡管恒溫加熱時間很長，也不能使混凝土破壞(二)根據(jù)混凝土表面強度變化判定火場溫度混凝土隨著受熱溫度的升高，其強度將不斷降低。如果受熱時間比較短，溫度比較低時，外形還未發(fā)生變化，眼睛無法看出各部位受熱溫度的差別及強度的變化。但當混凝土受熱溫度不同時，其表面硬度會發(fā)生變化，這種變化可以借助儀器測量出來。1、測定回彈值回彈儀檢測作為一種非破損檢測技術(shù)，在常溫下可以用來評定混凝土的質(zhì)量。火災中混凝土受高溫作用后，其微觀結(jié)構(gòu)受到了損害，表面硬度發(fā)生了變化。由于各部位在實際火場中受熱溫度不同，各部位也相應地表現(xiàn)出不同程度的損傷，因而各部位的回彈值也相應地發(fā)生變化。用回彈儀檢測混凝土構(gòu)件表面硬度，可以定性地判斷燒損程度，判定其受熱溫度和受熱時間?；炷帘砻婊貜椫蹬c受熱溫度、時間的關(guān)系見表6-3。一、室內(nèi)火災溫度的計算二、火場溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第11頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一表6-3混凝土表面回彈值與受熱溫度和時間的關(guān)系

從表6-3可以看出，隨著加熱持續(xù)時間的增長、溫度的升高，回彈值越來越小，回彈值降低率越來越大。在加熱5～10min（556～658℃）時混凝土表面硬度變化不大；加熱50min（898℃）以上時，混凝土表面已嚴重粉化，回彈值為零?；饒隹辈槿藛T可以根據(jù)混凝土回彈儀測定被燒混凝土表面的回彈值，判斷混凝土被燒溫度的高低。一、室內(nèi)火災溫度的計算二、火場溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第12頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一2、用超聲波檢測判別遭受火災作用的混凝土建筑構(gòu)件，由于火災所產(chǎn)生的短時高溫，使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)許多細微裂縫，對超聲波在其內(nèi)部的傳播速度影響很大。根據(jù)實驗證明，超聲波脈沖的傳播速度隨混凝土被燒溫度的升高而降低。因此可以根據(jù)超聲波在混凝土內(nèi)部傳播速度的改變定性地說明混凝土結(jié)構(gòu)某部位的燒損程度，進而說明該部位的受熱溫度的高低，以此判斷火勢蔓延方向和起火部位。(三)根據(jù)混凝土化學成分的變化判定火場溫度當混凝土被加熱時，會發(fā)生如下變化：Ca(OH)2→CaO+H2O

CaCO3→CaO+CO2反應生成物數(shù)量隨受熱溫度升高和時間增長而增加，因此，可通過測量其質(zhì)量變化值判斷混凝土火燒部位溫度的高低。1、測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堿性，pH為12～13?；炷两?jīng)火災作用后，堿性的Ca(OH)2發(fā)生分解，放出水蒸氣，留下中性的CaO。CaO遇無水乙醇的酚酞溶液不顯色，而Ca(OH)2則顯紅色。

一、室內(nèi)火災溫度的計算二、火場溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第13頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一表6-4礦渣水泥混凝土中性化深度與受熱溫度、時間的關(guān)系因此，可以用l％酚酞的無水乙醇溶液噴于破損的混凝土表面，測定不顯紅色部分的深度，即中性化深度。實驗研究表明，混凝土中性化深度隨著加熱溫度的升高和加熱時間的增長而加深(見表6-4)。現(xiàn)場勘查時可直接在混凝土構(gòu)件表面鑿取小塊，將小塊放人1％酚酞的無水乙醇溶液中，測定混凝土中性化深度。通過測定不同部位混凝土構(gòu)件的中性化深度，查表得出受熱溫度和持續(xù)時間。根據(jù)溫度分布分析火勢蔓延方向，進而分析判定起火部位。一、室內(nèi)火災溫度的計算二、火場溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第14頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一2、測定炭化層中CO2含量混凝土在水化凝結(jié)過程中會生成大量Ca(OH)2，當混凝土長期在空氣中自然放置時，表面層中的Ca(OH)2就會吸收空氣中的CO2形成CaCO3，通常把這種過程叫做混凝土的炭化作用，所形成的CaCO3層叫b炭化層(一般厚度為2～3mm左右)。炭化作用的速度隨空氣中CO2濃度的增大而加快。一般炭化層中CO2含量在20％左右。試驗表明，當混凝土受熱溫度達550℃時，CaCO3開始分解，但分解速度很緩慢，隨著混凝土受熱溫度的升高，其分解速度迅速增加。當達到898℃時，分解出的CO2分壓可達到1atm。因此，898℃稱為CaCO3的分解溫度。如果加熱溫度繼續(xù)提高，仍會加劇CaCO3分解速度，混凝土炭化層中CO2含量將隨加熱溫度的升高而降低。所以可在現(xiàn)場勘查中鑿取混凝土炭化層試樣，采用國標GB218—83碳酸鹽中二氧化碳測定方法測定二氧化碳的含量，通過查表推算出燃燒時間和火燒溫度(見表6-5)。一、室內(nèi)火災溫度的計算二、火場溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第15頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一表6-5普通水泥混凝土炭化層中CO2含量與受熱溫度、時間的關(guān)系3、測定混凝土炭化層中游離氧化鈣(f-CaO)含量游離氧化鈣(f-CaO)是指水泥熟料鍛燒過程中未被硅酸二鈣完全吸收的CaO，該項指標一般作為水泥廠的一項技術(shù)指標，含量在1％以下，如果過高則影響水泥質(zhì)量?；馂闹谢炷撂炕瘜又械挠坞x氧化鈣(f-CaO)會隨被燒溫度發(fā)生變化(見表6-6)。由表6-6可知：火場溫度在761～925℃(時間20～60min)范圍內(nèi)，由于正好在CaCO3分解溫度范圍內(nèi)，溫度升高，游離氧化鈣(f-CaO)含量升高；當溫度升至900～1000℃時，硅酸二鈣吸收氧化鈣變成硅酸三鈣，此時游離氧化鈣含量隨溫度升高而降低。因此，在現(xiàn)場勘查時鑿取混凝土炭化層試樣，采用國家標準GBl78—86水泥化學分析方法中氧化鈣測定方法測定氧化鈣的含量，查表推算出燃燒時間和火燒溫度(見表6-6)。根據(jù)現(xiàn)場溫度分布，分析判斷火勢蔓延方向和起火部位。一、室內(nèi)火災溫度的計算二、火場溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第16頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一表6-6火災中混凝士炭化層中游離氧化鈣(f-CaO)的含量隨溫度的變化此外，還可以采用熱分析技術(shù)測定混凝土炭化層中水泥的失重以及用電子顯微鏡測定混凝土中Ca(OH)2晶體改變等方法來判斷混凝土化學成分的變化，為分析判定火勢蔓延路線和起火部位提供依據(jù)。(四)根據(jù)火焰來判定火場溫度1、根據(jù)火焰的顏色來判定火場溫度火焰的顏色與溫度和輻射熱之間的關(guān)系見下表。一、室內(nèi)火災溫度的計算二、火場溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度第17頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一表6-7火焰溫度、色澤與輻射熱的關(guān)系（完全黑體的情況）2、根據(jù)已知火焰的溫度來判定火場溫度各種火焰的溫度見下圖：圖6-3各種火焰的溫度（℃）a.火柴b.酒精c.城市煤氣d.蠟燭一、室內(nèi)火災溫度的計算二、火場溫度的判斷依據(jù)*三、影響建筑物內(nèi)火場條件的重要因子第二節(jié)建筑物內(nèi)的火場溫度800900a850980b157016401650c600800100012001400d第18頁，共21頁，2023年，2月20日，星期一(五)根據(jù)窗玻璃破碎的情況來判定火場溫度窗玻璃破碎的情況與溫度變化之間的關(guān)系見下表：表6-8窗玻璃破碎的情況與溫度變化火調(diào)人員可以根據(jù)這些規(guī)律，對火災現(xiàn)場中的混凝土依據(jù)各部位的不同特征，“反推”出該部位火災時曾受過的溫度、持續(xù)時